一种利用气体水合物饱和度变化分析沉积物孔隙分布的方法

摘要

本发明属于气体水合物地质勘探及资源开发领域，涉及到一种利用气体水合物饱和度变化分析沉积物孔隙分布的方法。该方法通过加压降温，使气体水合物在沉积物里生成。在气体水合物生成后的分解过程中，保持温度不变，采用逐步降低压力方式，促使水合物逐步分解，并利用核磁共振成像设备测出各个分解阶段沉积物中水的信号强度及已分解水合物的孔隙分布情况，结合各个分解阶段的温度和压力，确定各个阶段分解的气体水合物占据的孔隙大小和孔隙总量，从而结合核磁共振成像拍摄的图像计算并刻画出沉积物的孔隙分布特征。本发明的方法在不破坏天然岩心结构的情况下，利用水合物的生成分解过程，能够清楚地识别沉积物内部孔隙度分布特征，操作简单。

说明书

技术领域

本发明属于气体水合物地质勘探及资源开发领域，具体涉及到一种利用气 体水合物饱和度变化分析沉积物孔隙分布的方法。

背景技术

随着传统化石燃料资源的日益枯竭，天然气水合物的发现无疑是能源领域 的巨大突破。自然界中天然气水合物主要分布于深海沉积物或陆域的永久冻土 中，给开采和利用带来了巨大困难。对沉积物的粒径分布、沉积构造以及孔隙 结构等微观物理性质的精确刻画可以获得可靠的地质数据资料，为天然气水合 物勘探开发提供重要数据支撑。

目前常用的分析沉积物的方法有压汞曲线、X射线衍射、薄片鉴定、扫描电 镜等方法，这些虽然都能较清楚地识别沉积物的孔隙结构特征。但是由于自然 界中天然气水合物沉积物大多为分散状，传统方法测试过程中通常会破坏天然 沉积物结构，影响测试精确性。由于水合物在特定温度压力下的相平衡点与沉 积物孔隙度之间存在着对应关系，所以利用气体水合物饱和度变化，在不改变 沉积物外部形态和内部结构的情况下，研究沉积物孔隙度分布，是一种便捷而 有效的方法。

从气体水合物形成过程来看，水合物替代沉积物孔隙中的水，形成水合物 沉积层，水合物在孔隙中可能悬浮在流体中，也可能接触或胶结沉积物颗粒。 这些微观赋存状态和饱和度变化与岩心粒径及其排列特征具有非常紧密的关 系，对沉积物的孔隙结构、渗透率等物性参数具有关键影响，同时也改变了地 震波的传播，从而对水合物的地球物理勘探和资源评价具有重要影响。

发明内容

本发明提供了一种利用气体水合物饱和度变化分析沉积物孔隙分布的方 法，便于天然气水合物资源的勘探、开采。

本发明通过加压降温，使气体水合物在沉积物里生成。在气体水合物生成 后的分解过程中，保持温度不变，采用逐步降低压力方式，促使水合物逐步分 解，并利用核磁共振成像(MRI)设备测出各个分解阶段沉积物中水的信号强度 及已分解水合物的孔隙分布情况，结合各个分解阶段的温度和压力，确定各个 阶段分解的气体水合物占据的孔隙大小和孔隙总量，从而结合核磁共振成像拍 摄的图像计算并刻画出沉积物的孔隙分布特征。

本发明的技术方案是：

一种利用气体水合物饱和度变化分析沉积物孔隙分布的方法，将待分析的 沉积物放入真空加压饱和装置的岩心室中抽真空，向岩心室里加入去离子水浸 泡沉积物，对岩心室施加一定的外压，外压根据沉积物的疏松和致密程度而定， 该压力使沉积物能充分吸收去离子水；将吸水饱和的沉积物取出后置于岩心管 内，气源、恒温浴、数据采集监控系统均与核磁共振成像连接，将装有沉积物 的岩心管置于核磁共振成像中，通入甲烷或者二氧化碳等气体，打开恒温浴， 使岩心管内温度降低，根据不同气体设定恒温浴的温度，使气体完全生成气体 水合物；待气体水合物在沉积物孔隙中完全生成后，保持岩心管内的温度不变， 逐步降压，一部分气体水合物分解；继续降压直到气体水合物完全分解，每次 降压0.2MPa，每隔十分钟降一次压；根据气体水合物在不同孔隙半径下的相平 衡条件，可以反推出对应分解压力和温度下气体水合物占据的沉积物孔隙尺寸。

根据核磁共振成像记录的各分解阶段沉积物中水的信号强度，经过处理和 换算可得到各分解阶段残余水合物的饱和度值，从而能算出已分解气体水合物 的孔隙量的百分比，核磁共振成像拍摄的图像同时记录沉积物的孔隙分布位置。

根据各分解阶段的沉积物孔隙大小和孔隙量得到沉积物的孔隙分布频率直 方图，将孔隙分布频率直方图与孔隙分布位置图像结合，可以直观看出沉积物 的孔隙分布特征。

本发明在不破坏沉积物结构的情况下，利用气体水合物的生成分解过程， 能够清楚地识别沉积物内部孔隙度分布特征，并对其进行了定量描述，弥补了 直接用核磁共振成像测孔隙度分布分辨率不够的缺点。本方法同样适用于自然 界天然气水合物沉积层孔隙分布的测试。沉积物的孔隙结构反映了岩石的微观 物理性质，由于其结构十分复杂，如何表征孔隙结构分布特征对认识其渗流机 理至关重要，本发明提供的方法，操作简单，便捷有效，在实验室条件下能够 有效解决这一问题，同时也为天然气水合物的勘探和开采提供技术理论支持。

附图说明

图1是各个分解阶段孔隙分布位置图。

图2是孔隙分布特征图。

图3是孔隙分布频率直方图。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

将在真空加压饱和装置内加压饱和后的沉积物置于岩心管内，将岩心管放 于核磁共振成像中并连接好气源、恒温浴、数据采集监控系统的管路，打开阀 门，利用气体注射泵向岩心管内注入甲烷气体至3.3MPa后关闭阀门。静置三至 四小时，使甲烷在水中充分溶解。待压力稳定后再打开恒温浴，使岩心管内温 度下降到274.15K。压力传感器和热电偶会实时采集岩心夹持器内的压力和温度 数据，通过数据采集监控系统可以观察到压力和温度的变化情况，核磁共振成 像也会实时记录沉积物孔隙内水的信号强度变化和沉积物孔隙分布情况。当压 力突然下降时，表明有甲烷水合物大量生成，这时继续保持设定温度，待甲烷 水合物完全生成。

待甲烷水合物完全生成后，就可以进行逐步降压分解了。保持温度在 274.15K不变，逐步降压，一部分甲烷水合物会先分解，一般是小孔隙中的水合 物先分解，大孔隙中的水合物后分解，继续降压直到甲烷水合物完全分解，每 次降压幅度为0.2MPa，每隔十分钟降一次压。随着水合物的分解，核磁共振成 像会记录有甲烷水合物分解的孔隙位置图像，如图1所示，黑色代表固体，灰 色代表甲烷水合物分解后的水。

在0min时刻，图像代表甲烷水合物完全生成后开始降压前的状态，随后开 始降压，10min时刻的图像即为第一次降压分解后的图像，由黑变灰的位置就是 有水合物分解的位置。这样，在恒温状态下每隔十分钟降低一次压力，直到甲 烷水合物完全分解，就可以得到一系列甲烷水合物分解位置的图像，即不同尺 寸孔隙位置分布图。为了更清晰的看出各种尺寸孔隙分布的位置，可将相邻两 次降压的图像做减法，得到每一次降压后，有甲烷水合物分解的孔隙位置，如 图2所示。

根据甲烷水合物在不同孔隙半径下的相平衡条件，可以反推出对应分解压 力和温度下甲烷水合物占据的沉积物孔隙尺寸。核磁共振成像会记录下各分解 阶段沉积物中水的信号强度，经过式(1)计算可得到各分解阶段残余水合物的 饱和度值。

$S_h=1.25\times \frac{(I_0-I_i)\times S_{w0}}{I_0}\times 100\%---\left(1\right)$

注：式中S_w0为初始水饱和度，此实验中为1；I₀和I_i分别表示初始时刻和i 时刻的MI值。

实验得到的各分解阶段压力、对应的孔隙尺寸以及每阶段分解的甲烷水合 物所占孔隙量百分比如表1所示。根据各个分解阶段查到的对应压力和温度下 的孔隙尺寸，结合由饱和度得到的孔隙量可以作出沉积物的孔隙分布频率直方 图，如图3所示。

表1各个分解阶段的特征量

时间(min) 0 10 20 30 压力(MPa) 3.3 3.1 2.9 2.7 孔隙尺寸(nm) — 60 200 300 残余水合物饱和度 0.3123 0.2783 0.0122 0 孔隙量 — 10.89％ 85.21％ 3.90％

将图3与图2结合，可以直观看出沉积物的孔隙分布特征。由孔隙分布频 率直方图可以看出，200nm左右尺寸的孔隙最多，其余两个尺寸的孔隙量较少， 说明本实验用的沉积物的孔隙分布较均匀。