《天然气水合物沉积物声波速度测试方法》

天然气水合物沉积物声波速度测试方法

1范围

本文件规定了含水合物沉积物声波速度测定的通用要求、方法原理、仪器与设备、测定步骤和数据处理。

本文件适用于实验室内测定含水合物沉积物声波速度。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T32708-2016实验室仪器及设备安全规范反应釜

GB/T29304–2012爆炸危险场所防爆安全导则

GB50021–2001岩土工程勘察规范

GB/T50123–2019土工试验方法标准

DZ/T0445-2023天然气水合物术语

T/CAOE23–2020天然气水合物实验测试技术规范

3术语和定义

GB/T29172–2012、DZ/T0445-2023、T//CAOE23—2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

Ⅰ型天然气水合物structureⅠnaturalgashydrate

晶体结构为Ⅰ型的天然气水合物，立方体心结构，理论分子式为6X•2Y•46H2O。

注：X、Y分别代表大、小两种笼型结构。

3.2

Ⅱ型天然气水合物structureⅡnaturalgashydrate

晶体结构为Ⅱ型的天然气水合物，菱形立方结构，理论分子式为8X•16Y•136H2O。

3.3

水合数hydrationnumber

天然气水合物中水分子与气体分子的摩尔数比值。天然气水合物通常可以表述为M•NH2O，其中M为水合物中气体分子，N为水合数。

3.4

砂质沉积物sandysediments

沉积物中粒径大于75μm的颗粒质量超过总质量的85%。

注：沉积物是各种沉积作用形成的松散未成岩的岩土体物质的总称，分类见GB50021–2001中3.3对土的分类。

4方法原理

天然气水合物是在高压低温条件下由水分子与气体分子形成的固态包合物，通常以孔隙填充、骨架支撑等方式赋存于海底或冻土带沉积物中。水合物的生成会改变沉积物的骨架结构及孔隙流体性质，从而显著影响声波在其中的传播速度与衰减特征。基于声波在孔隙介质中的传播理论，声波速度与沉积物的弹性模量、密度、孔隙度及水合物饱和度等物性参数密切相关。通过测定声波在含水合物沉积物中的传播速度，并结合声波反演方法，可以估算沉积物中的水合物饱和度，进而为天然气水合物储层识别与资源评价提供关键依据。本方法基于时差法原理，通过测量声波脉冲在沉积物样品中的传播时间与已知传播距离，计算纵波与横波速度，从而建立声波速度与水合物饱和度之间的响应关系。

5仪器设备

仪器设备由注气系统、反应系统、温度控制系统、轴压加载系统、气体收集系统以及数据采集系统组成（见下图）。主要技术参数包括：

（a）注气系统主要由高压气瓶、减压阀、缓冲罐和收集瓶组成。

（b）反应系统主体为不锈钢反应釜（最大工作压力32MPa）、热电偶温度传感器(精度±0.01K)、压力传感器（精度0.01MPa）、声波探头组成。反应釜上部由一个手动杆，可以通过旋转手动杆调整两个声波探头之间的距离，最大可调距离为60mm；同时旋转手动杆的过程将力传递给不锈钢环使沉积物压实。

（c）温度控制系统为低温恒温循环水浴或者空气浴。本实验方法采用低温恒温循环水浴，控温范围为253K-373K，控温精度为0.01K。

（d）轴压加载系统包括手推泵（最大加载压力50MPa），轴压表（精度±0.001MPa）组成。

（e）气体收集系统包括截止阀、过滤器、背压阀、气液分离器以及收集瓶组成。

（f）数据采集系统由温度压力采集系统（MCGS）和声波数据采集系统共同组成。

（g）装置各部分之间的连接管路应尽可能短，内径宜大于3mm。

图1设备主要组成部分示意图

标引序号说明：

1—温压数据采集系统；2—收集瓶；3—气液分离器；4—空气浴；5—背压阀；6—反应釜；7—声波探头；8—手动杆；9—不锈钢杆；10—沉积物；11—声波数据采集系统；12—高压气瓶；13、14—截止阀；15—缓冲罐。

6实验方法

具体实验内容包括四个部分：样品制备、实验装置构建、水合物原位生成与声速测试、数据处理与模型建立。

6.1样品制备

样品制备采用水溶液配制部分饱和沉积物，通过CH4或CO2注气生成水合物。

6.2实验装置构建

搭建集成声波探头的高压反应釜系统、安装轴压加载系统以模拟真实条件下沉积物所受的压力、所有探头连接至数据采集系统。

6.3水合物原为生成及声速测试

将处理好的样品装填入高压反应釜，在完成气密性测试并抽真空后，注入反应气体开始合成水合物。在水合物原位生成的整个过程中，同步开启声波动态监测以实时记录波形数据，并针对不同的温压及饱和度条件开展多条件重复测试，从而确保实验数据的全面性与可靠性。

6.4数据处理与模型建立

采用时差法计算纵、横波速度，结合水合物反应消耗气体摩尔量、水合6及体积膨胀系数1.25，按本标准给出的饱和度-声速模型计算水合物饱和度，并进行有效应力校正与不确定度评定。

7计算结果

水合物饱和度Sh定义为沉积物孔隙中水合物体积占孔隙总体积的百分比。

式中：

Vh——沉积物孔隙中水合物总体积，单位为立方厘米（cm3）；

Vpore——沉积物孔隙体积，单位为立方厘米（cm3）；

对于合成的水合物样品，水合物Sh是通过水合物反应釜内消耗的甲烷气总量计算得到。水溶液转化率x为转化成水合物的质量占实验开始沉积物中水溶液质量的百分比。在计算过程中水合数取6，水合物体积膨胀系数为1.25，具体计算方法如下：

式中：

nh——某一时刻甲烷气体消耗总摩尔量，单位为摩尔（mol）；

ntotal——实验前进入反应釜的气体总摩尔量，单位为摩尔（mol）；

nw——水合数，6；

Mw——水的摩尔质量，18g/mol；

ρw——水的密度，1.0g/cm3；

Vpore——沉积物孔隙体积，单位为立方厘米（cm3）；

mw——水的初始总质量，单位为克（g）；

PCH4——某时刻反应釜压力，单位为兆帕（MPa）；

Vfree——某时刻反应釜内的孔隙总体积，单位为立方厘米（cm3）；

Z——压缩因子，由PR方程计算；

R——摩尔气体常数，8.314J/(K·mol)；

T——为反应釜内某时刻的温度，K。

8试验记录表格

实验记录格式参见附录A。

附录A

（资料性附录）

声波速度测定记录表格式

表A.1-A.3给出了声波速度测定试验记录表的格式。

A.1沉积物物性参数表

粒径，目数

尺寸，μm

密度，g/cm3

孔隙率，%

A.2声波速度实验数据记录表

实验组别

粒径，目

孔隙流体

溶液占沉积物

孔隙体积百分

比，%

实验反应周期

声波速度m/s