CN109358079A - 结合ct技术测量海域泥质粉砂储层结构变化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了结合CT技术测量海域泥质粉砂储层结构变化的装置和方法，包括由无磁材料制作的空心透明反应管和封闭两端堵头构成的夹持器；用于盛装测试样品的驱动介质的供料装置；连接供料装置和一端的堵头的连接器；连接另一端的堵头的测量装置；具备对所述夹持器进行扫描用的检测空间的CT装置；获取测量过程的数据并实时分析测量数据，同时输出相应测量结果的控制系统。本发明使夹持器小型化，同时利用无磁材料制作反应管，既可以满足实验时的观察要求，又可以放置在CT装置中进行扫描，从而得到不同压力下样品的运移情况图像，为开采地层下天然气水合物采用何种参数提供了有力的支持，相比现有技术中仅凭理论对开采结果进行推断的方式更加清楚和可靠。

Description

结合CT技术测量海域泥质粉砂储层结构变化的装置和方法

技术领域

本发明涉及地质领域，特别是涉及一种通过CT能够测量到存储天然气水合物的海域泥质粉沙多孔介质微粒在驱动介质下运移过程的装置。

背景技术

存储天然气水合物的海域泥质粉砂储层具有未固结、渗透率低、孔隙吼道结构空间上迂曲度大、配位数少等诸多特点。一般的天然气水合物储层的海底泥质粉砂沉积物中值粒径在2.60-28.96μm之间，中值粒径均值12μm，矿物主要由长英质(53％)、碳酸盐矿物(16％)和粘土矿物(26％-30％)组成，粘土矿物含量高，以蒙脱石、伊利石为主，束缚水饱和度大于65％。该套储层不同程度存在着非常细小的微粒，以松散的颗粒形式处于孔壁或颗粒的内表面上，会伴随流体在多孔介质中运移而在孔隙变窄处(喉道)堆集、堵塞，使储层渗透性大幅降低，而渗透率的大小直接决定单井日产量高低。

然而，鉴于该套泥质粉砂储层无骨架的特殊性，同行业内实验室中使用的常规岩心夹持器均不能填装此类样品，又由于该套储层多孔介质微粒粒径极低，常规实验方法无法有效观察到泥质粉砂微粒运移后的微粒分布规律，对有效开展多孔介质流速敏感性实验，以及了解、掌握储层内多相流体的渗流特性及渗透率变化规律带来极大挑战。

因此，研发可观察泥质粉砂在储层中运移过程的测量装置，可以尝试性的开展海域水合物多孔介质微粒运移测量实验，掌握不同驱替压力和流体流量条件下多孔介质微粒运移规律、微观结构变化过程以及渗透变化特征等多方面的信息。

发明内容

本发明的目的是要提供一种通过CT能够测量到海域泥质粉沙多孔介质微粒在驱动介质下运移过程的装置。

特别地，本发明提供结合CT技术测量海域泥质粉砂储层结构变化的装置，包括：

夹持器，包括无磁材料制作的空心透明反应管，密封反应管两端开口的堵头，堵头上设置有连通反应管内部的通孔，所述反应管的体积至少能够放置在CT装置的检测空间内；

供料装置，用于盛装测试样品的驱动介质；

连接器，连接所述供料装置和一端的堵头，以控制驱动介质输入反应管；

测量装置，连接另一端的堵头，用于测量反应管内排出的驱动介质量；

CT装置，具备对所述夹持器进行扫描的检测空间，用于获取所述反应管内驱动介质经过样品时样品的变化状态图；

控制系统，获取测量过程的数据并实时分析测量数据，同时输出相应测量结果。

在本发明的一个实施方式中，所述堵头包括空心的介质接头和金属密封管，所述介质接头包括无磁材料一体制成的限制段和输入段，所述限制段的外径小于或等于所述反应管的内径，所述输入段的直径大于所述反应管的外径，所述限制段插入所述反应管内部后被所述输入段挡住，所述金属密封管密封安装在所述反应管与所述输入段的连接处，所述通孔设置在所述输入段上；两个所述限制段之间的间隔距离为放置测量样品的空间。

在本发明的一个实施方式中，所述反应管的两端分别设置有外螺纹和安装密封圈的环形凹圈；所述金属密封管朝向所述限制段的一端设置有与所述反应管拧接的内螺纹，另一端为直径小于内螺纹段直径的滑动通道，在所述输入段靠近所述限制段的端部设置有外凸的限位圈，套在所述介质接头上的所述金属密封管被所述限位圈限制不能向限制段方向滑动，同时所述输入段上安装有限制所述金属密封管退出的C形卡。

在本发明的一个实施方式中，在放置所述样品的空间中安有调节空间大小的无磁调节管，所述调节管的外径等于或小于所述反应管的内径，调节管的内部设置有供驱动介质通过的通道，在所述调节管与样品接触的端面上设置有分流驱动介质的导流槽。

在本发明的一个实施方式中，所述反应管、介质接头和调节管由无磁的聚酰亚氨材料制成。

在本发明的一个实施方式中，所述限制段靠近放置样品一端的外圆周上设置有径向密封圈。

在本发明的一个实施方式中，在两个所述限制段靠近样品的一端分别依次放置有隔绝样品通过的金属网和滤纸，所述金属网和滤纸的目数至少要小于样品的粒度。

在本发明的一个实施方式中，所述测量装置包括电子天平，和盛装排出驱动介质的容器，所述堵头通过管路与所述容器连接。

在本发明的一个实施方式中，所述供料装置包括提供气体或液体的储料罐，调节所述储料罐输出压力的调节器，容纳驱动介质的液罐，液罐的输入端与调节器连接，输出端与所述连接器连接，所述调节器根据测量要求压力调节所述供料装置输出的气体或液体进入所述液罐，推动所述液罐内的驱动介质经所述连接器后进入所述反应管，所述连接器上设置有分别连接气源和液源的两个输入接口，一个共用输出接口，同时通过线路向所述控制系统输出当前驱动介质的输入量和压力值。

在本发明的一个实施方式中，所述介质接头的输入段远离限位段的一端安装有固定座，所述固定座的底面设置有容纳所述CT装置的放置座的容纳槽，在所述固定座的径向周边设置有可向轴心线方向拧动的调节螺丝，以将所述固定座与所述放置座固定。

在本发明的一个实施方式中，提供一种测量海域泥质粉砂储层结构变化的装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤100，根据测试要求选择相应量的样品，再放置入无磁材料制作的小型反应管内，由两端的堵头调节并限制样品的放置位置，然后连接各测试设备，使反应管位于CT装置的检测空间内；

步骤200，由控制系统先获取测量前的各种初始数据，并选择测试压力和测试流量，再打开液罐在设定压力下向反应管内以指定流量开始注入蒸馏水，记录测量装置上经过样品后排出的蒸馏水量，根据单位时间内排出的蒸馏水量计算出蒸馏水经过样品后时的渗透率；

步骤300，当测量装置接收的蒸馏水流速不再变化时，暂停实验并保持反应管内当前状态为静止，然后由CT装置利用射线源对反应管中的样品进行圆周360度扫描，获取并保存此次扫描的样品图像，然后继续实验；

步骤400，继续实验时，改变当前的测试压力，再重复步骤200和步骤300，直至达到预定的实验次数，然后对每次扫描获取的图像进行数据总结，得到当前样品在不同压力和流量时的微粒运移状况，从而给出相应地层实际开采天然气水合物时需要满足的条件。

在本发明的一个实施方式中，所述改变当前的测试压力的标准是根据压力梯度的变化进行改变的，具体的初始测试压力为10kpa，然后每次实验时的测试压力依次为30kPa、50kPa、75kPa、100kPa。

在本发明的一个实施方式中，所述样品放置在反应管内时需要与反应管的内壁面贴紧，以防止实验时蒸馏水由两者的接触处流过。

在本发明的一个实施方式中，所述当前样品在不同压力和流量时的微粒运移状况为：由泥质粉砂构成的岩储层样品随驱替时间的增加，渗透率变差存在于每个驱替时刻，最终形成增加近井周围渗流阻力的泥饼，特性是低压区间稳产时间长，且地层能量在高压区有明显的衰减趋势。

在本发明的一个实施方式中，计算渗透率时，先测量出当前的流速，再通过下述公式即可得到渗透率：

其中，ΔP为压差，Q为流速，μ为注入液的粘度，l为岩心的长度，A为岩心的横截面积，K为渗透率。

本发明使夹持器小型化，同时利用无磁材料制作反应管，既可以满足实验时的观察要求，又可以放置在CT装置中进行扫描，从而得到不同压力下样品的运移情况图像，为开采地层下天然气水合物采用何种参数提供了有力的支持，相比现有技术中仅凭理论对开采结果进行推断的方式更加清楚和可靠。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的测量装置连接示意图；

图2是图1中夹持器的具体结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的样品在实验过程中不同压力时的CT图像示意图；

图4是本发明一个实施方式的测量方法流程示意图；

图5是本发明一个实施方式的样品在实验时的流速分析图；

图6是本发明一个实施方式的样品在实验时的渗透率分析图；

图7是非Darcy渗流曲线示意图；

图8是南海北部水合物泥质粉砂储层的渗流曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施方式的结合CT技术测量海域泥质粉砂储层结构变化的装置一般性地包括夹持器10、供料装置30、连接器40、测量装置50、CT装置60和控制系统20。

该夹持器10包括由无磁材料制作的空心透明反应管11，和密封反应管11两端开口的堵头12，在堵头12上设置有连通反应管11内部的通孔。反应管11的透明性方便观察内部样品的放置位置及调节扫描点，采用无磁材料能够使CT装置60的检测射线通过，最终形成清晰的图像。由于本方案的一个目的就是需要观察到样品的运移情况，而这一点不能由低分辨率的CT机实现，而是需要高精度的CT机(如可满足0.5μm精度的分辨率)，目前高精度的CT机都有相应的放置样品的检测空间，该空间对反应管11的体积进行了限制，因此，本方案中反应管11的体积至少需要满足CT装置的检测空间要求。具体的无磁材料可以选用聚酰亚氨。

供料装置30用于盛装测试样品的驱动介质，如盛装气体的气罐31和/或盛装液体的液罐32，在实验时，根据具体实验要求选用相应的气罐31或液罐32。

连接器40是一个中转件，具备调整输出压力和输出数字信息的作用，其通过对应的接入接头分别与供料装置30的气罐31和液罐32连接，同时通过一个输出接头与反应管11上进驱动介质一端的堵头12连接。在确定采用气体还是液体作为驱动介质后，可通过切换开关将其接入接头切换至与输出接头连通。

测量装置50用于测量经过反应管11内样品后排出的驱动介质量，以计算当前压力下的驱动介质流速；测量装置50可以是计算单位时间内通过量的计量器，也可以是对排出量进行称重的计重器。本实施方式的测量装置采用电子天平51，在电子天平51上放置一个可盛装排出驱动介质的容器52，和一根一端连通反应管11上排出驱动介质一端伸入容器52内的连接管。

CT装置60并不参与实验过程，而是在实验过程中单独操作的一个步骤，其具备容纳夹持器10的检测空间，里面设置有射线源，通过对放置后夹持器10进行360度的扫描，可以生成反应管11内驱动介质经过样品时的状态图。具体的CT装置60可以采用现有的高精度CT，如：Sanying Micro-CT。

该控制系统20作为实验中枢，本身具备接收测量前实验数据和实验过程中各数据的功能，同时能够在获取的数据基础上进行实时分析，并给出相应的分析表格、曲线图等结果。可以采用工控机或PC机。

本实施方式在实验时，先检查夹持器10、堵头12和各个管线系统的密封性，然后；

一、安装夹持器10：先安装反应管11一端的堵头12，然后多次少量地连续装填泥质粉砂地层样品，直至样品完全充填反应管11中规定长度的样品放置区域，同时保证样品与反应管11内壁面之间紧密接触，以避免后期驱动介质直接由该接触面流过，影响样品处的流通效果，最后将反应管11另一端的堵头12安装好；

二、本实施方式采用蒸馏水作为驱动介质；因此依次连接液罐32与连接器40，连接器40与反应管11，反应管11与测量装置50，同时将收集各设备信息的数据线与控制系统20连接；

三、关闭连接器40，打开液泵32，调整液泵32的输出压力并稳定至实验要求压力；

四、由控制系统20记录电子天平51上容器52的初始重量，设定系统采样间隔，打开连接器40输出接头的开关，使蒸馏水经堵头12后进入反应管11中，蒸馏水经过样品后由另一端的堵头12排出至测量装置50的容器52内；在该过程中，由控制系统20对容器52中增加的流体体积进行记录，并按采样间隔时间对容器中增加的流量体积进行计算，以得到该间隔时间内经过样品的蒸馏水流率；

五、CT扫描有两种方式：1.连接后的反应管直接位于CT装置60的检测空间内，然后正常实验，并在实验过程中需要扫描时直接扫描即可；2.反应管不位于CT装置60的检测空间内，当需要扫描时，将反应管两端的管路封闭后取下，在保持反应管基本状态的情况下，放置进CT装置60的检测空间内进行扫描，扫描完毕后，再重新将反应管连接上管路，继续实验。

无论那种安装方式在扫描前都需要满足：当保持设定压力不变的情况下，蒸馏水流速稳定不再变化时才进行扫描；以取下反应管单独进行扫描为例：先封闭反应管11两端的堵头12并取下连接管线，在保持反应管11内部状态不变的情况下将反应管11取下并转移至CT装置60内的三维运动检测平台上，调整射线源，开启数据采集软件，调整各项扫描参数，在反应管11内样品结构稳态不再变化后，开始对反应管进行360度扫描；

六、扫描完成后，再将反应管11从CT装置内取出重新接入测量系统中，调整测试压力和/或流量，重复第四、五步再次进行实验，直至完成预定的不同测试压力下的实验过程；

七、在每个测试压力下都进行一次CT扫描，包括在开始实验前岩心原始状态的扫描，对每次扫描的数据都进行重建，分别获得各次样品的三维重构图像；对所有的三维重构图像进行整理，并根据实验数据绘制分析图、表、报告，最终得到当前样品所在地层在实际开采时，采用不同的开采条件时，可能获得的开采结果数据。

图3是选定样品在不同测试压力时，其内部储层结构由原始状态至一系列压力后各过程中CT扫描图像对比示意图；其中，第一排是实际实验时的3D状态示意图；第二排是第一排对应储层结构的同一位置径向截面示意图；第三排是第一排对应储层结构的同一位置轴向截面示意图。

本实施方式通过上述设备进行实验后能够得到如下证明：由于泥质粉砂岩储层样品本身没有骨架，与有骨架岩心相比变形剧烈，随着驱替时间的增加，样品渗透率变差存在于每个驱替时刻，最终形成泥饼，且泥饼会越积越厚，内部的空隙结构逐渐消失，泥饼的形成会增加近井周围渗流阻力，低压区间稳产时间长，如果不理想，只有靠不断增加生产压差提高流量，每提高一次压差产量均有急剧降低的风险；储层变形剧烈，地层能量在高压区有明显的衰减趋势，会有增压不增产的情况出现。

综上，对于天然气水合物的海底泥质粉砂储层，当水合物开发的压力梯度大于3-5MPa/m(对应的实验参数为30-50kpa/cm)，泥质粉砂储层的多孔介质孔隙结构将会表现出较大的形变，储层速敏现象较为严重，造成储层渗透率急剧降低，不利于气体的产出，同时储层微粒的移动会在近井地带形成不利于气体产出的“泥饼”结构。

本实施方式使夹持器小型化，同时利用无磁材料制作反应管，既可以满足实验时的观察要求，又可以放置在CT装置中进行扫描，从而得到不同压力下样品的运移情况图像，为开采地层下天燃气水合物采用何种参数提供了有力的支持，相比现有技术中仅凭理论对开采结果进行推断的方式更加清楚和可靠。

如图2所示，在本发明的一个实施方式中，该堵头12可以包括套接的空心介质接头122和金属密封管121；介质接头122用于密封封闭反应管11的端口，包括插入反应管11内部的限制段1222，和用于连接输入驱动介质的输入段1221，该限制段1222的外径小于或等于反应管11的内径，而输入段1221的直径大于反应管11的外径，当限制段1222插入反应管11内部后被输入段1221挡住；金属密封管121套在反应管11与输入段1222的连接处，金属密封管121可以加强反应管11和介质接头122的连接强度，避免在高压下两者脱离或出现泄漏。在金属密封管121与介质接头122之间可以设置相应的密封圈。在限制段1222的外圆周上同样可以设置相应的密封圈125，当限制段1222插入反应管11内后可以进一步防止两者的接触面出现泄漏。

连接驱动介质输入管线的通孔124设置在输入段1221上，可以设置在输入段1221的圆周上，也可以设置在输入段1221的端部，输入管线的接头可以是外螺纹接头，以便稳定的拧在输入段上。两个堵头12上限制段1222的长度可以根据样品的放置量确定，即两个限制段1222之间的间隔距离形成放置测量样品的空间15，因此，通过调整限制段1222的长度即可调整样品的放置量。

为了避免插入反应管11内的限制段1222影响CT扫描效果，该限制段1222和输入段1221为一体结构且同样由无磁材料制成，具体的无磁材料可以是聚酰亚氨。

进一步地，为提高反应管11与金属密封管12之间的连接强度，该反应管11的两端分别设置有外螺纹111和安装密封圈的环形凹圈；在金属密封管121朝向限制段1222的一端设置有与反应管11拧接的内螺纹段，金属密封管121另一端为直径小于内螺纹段直径的滑动通道，在介质接头122的输入段1221靠近限制段1222的端部设置有外凸的限位圈1223，当金属密封管121套在介质接头122上后，其利用内螺纹段拧在反应管11的端部，限位圈1223则限制了金属密封管121不能向限制段1222方向滑动，从而使金属密封管121能够对反应管11施加更大的拧力。为防止套插的金属密封管121由套接方向脱离，可在输入段122上安装限制金属密封管退出的C形卡。

进一步地，可以通过在反应管11放置样品的空间15中放置调节管来调节样品的容纳空间大小，调节管(图中未示出)为轴心线上设置有通道的管形结构，外径等于或小于反应管11的内径，调节管的内部设置有供驱动介质通过的通道，当需要的样品量小于两个限制段1222之间的空间15时，则可以在空间15的一端或两端放置相应长度的调节管，以缩小空间15的体积。驱动介质流入空间15时，会经过调节管内的通道进入样品。调节管不但可以调节空间15的大小，通过对其通道直径调整还可以控制流量。

此外，为避免驱动介质由调节管排出后直接进入与样品的接触点，可以在调节管与样品接触一端的端面上设置分流驱动介质的导流槽；当驱动介质由调节管的通道排出时，会先沿导流槽流动，然后再进入接触的样品，这样的结构可使进入样品的驱动介质更平均，从而得到更精确的运移结果。具体的导流槽可以是以通道为中心的环形凹槽，各环形凹槽之间由径向通道连通，使得驱动介质能够快速且均匀的流向整个端面。

同样，调节管也采用聚酰亚氨无磁材料制作。

在本发明的一个实施方式中，为避免样品进入介质接头122内，可以在两个限制段1222靠近样品的一端分别放置隔绝样品通过的滤纸(图中未示出)，该滤纸的目数至少要小于样品的粒度，但不能影响驱动介质的通过。在放置时，可以在一端先插入的限制段1222端面上先放置滤纸，然后填充样品，当样品填充完毕后，再放置这一端的滤纸，然后安装这一端的限制段1222。此外，当安装调节管时，同样在调节管与样品之间放置相应的滤纸。

在本发明的一个实施方式中，供料装置30还可以分别设置一个提供气体和液体驱动动力的储罐31、32，连接两个储罐31、32并调节储罐31、32输出压力的调节器34，容纳驱动介质的介质罐33，介质罐33的输入端与调节器34连接而输出端与连接器40连接。

本方案中以储罐31、32中的介质作为驱动驱动介质的动力源，即不以驱动介质本身的压力作为驱动源，而是采用专用的驱动源来驱动驱动介质。当储罐31、32打开后会输出一个压力，介质罐33本身不具备任何输出压力，因此储罐31、32的施加压力是多大介质罐33的输出压力就是多大。调节器34可以根据测量压力要求调节储罐31、32输出指定压力下的气体或液体进入介质罐33，进而推动介质罐33内的驱动介质经连接器40后进入反应管11。

在该过程中，调节器34可以直观控制输出压力，而连接器40则可以进一步对输出压力进行精确调整，同时将当前的模拟压力信号转化为电子信号输出至控制系统20，使控制系统20能够直接处理。

在本发明的一个实施方式中，为方便夹持器10安装在CT装置60内，可以在介质接头122的输入段远离限制段1222的一端安装固定座14，该固定座14的底面设置有容纳CT装置60的放置座的容纳槽，同时在固定座14的径向周边设置有可向轴心线方向拧动的调节螺丝。当夹持器11放置在CT装置60的容纳空间时，可将固定座14卡在容纳空间的放置座上，再通过调节螺丝使固定座14稳定固定在放置座上，以便整个夹持器11随放置座实现360度旋转，为CT扫描获取完整的扫描图像提供帮助。

如图4所示，在本发明的一个实施方式中，提供一种使用前述测量装置对样品实现测量的测量方法，其中具体涉及到的部件参见前面说明过的同样部件及标号，这里不再重复结构说明，而仅是说明各部件相应达到的效果。此外，本实施方式采用的驱动介质是液体，具体为蒸馏水。如果采用气体作为驱动介质，则实验设备不变但实验时需要采集的数据需要相应调整。

具体步骤如下：

步骤100，根据测试要求选择相应量的样品，再放置入无磁材料制作的小型反应管内，由两端的堵头调节并限制样品的放置位置，然后连接各测试设备；

这里的样品可以是直接采自相应地层的实际泥质粉沙原料，经过相应的加温除湿处理后使用。样品量决定蒸馏水通过的时间和通过量，常规情况下，样品厚度(即蒸馏水通过的距离)越大实验时的渗透时间越长，因此可根据实验时间选择相应的样品量。

样品放置时，可以分批次放入且每次需要压实，同时与反应管内壁的接触需要无死角，以防止蒸馏水直接由侧壁处通过。

具体样品量的多少可以通过堵头上限制段的长度来限制，如果需要的样品量少于两个限制段间隔距离，则可以通过放置调节管的方式来缩小安装空间。

堵头与反应管的连接，及各设备相互连接后需要防止连接处泄漏且避免在压力下脱离，因此可尽量采用螺纹连接结构。

步骤200，由控制系统先获取测量前的各种初始数据，并选择测试压力和测试流量，再打开液罐在设定压力下向反应管内以指定流量开始注入蒸馏水，记录测量装置上经过样品后排出的蒸馏水量，根据单位时间内排出的蒸馏水量计算出蒸馏水经过样品后的流速；

实验前需要避免管路中残留水份，同时对各项基本数据进行记录，根据常规开采经验选择一个初始测试压力和对应的测试流量。实验开始后，蒸馏水会在测试压力下进入样品，并由样品中的孔隙穿过样品后注入测量天平上的容器中。

该时间段内的蒸馏水平均流速也可以通过时间量和蒸馏水总量计算出来。

步骤300，当测量装置接收的蒸馏水流速不再变化时，封闭反应管两端的堵头，在维持反应管内当前状态的情况下将反应管移至CT装置的检测空间内，静置至样品结构不再变化后，利用射线源对反应管中的样品进行圆周360度扫描，获取并保存此次扫描的样品图像，然后将反应管取出再次进行连接；

蒸馏水经过样品时，会带动相应的样品微粒发生运移，从而原有的孔隙发生变化，但经过一段时间后新的孔隙状态会暂时固定，这可从排出的稳定蒸馏水流量确认。

保持取下后夹持器内部稳定状态的方式可以是，在堵头上或与堵头相应连接的管线上设置独立的开关阀，当需要CT扫描时，直接关闭两端的开关阀即可。

进行CT扫描时，只需要对夹持器进行扫描即可。此外，由于CT扫描是静态扫描，因此，新取下的夹持器需要静置一段时间，使其内部的流动现象稳定后再进行CT扫描。

CT扫描的过程完全由CT装置自身的系统完成，包括控制夹持管径向360度的转动，和每个角度图像的存储，以及后期对扫描图像的合成。本实施方式采用的是高精度CT装置，可以观察到微米级的微粒运移及相应形成的孔隙。

步骤400，改变当前的测试压力，再重复步骤200和步骤300，直至达到预定的实验次数，然后对每次扫描获取的图像进行数据总结，得到当前样品在不同压力和流量时的微粒运移状况，从而给出相应地层实际开采天然气水合物时需要满足的条件。

在一个测试压力下可以得到一个稳定的流动过程，但不同的测试压力下，对微粒运移的影响不同，因此，本方法对常规开采时的多个压力选择性的进行了测试。具体测试压力可以根据压力梯度的变化来选择，本实施方式中初始测试压力为10kpa，然后每次实验时的测试压力依次为30kPa、50kPa、75kPa、100kPa；当所有的测试压力测试完成后，即完成整个测试过程。

分析时，根据每个测试压力下获取的样品CT三维图像进行综合分析，最终通过直观的表格、图例呈献出来。

本方法通过阶梯式增压法进行储层多孔介质流速敏感性实验得出如下结论：由于泥质粉砂岩储层样品本身没有骨架，与有骨架的岩心相比变形更剧烈。随驱替时间的增加，渗透率变差存在于每个驱替时刻，最终形成泥饼，且泥饼会越积越厚，泥饼的形成会增加近井周围渗流阻力，低压区间稳产时间长。在这种状态下，只能不断增加生产压差来提高产出，但是每提高一次压差产量均有急剧降低的风险。此外，由于储层变形剧烈，地层能量在高压区有明显的衰减趋势，还会有增压不增产的情况出现。

图5是某个参数的样品，在不断增加的压力梯度下，样品的渗透率变化示意图。

图6是某个参数的样品在不断增加的压力梯度下，该样品的渗透率变化示意图。

在图5和图6所示的实验中，其中的样品量为6.6g，装入夹持器中长度为10mm，样品直径为8mm，孔隙度为18.6％，实验温度为25摄氏度。

根据经典Darcy定律，渗流速度与压力梯度之间表现为一条过原点的直线关系，只要偏离这种线性关系的渗流过程，都称为“非Darcy渗流”，参见图7。经过本方法的阶梯式增压法进行流速敏感性实验可知：南海北部水合物泥质粉砂储层与上述经典“非Darcy”型渗流曲线不同，不仅偏离原点带有启动压力，而且具有显著渗流速度过低的下限“非Darcy”渗流的趋势，参见图8。

本方法中，计算流速是通过驱替压差公式得到的，驱替压差公式为：

经过后得到：

其中，ΔP为压差，Q为流速，μ为注入液的粘度(1mPa·s)，l为岩心的长度，A为岩心的横截面积，K为渗透率。

流体的相态不断发生变化“固态—气态+液态”的同时，泥质粉砂储层的多孔介质自身也在发生塑性变形，导致孔隙结构整体有发生重构的趋势。多孔介质孔隙压力下降，引起气体和岩石的弹性膨胀、孔隙度下降，迫使气体在膨胀能作用下从孔隙中排出进入井底，多孔介质的孔隙度和渗透率等将是压力的函数：

k＝k(P)

其中，φ为孔隙度，P为压力，k为渗透率。以往的不稳态渗流理论使用“微可压缩假设”，对于多孔介质有如下条件：

k＝Const，

其中，φ为孔隙度，P为压力，k为渗透率，C_φ为孔隙压缩系数。而泥质粉砂储层与上述不同，地下岩石弹性能和气体的膨胀能很大，在渗流过程中所起的作用不容忽视，“微可压缩假设”不适用此类储层的油气开发应用，且多孔介质塑性变形严重，这使得储层渗透率的求取难度极大。

了解掌握了目的层渗透率敏感性和流速与压力梯度的关系两个方面信息，发现试采目的层多孔介质不仅存在启动压力梯度，而且出现严重的下限“非Dracy”渗流现象——即流量(流速)与压力梯度不为线性关系。

根据力学分析证实多孔介质孔隙结构会随压力梯度和时间的变化发生形变，储层速敏现象较为严重，造成储层渗透率急剧降低，流量出现明显的递减趋势，属于“非典型”的“非Dracy不稳态渗流”。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (15)

1.结合CT技术测量海域泥质粉砂储层结构变化的装置，其特征在于，包括：

夹持器，包括无磁材料制作的空心透明反应管，密封反应管两端开口的堵头，堵头上设置有连通反应管内部的通孔，所述反应管的体积至少能够放置在CT装置的检测空间内；

供料装置，用于盛装测试样品的驱动介质；

连接器，连接所述供料装置和一端的堵头，以控制驱动介质输入反应管；

测量装置，连接另一端的堵头，用于测量反应管内排出的驱动介质量；

CT装置，具备对所述夹持器进行扫描的检测空间，用于获取所述反应管内驱动介质经过样品时样品的变化状态图；

控制系统，获取测量过程的数据并实时分析测量数据，同时输出相应测量结果。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述堵头包括空心的介质接头和金属密封管，所述介质接头包括无磁材料一体制成的限制段和输入段，所述限制段的外径小于或等于所述反应管的内径，所述输入段的直径大于所述反应管的外径，所述限制段插入所述反应管内部后被所述输入段挡住，所述金属密封管密封安装在所述反应管与所述输入段的连接处，所述通孔设置在所述输入段上；两个所述限制段之间的间隔距离为放置测量样品的空间。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述反应管的两端分别设置有外螺纹和安装密封圈的环形凹圈；所述金属密封管朝向所述限制段的一端设置有与所述反应管拧接的内螺纹，另一端为直径小于内螺纹段直径的滑动通道，在所述输入段靠近所述限制段的端部设置有外凸的限位圈，套在所述介质接头上的所述金属密封管被所述限位圈限制不能向限制段方向滑动，同时所述输入段上安装有限制所述金属密封管退出的C形卡。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

在放置所述样品的空间中安有调节空间大小的无磁调节管，所述调节管的外径等于或小于所述反应管的内径，调节管的内部设置有供驱动介质通过的通道，在所述调节管与样品接触的端面上设置有分流驱动介质的导流槽。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述反应管、介质接头和调节管由无磁的聚酰亚氨材料制成。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述限制段靠近放置样品一端的外圆周上设置有径向密封圈。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

在两个所述限制段靠近样品的一端分别依次放置有隔绝样品通过的金属网和滤纸，所述金属网和滤纸的目数至少要小于样品的粒度。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述测量装置包括电子天平，和盛装排出驱动介质的容器，所述堵头通过管路与所述容器连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述供料装置包括提供气体或液体的储料罐，调节所述储料罐输出压力的调节器，容纳驱动介质的液罐，液罐的输入端与调节器连接，输出端与所述连接器连接，所述调节器根据测量要求压力调节所述供料装置输出的气体或液体进入所述液罐，推动所述液罐内的驱动介质经所述连接器后进入所述反应管，所述连接器上设置有分别连接气源和液源的两个输入接口，一个共用输出接口，同时通过线路向所述控制系统输出当前驱动介质的输入量和压力值。

10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述介质接头的输入段远离限位段的一端安装有固定座，所述固定座的底面设置有容纳所述CT装置的放置座的容纳槽，在所述固定座的径向周边设置有可向轴心线方向拧动的调节螺丝，以将所述固定座与所述放置座固定。

11.一种利用权利要求1-10所述装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤100，根据测试要求选择相应量的样品，再放置入无磁材料制作的小型反应管内，由两端的堵头调节并限制样品的放置位置，然后连接各测试设备，使反应管位于CT装置的检测空间内；

步骤200，由控制系统先获取测量前的各种初始数据，并选择测试压力和测试流量，再打开液罐在设定压力下向反应管内以指定流量开始注入蒸馏水，记录测量装置上经过样品后排出的蒸馏水量，根据单位时间内排出的蒸馏水量计算出蒸馏水经过样品后时的渗透率；

步骤300，当测量装置接收的蒸馏水流速不再变化时，暂停实验并保持反应管内当前状态为静止，然后由CT装置利用射线源对反应管中的样品进行圆周360度扫描，获取并保存此次扫描的样品图像，然后继续实验；

步骤400，继续实验时，改变当前的测试压力，再重复步骤200和步骤300，直至达到预定的实验次数，然后对每次扫描获取的图像进行数据总结，得到当前样品在不同压力和流量时的微粒运移状况，从而给出相应地层实际开采天然气水合物时需要满足的条件。

12.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，

所述改变当前的测试压力的标准是根据压力梯度的变化进行改变的，具体的初始测试压力为10kpa，然后每次实验时的测试压力依次为30kPa、50kPa、75kPa、100kPa。

13.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，

所述样品放置在反应管内时需要与反应管的内壁面贴紧，以防止实验时蒸馏水由两者的接触处流过。

14.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，

所述当前样品在不同压力和流量时的微粒运移状况为：由泥质粉砂构成的岩储层样品随驱替时间的增加，渗透率变差存在于每个驱替时刻，最终形成增加近井周围渗流阻力的泥饼，特性是低压区间稳产时间长，且地层能量在高压区有明显的衰减趋势。

15.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，

计算渗透率时，先测量出当前的流速，再通过下述公式即可得到渗透率：

其中，ΔP为压差，Q为流速，μ为注入液的粘度，l为岩心的长度，A为岩心的横截面积，K为渗透率。