CN110567814B - 一种天然气水合物沉积物三轴力学试验中子成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够对天然气水合物沉积物三轴力学试验内部结构进行高精度成像的方法。其特征是利用水合物分子结构尺寸与冷中子的波长相近的特点，通过降低中子束能量，提高中子束的质量衰减系数，从而增强天然气水合物、天然气和水分子的区分度，提升天然气水合物沉积物内部结构成像分辨率，实现天然气水合物三轴力学试验过程结构高精度成像。通过该方法可以获取天然气水合物试样形成和分解过程中的蠕变和松弛规律，有利于认识天然气水合物开发后储层稳定性的动态响应过程。其特征是利用水合物分子结构尺寸与冷中子的波长相近的特点，通过降低中子束能量，提高中子束的质量衰减系数，从而增强天然气水合物、天然气和水分子的区分度，提升成像分辨率，实现天然气水合物动态聚散过程的高精度成像。
Description
技术领域
本发明设计一种天然气水合物沉积物三轴力学试验中子成像方法 ，属于天然气水合物开采技术领域。
背景技术
天然气水合物的勘查和开发取得了一定的效果 ，但是天然气水合物在沉积物中的生成、分解和二次生成过程、在沉积物孔隙中的存在形式和行为、水合物形成分解对沉积物物性(渗透率、声波速度、热传导、导电等)的影响、生产***中的气液多相流、水合物在储层沉积物稳定性和生产管柱中的二次生成等关键基础科学问题不清限制了天然气水合物的商业化开发 。天然气水合物在在储层孔隙内的生成分解及结构稳定性的微观机制缺乏理解，主要困难在于，天然气水合物在温度和压力环境下的生成分解和结构高精度成像受当前技术手段的限制 。当前天然气水合物微观成 像主要依赖于 X 射线衍射(XRD)和 X射线 CT法(X-rayCT)等电子成像技术 。X 射线衍射可通过衍射峰确定天然气水合物的晶体结构类型 ，但是无法实现对天然气水合物动态聚散过程的成像； X射线 CT成像技术依赖于待测物体的密度差异，而水合物主要由天然气(主要为甲烷分子)和水分子组成，两者分子量接近，X 射线 CT难以将其区分，因而天然气水合物的相态成像精度极为有限。室内三轴力学试验是天然气水合物沉积物结构稳定性研究的重要手段 ，但 X 射线穿透高压腔体的能力有限，在检测水合物形成和分解的动力学过程和热力学过程时很难适用 。因此，当前技术 X射线衍射和X射线CT技术无法满足天然气水合物沉积物三轴力学试验成像的需求。
中子不带电 ，可以穿透物质而没有破坏性，从而给出物质体相的内力场信息； 中子与原子核的作用并不随原子序数发生有规律的变化，从而可以通过中子散射或成像技术更好地分辨轻元素和相邻的元素； 中子衍射具有高的穿透性，可以在特殊的实验环境如高压、低温、强场和不同环境下测试和研究，不仅可用于探索物质的静态微观结构，还可以用于物质动力学过程的研究，为天然气水合物沉积物三轴力学试验内部结构成像提供了可能。
发明内容
本发明提供一种能够对天然气水合物沉积物三轴力学试验内部结构进行高精度成像的方法。其特征是利用水合物分子结构尺寸与冷中子的波长相近的特点，通过降低中子束能量，提高中子束的质量衰减系数，从而增强天然气水合物、天然气和水分子的区分度，提升天然气水合物沉积物内部结构成像分辨率，实现天然气水合物三轴力学试验过程结构高精度成像。
天然气水合物沉积物三轴力学试验中子成像方法的主技术方案由六个部分构成：由自平衡压力室部分，三轴主机加载部分， 闭环伺服控制部分，气源动力部分，转台部分，中子射线部分构成 。由自平衡压力室部分特征为： 由岩样，上垫块，下垫块，球形座, 三轴缸，高压油管， 自平衡活塞上腔， 自平衡活塞上腔和自平衡活塞组成，岩样置于上垫块和下垫块之间，岩样最大直径100mm，下垫块下置球形座，球形座的全角度调整避免岩样加载过程中端面的应力集中，高压油管连接三轴缸，使三轴缸内充满甲烷气体 加载围压，自平衡活塞上腔和自平衡活塞上腔相连，保证气压均等，可使自平衡活塞上下移动加载时保持平衡；所述三轴主机加 载部分由固定框架，作动器下腔和作动器活塞组成，作动器下腔 与气源动力部分相连，通过气源动力加载使作动器活塞上下运动,实现对岩样的加载；所述闭环伺服控制部分由数据导线，围压伺服阀，多通道数字闭环伺服控制器，轴压伺服阀，变形数据线，数据集线台，应力数据线，温度数据线，位移数据线，和控制计算机组成，数据集线台从自平衡压力室部分引出变形数据线，应力 数据线，温度数据线，位移数据线，变形数据线，应力数据线，温度数据线，位移数据线分别接入多通道数字闭环伺服控制器，多通道数字闭环伺服控制器根据传感器数据作为伺服变量，通过数据导线与控制计算机通讯并进行数据交互，多通道数字闭环伺服 控制器通过控制参数控制围压伺服阀和轴压伺服阀，从而实现对气源动力部分的闭环伺服控制；所述气源动力部分由围压增压器 ,甲烷气，气泵，溢流阀，和氟利昂冷机组成，气泵将甲烷气通过三通高压油管压入溢流阀，当输出压力大于溢流阀压力值，甲烷气将多余的压力通过溢流阀返回到甲烷气罐，这样就使气泵输出压力可调和平稳，保证了轴向压力的动力加载，通过围压增压器 实现围压的动力加载；所述转台部分由高精度数字转台和转台支架组成，高精度数字转台采用荷载20kN，转动平稳度为5秒的高精 度转台，将自平衡压力室部分，三轴主机加载部分，闭环伺服控制部分和气源动力部分置于高精度数字转台上，保证主机高精度旋转，高精度数字转台置于转台支架上；所述中子射线部分由中子射线源，旋转准直器，液氢冷箱，速度选择器，中子飞行管，冷中子射线，探测器，探测器立柱和中子捕集器构成，冷中子射线源和探测器分别置于探测器立柱，中子射线源激发出中子射线经过旋转准直器和液氢冷箱，实现中子源降温，利用中子束速度选择器控制中子束速度，获取低于水合物分子布拉格限的中子波长的中子束， 中子射线通过中子飞行管透射过三轴缸和岩样， 由探测器接受，多余的中子束由中子捕集器接收。
附图说明： 图 1 天然气水合物沉积物三轴力学试验中子成像方法原理图。
1：岩样；2：上垫块；3：下垫块；4：球形座；5：三轴缸； 6：数据导线；7：高压油管；8：自平衡活塞上腔；9： 自平衡活塞下腔； 10： 自平衡活塞；11：固定框架；12：作动器下腔；13：作动器活塞； 14： 围压电液伺服阀； 15： 围压增压器； 16：多通道数字闭环伺服控制器； 17：伺服阀； 18： 甲烷气； 19：高压气泵；20：溢流阀；22：氟利昂制冷机；23：控制计算机；24：变形数据线；25：数据集线台；26：应力数据线；27：温度数据线；28：位移数据线；29：高精度数字转台；30：转台支架；31： 中子源；32：旋转准直器；33：液氢冷箱；34：速度选择器；35：中子飞行管；36：冷中子射线；37：探测器；38：探测器立柱；39： 中子捕集器。
基本原理与技术
中子束透射不同的材料时产生不同的衰减特性，衰减作用的强弱与材料组成的元素、密度等有关，因而可以通过透射中子束分析材料内部的成分和结构信息。通过探测技术和图像显示技术，将透射中子注量率的空间分布显示出来，就可以获得待测样品的空间分布、密度变化和各种缺陷信息 。冷中子是指动能为毫电子伏量级或更低量级的中子，一般范围为中子动能小于 0.005eV，其德布罗意波波长较热中子波长更长，散射特性适合于研究凝聚态物质的亚结构及激发 ，特别是高分子化合物和生物大分子。 中子的波长与待测凝聚态高分子的结构尺寸越相近 ， 中子束的衰减作用越强 ，因而中子成像的对比度越大，分辨率越高。利用液氢将反应堆活性区或反射层的中子源进行降温处理以提高中子束中的冷中子含量，通过速度选择器控制中子束的速度，获取波长低于水合物分子布拉格限的冷中子束，冷中子束经中子飞行管透射待测水合物，利用转换器对实现中子束的强度空间分布的光强分布转化，通过成像板将中子束的光强分布转化为电信号，实现数字化图像输出。
具体实施方式
1.将岩样 1 置于上垫块 2 和下垫块 3 之间 ，对中 ，并记录试样长度和位置 ，将三轴缸 5 封装完毕；
2.调整冷中子射线源在探测器立柱38的位置，调整探测器37 和探测器立柱 38上的位置，确保冷中子射线 36 能够完全覆盖岩样1 并到达探测器 37；
3.打开控制计算机 23，打开多通道数字闭环伺服控制器16，联结控制计算机 23与多通道数字闭环伺服控制器16 保持数据通讯；
4.在控制计算机 23 上设置好物理量测量部分各个传感器采样参数，设置好试验过程力加载或位移加载参数波形，启动高精
度数字转台，开始进行岩石力学中子成像试验；
5.完成试验过程后，在控制计算机 23 上保存试验过程动态测量部分各传感器数值 ，将作动器活塞13向下位移，卸下岩样1，完成试验。
Claims (1)
1.一种天然气水合物沉积物三轴力学试验中子成像方法，由自平衡压力室部分，三轴主机加载部分，闭环伺服控制部分，气源动力部分，转台部分，中子射线部分构成，所述自平衡压力室部分由岩样(1)，上垫块(2)，下垫块(3)，球形座(4)，三轴缸(5)，高压油管(7)，自平衡活塞上腔(8)，自平衡活塞下腔(9)和自平衡活塞(10)组成，岩样(1)置于上垫块(2)和下垫块(3)之间，试样最大直径100mm，下垫块(3)下置球形座(4)，球形座(4)的全角度调整避免试样加载过程中端面的应力集中，高压油管(7)连接三轴缸(5)，使三轴缸(5)内充满甲烷气体加载围压，自平衡活塞上腔(8)和自平衡活塞下腔(9)相连，保证气压均等，可使自平衡活塞(10)上下移动加载时保持平衡；所述三轴主机加载部分由固定框架(11)，作动器下腔(12)和作动器活塞(13)组成，作动器下腔(12)与气源动力部分相连，通过气源动力加载使作动器活塞(13)上下运动，实现对岩样(1)的加载；所述闭环伺服控制部分由数据导线(6)，围压伺服阀(14)，多通道数字闭环伺服控制器(16)，轴压伺服阀(17)，变形数据线(24)，数据集线台(25)，应力数据线(26)，温度数据线(27)，位移数据线(28)，和控制计算机(23)组成，数据集线台(25)从自平衡压力室部分引出变形数据线(24)，应力数据线(26)，温度数据线(27)，位移数据线(28)，变形数据线(24)，应力数据线(26)，温度数据线(27)，位移数据线(28)分别接入多通道数字闭环伺服控制器(16)，多通道数字闭环伺服控制器(16)根据传感器数据作为伺服变量，通过数据导线(6)与控制计算机(23)通讯并进行数据交互，多通道数字闭环伺服控制器(16)通过控制参数控制围压伺服阀(14)和轴压伺服阀(17)，从而实现对气源动力部分的闭环伺服控制；所述气源动力部分由围压增压器(15)，甲烷气(18)，气泵(19)，溢流阀(20)和氟利昂冷机(22)组成，气泵(19)将甲烷气(18)通过高压油管(7)压入溢流阀(20)，当输出压力大于溢流阀压力值，甲烷气(18)将多余的压力通过溢流阀(20)返回到甲烷气罐，这样就使气泵输出压力可调和平稳，保证了轴向压力的动力加载，通过围压增压器(15)实现围压的动力加载；所述转台部分由高精度数字转台(29)和转台支架组成，高精度数字转台(29)采用荷载20kN，转动平稳度为5秒的高精度转台，将自平衡压力室部分，三轴主机加载部分，闭环伺服控制部分和气源动力部分置于高精度数字转台(29)上，保证主机高精度旋转，高精度数字转台(29)置于转台支架(30)上；所述中子射线部分由中子源(31)，旋转准直器(32)，液氢冷箱(33)，速度选择器(34)，中子飞行管(35)，冷中子射线(36)，探测器(37)，探测器立柱(38)和中子捕集器(39)构成，冷中子射线源和探测器(37)分别置于探测器立柱(38)，中子源(31)激发出中子射线经过旋转准直器(32)和液氢冷箱(33)，实现中子源降温，利用中子束速度选择器(34)控制中子束速度，获取低于水合物分子布拉格限的中子波长的中子束，中子射线(36)通过中子飞行管(35)透射过三轴缸(5)和岩样(1)，由探测器(37)接受，多余的中子束由中子捕集器(39)接收。
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