摘要：
赋存于海底沉积物和陆域永久冻土及一定深度以下地层中的天然气水合物储量巨大（Boswell，2009），有望成为未来可替代传统化石能源的清洁能源之一。水合物成藏条件苛刻，对温度和压力等环境条件极其敏感。为了测得含水合物沉积物地层的地质力学参数，以期为能源资源潜力评估、开采井稳定性以及沉积物地层变形等研究（Shin和Santamarina，2017；Sun等，2019）提供理论参考，近年来国内外学者进行了大量的原位开采试验和实验室合成水合物物理力学实验（Hunter等，2011；Konno等，2017；Li等，2018；Yamamoto等，2019）。目前的原位实验仪的反应釜与顶底盖板之间多采用法兰连接，增加了反应釜上下两端外径，导致射线源、样品与接收器的距离过长，因而扫描时间增加，且图像分辨率低，图像质量较差。另外，现有的CT原位实验仪大多未考虑利用环流结构优化水合物样品内部温度控制的问题，不均匀的样品内部温度将直接影响实验精度和数据可信度。本文基于CT扫描技术优化设计多场耦合原位实验仪，可以独立控制水合物样品的轴压、孔压及围压以模拟水合物样品不同的受力状态，通过控制进出口孔压流体测量样品渗流特性，并实现样品温度的精准调控。进而利用CT成像技术分析样品的力学、渗流和热力学等多物理场参数和特性。
本文涉及的原位实验仪舍弃传统的法兰连接，转而采用异形榫卯扣件连接。在保证反应釜抗压强度的基础上减小了外径，缩短CT射线源和探测器与水合物样品的距离，减少样品扫描时长，同时提升图像空间分辨率至亚微米级别，并减少X射线衍射造成的伪影，增强图像质量。该原位实验仪通过驱动器传动轴对样品施加轴向压力，利用高压流体施加孔压。通过控制上下两个孔压管路的压差提供渗流边界，可以实现水合物样品的渗透率测量等。围压循环管路可利用高压液体为样品提供高达30MPa的围压。温控系统主要是通过底座和散热铝板之间的帕尔贴片实现对围压循环管路在（-10~60℃）范围内的冷却或加热。此外，温控系统还包括环绕于反应釜和底座内部的冷却液循环管路。该环流结构可辅助进行水合物样品的冷却或加热。围压循环系统和温控系统相结合，可满足对样品环境温度的精准控制。

参考文献：
Boswell, R. (2009). Is Gas Hydrate Energy within Reach? Science, 325(5943), 957–958. http://www.jstor.org/stable/20544352
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Li, J. F., Ye, J. L., Qin, X. W., Qiu, H. J., Wu, N. Y., Lu, H. L., et al. (2018). The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea. China Geology, 1(1), 5–16. https://doi.org/10.31035/cg2018003
Shin, H., & Santamarina, J. C. (2017). Sediment–well interaction during depressurization. Acta Geotechnica, 12(4), 883–895. https://doi.org/10.1007/s11440‐016‐0493‐1
Sun, X., Wang, L., Luo, H., Song, Y., & Li, Y. (2019). Numerical modeling for the mechanical behavior of marine gas hydrate‐bearing sediments during hydrate production by depressurization. Journal of Petroleum Science and Engineering, 177, 971–982. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.03.012
Yamamoto, K., Wang, X. X., Tamaki, M., & Suzuki, K. (2019). The second offshore production of methane hydrate in the Nankai Trough and gas production behavior from a heterogeneous methane hydrate reservoir. RSC Advances, 9(45), 25,987–26,013. https://doi.org/10.1039/C9RA00755E

微米CT,多场耦合,原位实验,水合物