低场核磁共振定量测定松散沉积物中含水量的方法

王佳贤, 刘昌岭, 纪云开, 孟庆国, 卜庆涛, 宁伏龙. 低场核磁共振定量测定松散沉积物中含水量的方法[J]. 海洋地质前沿, 2023, 39(12): 98-108. doi: 10.16028/j.1009-2722.2022.268
引用本文: 王佳贤, 刘昌岭, 纪云开, 孟庆国, 卜庆涛, 宁伏龙. 低场核磁共振定量测定松散沉积物中含水量的方法[J]. 海洋地质前沿, 2023, 39(12): 98-108. doi: 10.16028/j.1009-2722.2022.268
WANG Jiaxian, LIU Changling, JI Yunkai, MENG Qingguo, BU Qingtao, NING Fulong. A method to quantitatively determine water content in unconsolidated sediments using low-field NMR[J]. Marine Geology Frontiers, 2023, 39(12): 98-108. doi: 10.16028/j.1009-2722.2022.268
Citation: WANG Jiaxian, LIU Changling, JI Yunkai, MENG Qingguo, BU Qingtao, NING Fulong. A method to quantitatively determine water content in unconsolidated sediments using low-field NMR[J]. Marine Geology Frontiers, 2023, 39(12): 98-108. doi: 10.16028/j.1009-2722.2022.268

低场核磁共振定量测定松散沉积物中含水量的方法

  • 基金项目: 国家自然科学基金(42176212);国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项(2018YFE0126400)
详细信息
    作者简介: 王佳贤(1995—),男,在读博士,主要从事水合物生成微观机理方面的研究工作. E-mail:wjxcz@cug.edu.cn
    通讯作者: 刘昌岭(1966—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事天然气水合物模拟实验方面的研究工作. E-mail:qdliuchangling@163.com
  • 中图分类号: P736;P744.4

A method to quantitatively determine water content in unconsolidated sediments using low-field NMR

More Information
  • 核磁共振通过测定体系中氢质子弛豫的T2谱来确定液态水的含量。采用低场核磁共振技术定量测定松散沉积物体系中的含水量,探讨了沉积物粒径、黏土矿物种类与含量、孔隙水盐度、温度及气体压力等因素对测试结果的影响。由于不同介质体系中孔隙水表面弛豫机制不同,导致低场核磁测定松散沉积物中的含水量偏小。引入校正系数Cm对水量测试值进行了修正,结果表明:沉积物及孔隙水介质本身特性对水量测试结果几乎无影响,相对误差<0.5%,测试精密度<0.20%;温度变化对测试结果影响较大且呈负相关,温度从25 ℃降至1.7 ℃,水量测试值增加了10.71%;压力变化对测试结果的影响与充注气体是否含氢密切相关,不含氢气体的压力变化对测试结果没有影响,而对于含氢气体如甲烷,水量测试结果随压力变化线性增加,甲烷增加到5.05 MPa时,测试结果增加了12.15%。因此,在采用该法测量甲烷水合物生成分解过程中沉积物孔隙水的变化时,必须考虑体系的温度、压力对测试结果的影响,恒温恒压条件下监测的含水量变化能够准确指示甲烷水合物生成分解的微观过程,可望在海洋天然气水合物生成分解微观动力学研究方面得到广泛应用。

  • 加载中
  • 图 1  常温常压测试探头结构示意图

    Figure 1. 

    图 2  低温高压测试探头结构示意图

    Figure 2. 

    图 3  不同含水量标样的T2特征谱

    Figure 3. 

    图 4  含水量标准曲线

    Figure 4. 

    图 5  实验装置原理图

    Figure 5. 

    图 6  平行样测试结果

    Figure 6. 

    图 7  不同温度下的测试结果

    Figure 7. 

    图 8  不同气体压力下的测试结果

    Figure 8. 

    表 1  核磁测量参数-1(NMR1)

    Table 1.  Nuclear magnetic measurement parameters-1(NMR1)

    参数名称参数值参数单位参数名称参数值参数单位
    主频SF21MHz射频延时RFD0.080ms
    频率偏置O1不定Hz模拟增益RG120dB
    90度脉宽P16.60μs数字增益DRG13/
    180度脉宽P212.48μs前置放大增益PRG1/
    采样频率SW250kHz累加采样次数NS16/
    等待时间TW8 000ms回波时间TE0.10ms
    采样点数TD630 026/回波个数NECH18 000/
    注:每次测试前通过重置O1校正中心频率。
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    表 2  核磁测量参数-2(NMR2)

    Table 2.  Nuclear magnetic measurement parameters-2(NMR2)

    参数名称参数值参数单位参数名称参数值参数单位
    主频SF21MHz射频延时RFD0.080ms
    频率偏置O1不定Hz模拟增益RG120dB
    90度脉宽P114.20μs数字增益DRG13/
    180度脉宽P228.64us前置放大增益PRG1/
    采样频率SW250kHz累加采样次数NS32/
    等待时间TW5 000ms回波时间TE0.18ms
    采样点数TD990 036/回波个数NECH18 000/
    注:每次测试前通过重置O1校正中心频率。
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    表 3  核磁测量参数-3(NMR3)

    Table 3.  Nuclear magnetic measurement parameters-3 (NMR3)

    参数名称参数值参数单位参数名称参数值参数单位
    主频SF21MHz射频延时RFD0.080ms
    频率偏置O1不定Hz模拟增益RG120dB
    90度脉宽P113.20μs数字增益DRG13/
    180度脉宽P224.80μs前置放大增益PRG1/
    采样频率SW250KHz累加采样次数NS32/
    等待时间TW4500ms回波时间TE0.18ms
    采样点数TD810030/回波个数NECH18000/
    注:每次测试前通过重置O1校正中心频率。
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    表 4  精密度测试结果

    Table 4.  The test results of precision

    水量测试值/g水量测试平均值/g水量标准偏差S相对标准偏差RSD/%
    1.951.961.961.961.951.961.9583.89×10−30.20
    注:为减少计算误差,水量测试平均值保留3位小数。
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    表 5  不同沉积物粒径的测试结果

    Table 5.  The test results of different particle sizes of sediments

    沉积物粒径/μm水量测试值/g水量校正值/g水量真实值/g相对误差
    45~531.931.9692.00−1.57%
    58~751.951.9922.00−0.39%
    80~1201.951.9952.00−0.27%
    120~1801.951.9972.00−0.15%
    250~3801.992.0312.030.07%
    注:①水量校正值为水量测试值×校正系数Cm,为减少计算误差,保留3位小数;②校正系数Cm取值为1.022。
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    表 6  不同黏土矿物及其含量的测试结果

    Table 6.  The test results of different clay minerals and their contents

    黏土类型黏土比例/%水量测试值/g水量校正值/g水量真实值/g相对误差
    蒙脱石21.982.0272.020.36%
    蒙脱石51.992.0342.030.20%
    蒙脱石101.982.0272.03−0.14%
    蒙脱石201.951.9942.00−0.28%
    蒙脱石401.941.9852.00−0.73%
    高岭石21.951.9952.00−0.26%
    高岭石51.951.9922.00−0.38%
    高岭石101.951.9962.01−0.72%
    高岭石201.941.9772.00−1.17%
    高岭石401.941.9802.01−1.49%
    伊利石21.992.0282.020.40%
    伊利石51.982.0202.020.02%
    伊利石101.951.9932.00−0.37%
    伊利石201.962.0042.02−0.77%
    伊利石401.941.9832.00−0.86%
    注:①水量校正值为水量测试值×校正系数Cm,为减少计算误差,保留3位小数;②校正系数Cm取值为1.022。
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    表 7  不同孔隙水盐度的测试结果

    Table 7.  The test results of different salinities of pore water

    NaCl溶液浓度/(g/100mL)水量测试值/g水量校正值/g水量真实值/g相对误差
    0.11.972.0152.03−0.72%
    0.22.002.0452.040.26%
    0.41.992.0292.03−0.04%
    0.61.972.0092.000.43%
    0.81.951.9872.00−0.63%
    注:①水量校正值为水量测试值×校正系数Cm,为减少计算误差,保留3位小数;②校正系数Cm取值为1.022。
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出版历程
收稿日期:  2022-09-20
刊出日期:  2023-12-28

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