天然气水合物的勘探与开采技术基础研究

实现天然气水合物安全高效开采，必须以天然气水合物生成与分解理论为基础依据。天然气水合物分解过程涉及沉积层储层特性变化、水合物相态变化以及分解水/气在沉积层多孔介质中的迁移流动，相态、组分、流动以及多孔介质结构等因素共同影响决定着天然气水合物在沉积层中的分解规律。探究天然气水合物生成与分解的基础理论，是天然气水合物资源利用与技术应用的首要关键问题。以我国天然气水合物资源开采利用为背景，以研究沉积层多孔介质中天然气水合物分解规律为目的，在已开展的天然气水合物形成与分解技术研究的基础上，课题组从实验和模拟两个方面对天然气水合物的勘探与开采过程中的科学问题进行了研究。

多孔介质中水合物沉积物形成分解MRI可视化测量实验与分析技术：核磁共振成像是实现非透光物体内部三维可视化测量的高新设备。项目组搭建了适用于核磁共振成像（MRI）系统的水合物形成与分解实验测试装置，进行了二氧化碳水合物以及甲烷水合物生成、分解过程的沉积物骨骼结构变化的可视化实验研究。对可视化过程中图像亮度的分析定量得到了水合物饱和度等特性参数。研究发现MRI可以有效地监控水合物的形成与分解过程，确定水合物相和非水合物相的空间分布，计算水合物饱和度，为研究水合物生长与分解动力学提供了一种新的手段。利用MRI实验系统研究水合物的生成实验中发现：从二氧化碳水合物、甲烷水合物的生成实验可得出，水合物优先在容器壁面处形成，再逐渐向中心处生长。水合物倾向于先粘结住颗粒，再逐渐占据孔隙空间。水合物生成过程可以分成三个阶段，诱导期，快速生长期，稳定期。驱动力越大，即压力越高，温度越低时，越有利于水合物的生成。利用MRI实验系统研究水合物的注热分解实验中发现：二氧化碳水合物、甲烷水合物的分解速率主要取决于分解温度。与分解温度相比，颗粒粒径大小对分解速率的影响很小。甲烷水合物在玻璃砂中的饱和度较小，且分布不均匀，只在局部生成了水合物。随着水合物的分解，固相的甲烷水合物转变为甲烷气体和水，图像的亮度逐渐增强。利用MRI实验系统研究水合物的降压分解实验中发现：水合物的分解速率主要取决于降压幅度和降压速率，储层显热和环境传热是分解的限制因素。随着降压幅度和降压速率的增加，水合物分解速率增加，但当降压速率过快、降压幅度过大时，容易发生水合物的二次生成和结冰现象，降低反应速率。同时，在分解过程中，水合物的空间大量分解吸热也容易一起二次生成和结冰。利用MRI实验系统研究水合物的结合法实验中发现：降压法结合注热法能够有效的避免降压法引起的水合物二次生成和结冰、注热法分解的驱动力不足等缺点，使水合物快速分解。

二氧化碳水合物在不同粒径多孔介质中生长过程核磁共振图像

多时变因素下天然气水合物分解气、水产出规律：本研究利用微焦X射线CT扫描技术对天然气水合物分解过程进行了动态原位扫描，开发了冰、水合物、水（小密度差）图像识别方法，实现了含水合物沉积层骨架结构三维重建，提取了天然气水合物沉积层内部孔隙结构，气、水、以及冰、天然气水合物二次生成分布变化规律，实现了水合物分解过程气、液、固三相界面跟踪；在此基础上，本研究将石油储运工程领域的孔隙网络模拟方法首次引入到了天然气水合物孔隙内部渗流研究中，建立了天然气水合物分解过程孔隙网络模型，对多时变因素协同作用下含水合物沉积层的渗透率特性进行了数值模拟研究，并与天然岩心实验结果以及Kozeny等人提出的K-T模型与K-C模型进行了对比分析，证明基于真实数字岩心的孔隙网络模型具有更高的准确度；研究发现孔隙半径与喉道半径比是影响控制气体产出的关键因素,比值增大容易发生“卡断效应”,使气体束缚于小喉道内,降低气相渗流能力；水合物分解将引起沉积层平均孔隙半径增加，但水合物二次生成与结冰可迅速降低沉积层平均喉道半径，导致含水合物沉积层渗透特性显著降低，抑制天然气水合物分解气、水产出；在获得天然气水合物分解过程沉积层渗透特性变化规律基础上，申请人对水合物分解过程沉积层孔隙内部的气、水流动进行了进一步深入分析，获得了天然气水合物降压分解不同阶段气、水两相速度分布，进一步实验证明了水合物开采初期产水速率大于产气速率。

多时变因素下沉积层多孔介质内气、水渗流规律研究

天然气水合物合成与分解过程中传热特性研究：针对目前天然气水合物热开采过程中所遇到的多组分、相变等复杂传热问题，本研究展开了对天然气水合物生成分解过程传热特性研究。一方面，本研究基于实验室的大尺寸反应釜，搭建一套利用热敏电阻获取水合物合成与分解过程中的三维温度场和热导率等热物性参数的实验装置，首先利用大容积布置热敏电阻，测量出水合物合成与分解三维的温度场、温度梯度、热导率、热扩散系数等，并分析出水合物分解前沿，联系温度场与温度梯度、电导率与热导率的关系，深入分析水合物分解过程中含相变的传热特性。研究得到了水合物沉积层有效导热特性与温度、各相组分、多孔介质物理特性等的相关性，基于实验数据，提出了水合物沉积层预测模型，并得到了很好的验证。另外，我们对水合物开采过程中传热特性展开了研究，得到水合物分解过程中的相态变化和气液流动是传热系数变化的主要驱动力，提出了与之相关的提高开采效率的方法。

水合物分解过程中传热系数的变化

天然气水合物开采关键基础科学问题研究：天然气水合物作为一种亚稳态物藏，以固态形式赋存于海洋沉积层中，存在于特定的温度与压力条件下，天然气水合物资源开采过程是一个水合物相稳定条件变化，在沉积层多孔介质内原位分解的过程。天然气水合物的分解进程直接决定了水合物资源开采的高效性，其受到了储层类型、自由气水含量，沉积层内部有效传热，以及分解气水迁移等因素的协同影响，探明天然气水合物分解不同历程阶段的主控因素与驱动机制，对于优化目前的天然气水合物资源开采方法具有重要的基础意义。

海洋天然气水合物分解控制机制研究

为了探明天然气水合物分解历程控制因素与驱动机制，本研究模拟生成了不同海洋条件下的天然气水合物，对其进行了原位分解与核磁共振成像在线监测，实验证明了天然气水合物分解分为三个历程阶段：压力驱动的游离甲烷气产出阶段；沉积层显热主导的沿相平衡线进行的水合物分解阶段；储层外围传热控制恒压水合物分解产气阶段，揭示了水合物由初期整体分解转变成外围传热控制的径向分解的变化机制；同时实验结合模拟研究了沉积层内部多时变因素协同作用下的有效传热过程，发现海洋沉积层中自由水含量是影响水合物分解进程的关键因素，大量自由水存在由于显热耗能对水合物分解进程具有明显的抑制作用；而沉积层多孔介质有效导热较之分解气水流动对流换热对水合物分解进程具有更显著的驱动作用，并且控制了沉积层内水合物分解前沿的移动规律；有效传热的不足将诱发“水合物二次生成”以及“结冰”现象，抑制水合物分解甚至导致水合物分解停止，构成了水合物开采分解的重要生产障碍因素；在对目前主要的三种开采方法进行对比研究中发现，联合开采具有更优的开采效率，在高自由水含量条件下降压法比注热法更具有优势，相关成果并被应用到了我国青海高原以及南海神狐地区水合物模拟开采研究。

二氧化碳置换开采天然气水合物技术研究：本研究由甲烷与二氧化碳水合物相平衡条件出发，分别从三个温压区域两个相态区域对二氧化碳置换天然气水合物过程进行了分析（图4.19a），研究发现二氧化碳在含天然气水合物沉积层中的扩散能力是影响置换速率和效率的关键因素，在二氧化碳水合物稳定甲烷水合物非稳定区域具有高置换效率；实验证明了置换过程存在显著的两个阶段：在第一阶段置换率将占据总置换率的60%以上，进入第二阶段置换速率将迅速下降，该实验结果与研究者提出的Avrami模型与Shrinking Core理论模型具有很好的一致性（图4.19b），该研究成果说明如需提高置换速率，应在置换进入第二阶段时前采取降压等技术方法抑制Shrinking Core过程发生。近年来本研究在领域顶级期刊International Journal of Heat and Mass Transfer、Applied Energy、Energy、Fuel、Energy and Fuels发表了8篇SCI学术论文。

二氧化碳安全置换开采天然气水合物研究

天然气水合物岩芯声波检测和岩芯分析:由于在海上天然气水合物岩心在线探测前需要首先在实验室内对天然气水合物声波检测技术做相关研究，确定天然气水合物对声波信号的响应规律，得到水合物存在判别依据，所以我们设计了实验室水合物天然气岩心声波检测实验系统，该方案已经与合作单位浙江大学进行详细讨论，能够与浙江大学设计的保压取芯装置实现对接，采用可拆卸的探头固定方式方便海上实际操作，同时针对保压筒内20Mpa高压的特点，改进了声波检测方案，解决了耐压性问题。并通过实验，成功获得了水合物天然气岩芯的声波信号。采用玻璃砂作为多孔介质沉积物，模拟海底生成环境，在实验室内合成天然气水合物岩芯，针对水合物生成前后进行了声波检测，主要监测了P波速度和振幅随时间的变化，发现P波速度及振幅随水合物饱和度增加而增加的变化趋势，这对于天然气水合物的勘探具有重要的意义。