天然气水合物是天然气分子(主要是甲烷分子)和水分子在较高的压力和较低的温度条件下形成的一种似冰雪笼状的结晶化合物,它在自然界中广泛分布于高原极地等永久冻土环境和海洋湖泊等深水储层环境中,储量巨大,其含碳总量与全球已知化石燃料含碳总量相当,是一种国际公认的非常规战略能源,也是我国第个矿种。
▲海底沉积物体系中五种典型的天然气水合物赋存模式(Youetal.,)
天然气水合物的开采方法主要包括降压法、加热法、注入化学试剂法、二氧化碳置换法、机械-热采法以及几种方法的联合方法(张旭辉等,)。其中,降压法是指降低储层孔隙压力至天然气水合物相平衡压力之下,从而使储层内的固态天然气水合物分解相变产生天然气并采集的方法。大量的实验研究、数值模拟及现场试采结果均证明降压法及基于降压法的改良方案是目前天然气水合物开采的首选方法,这很可能也是实现海洋天然气水合物产业化试采的最佳途径,其他方法可作为降压法的辅助增产措施或产气稳定措施使用(吴能友等,)。
降压法开采海洋天然气水合物的过程实际上是传热效应、分解相变效应和储层变形效应等多个物理效应的非等温多相渗流过程(刘乐乐,)。多相渗流过程是指储层内的天然气和孔隙水在开采压差作用下发生渗流,天然气水合物微粒和细砂及黏土等矿物成分在渗流拖曳力作用下发生运移,伴随着传热效应、分解相变效应和储层变形效应等物理效应引起储层状态参数不断演化的过程。可见,降压法开采海洋天然气水合物储层的渗流过程是交叉热学、力学、化学等多个学科的复杂非等温多相渗流过程。
▲含天然气水合物沉积物有效绝对渗透率建模常用水合物孔隙赋存形态(刘乐乐等,)
海洋天然气水合物储层的多相渗流特性很大程度上反映允许天然气和孔隙水通过的能力,通常采用渗透率进行量化表征。海洋天然气水合物储层的绝对渗透率与相对渗透率等是开采产能模拟与增产方案评价等研究的关键参数,很大程度上决定了储层内天然气和孔隙水的渗流过程,在热量充足的条件下显著影响降压法开采天然气水合物的产气效率,通常被选为海洋天然气水合物储层可采性评价的关键指标(Huangetal.,)。降压开采过程中海洋天然气水合物储层的绝对渗透率与相对渗透率等关键参数变化过程的物理机制及预测模型研究是天然气水合物研究领域的热点方向之一,也是海洋非常规地质能源开发相关渗流研究领域的重点内容之一,涉及单相流体渗流行为研究、多相流体渗流行为研究、固体微粒运移与产出规律研究等几方面,常用的研究手段包括理论分析、实验模拟以及数值计算等,它们相互依存、互相补充。海洋天然气水合物开采储层渗流特性研究对于丰富我国天然气水合物开采基础理论体系内涵具有重要的科学意义,对于我国海洋天然气水合物开采技术方法进步及海洋非常规地质能源利用具有重要的工程意义,同时还能够对天然气水合物及地下渗流等学科的健全与发展起到积极的促进作用。
▲有效孔隙孔径分形维数演化受天然气水合物赋存形态影响情况(Liuetal.,b)
海洋天然气水合物开采储层渗流研究作为海洋天然气水合物开采基础理论与技术研究的重要方向,历经几十年的发展,特别是近年来随着天然气水合物实验测试技术与数值模拟方法的不断进步,在国内外专家学者的共同努力下取得了诸多进展,基本达成了以下共识:
天然气水合物饱和度是影响天然气水合物储层渗透率的重要因素;
即使在相同的天然气水合物饱和度条件下,不同赋存形式的天然气水合物对其储层渗透率的影响程度差异明显;
天然气水合物储层的渗透率与储层矿物成分、粒径级配和孔隙度等骨架状态参数有关。
目前,海洋天然气水合物开采储层渗流研究的
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