海洋天然气水合物开采储层渗流研究进展 - 海洋化石燃料开采

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173个矿种。

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▲ 海底沉积物体系中五种典型的天然气水合物赋存模式(You et al.，2019)

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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，2014)。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，2020)。

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，2013)。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。

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▲ 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， 2019)

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(Huang et al.，2016)。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(Liu et al.，2020b)

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；

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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。

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目前，海洋天然气水合物开采储层渗流研究的关注对象逐渐从天然气水合物砂质储层转向了天然气水合物泥质储层，与之相关的有效应力升降及黏土矿物水化学行为等影响研究越发重要。此外，从室内小尺度模拟实验到现场大尺度工程测试，天然气水合物开采储层渗流跨尺度关联研究已经成为国内外研究热点。

《海洋天然气水合物开采储层渗流基础》（刘乐乐等著. 北京：科学出版社，2022. 11）一书是作者团队近年来在海洋天然气水合物开采储层渗流力学领域取得的最新研究成果的系统总结，既提供了丰富的实验模拟与数值模拟数据，又给出了翔实的理论分析成果，形成了一批原创性的海洋天然气水合物开采储层微宏渗流基础理论和技术成果。

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本书聚焦海洋天然气水合物开采储层渗流力学问题，通过理论分析、实验模拟和数值模拟，系统建立了含天然气水合物沉积物微观结构探测和表征及宏观渗流物性测试与建模的基础理论和技术体系，深入开展了含天然气水合物沉积物微观结构演化规律及其对相变渗流响应过程的影响机理研究，创新提出了含天然气水合物沉积物有效孔隙分形理论，深入剖析了天然气水合物饱和度及其赋存形态与聚散模式等因素对天然气水合物开采储层渗流过程的影响，为我国天然气水合物勘探开发提供科学理论和技术参考。

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本书共分为六章：

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第一章绪论，首先介绍渗流研究内容及其重要意义，其次给出本书涉及的渗流基本概念与基本定律，最后对海洋天然气水合物开采储层渗流研究进展进行概述；

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第二章海洋天然气水合物储层微观结构及其探测表征，首先对天然气水合物赋存类型和赋存形态进行概述，其次分别介绍微观孔隙结构探测技术与量化表征技术，最后阐述微观孔隙结构特征的演化规律；

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第三章海洋天然气水合物开采储层单相渗流研究，首先对含天然气水合物沉积物流体单相渗透率测量技术进行概述，其次介绍含天然气水合物沉积物流体单相渗透率预测方法，最后阐述含天然气水合物沉积物的单相渗流规律；

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第四章海洋天然气水合物开采储层多相渗流研究，首先概述多相渗流的基本知识，其次分别介绍含天然气水合物沉积物水、气两相渗流模拟实验与数值模拟研究的现状，最后总结水、气两相渗流相对渗透率计算模型；

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第五章海洋天然气水合物开采储层渗流分形研究，首先概述分形基本概念，其次介绍多孔介质渗流分形基础知识，再次重点阐述含天然气水合物沉积物有效孔隙分形理论及其渗流研究应用，最后给出分形理论相结合的关键路径分析方法作为另外一种分形研究思路的参考；

第六章海洋天然气水合物储层渗流原位测量与分析，首先概述海洋天然气水合物储层试井技术，其次介绍海洋天然气水合物储层核磁共振测井技术，再次梳理海洋天然气水合物储层保压岩心测量技术，最后对典型海域天然气水合物储层渗流原位测量实例与结果分析进行总结。

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本文摘编自《海洋天然气水合物开采储层渗流基础》（刘乐乐等著. 北京：科学出版社，2022. 11）一书“第一章  绪论”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

 (海洋天然气水合物开采基础理论与技术丛书)

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 ISBN 978-7-03-073711-3

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责任编辑：焦 健 韩 鹏 张梦雪

本书较系统地介绍了海洋天然气水合物开采储层渗流力学基础理论与技术，主要内容包括：海洋天然气水合物储层微观结构及其探测表征、海洋天然气水合物储层流体单相渗流研究、海洋天然气水合物开采储层多相渗流研究、海洋天然气水合物开采储层渗流分形研究、海洋天然气水合物储层渗流原位测量与分析。本书可作为高等院校海洋油气工程、能源地质工程和工程力学等专业研究生的教学参考书，也可供从事天然气水合物开采基础理论与关键技术研究的科研人员查阅。

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（本文编辑：刘四旦）

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