微观孔隙结构对含水合物沉积物渗透率影响规律研究

The permeability of gas hydrate bearing sediment is the basic parameter of design and production prediction for gas hydrate exploitation. The micro-pores structure is one of the immediate factors influencing the permeability. Hydrate formation or decomposition will significantly change the microscopic pores structure characteristics. Due to lacking of high resolution of microscopic direct observation technology, most researchers established the permeability parameter models with ideal micro-pores structure, which existed large deviation with the actual situation. In this study, we will research on the permeability of gas hydrate bearing sediment, combining the methods of micro-experiments and model analysis. We will use the natural sea sands and seabed sediment from South China Sea for gas hydrate formation and dissociation. The hydrate and pores microstructure can be directly observed using X-ray computed tomography. The saturation of hydrate will be inversed by the gray images. Secondly, pores structure parameters will be determined by 3D digital modeling and the permeability at different hydrate saturations can be calculated on the base of fractal geometric theory. By revealing the respond characteristics of micro-pores structure on the factors such as hydrate saturation and distribution modes, we seek to explore the micro control mechanism of permeability. These results will provide basic support for South China Sea gas hydrate exploitation.

含水合物沉积物渗透率是水合物开采方案设计与产量预测的基础参数，而微观孔隙结构是影响渗透率大小的一个直接因素。水合物在沉积物孔隙中的生长或分解会明显地改变微观孔隙结构特征，由于缺乏有效的直接观测技术，目前国内外研究多采用理想化的微观孔隙结构来建立渗透率评价模型，与实际情况往往有较大偏差。本项研究拟采用微观模拟实验与模型分析相结合的方法开展含水合物沉积物微观孔隙和渗透率研究。分别在天然海砂和南海海底沉积物体系中进行水合物生长和分解模拟实验，利用高精度X-CT技术实时观测水合物赋存模式和沉积物孔隙微观分布状态，并根据灰度图像反演水合物饱和度；通过三维数字化建模确定微观孔隙结构参数，并结合分形几何理论的渗透率模型计算含水合物沉积物的渗透率；系统分析水合物赋存模式、饱和度对微观孔隙结构参数的影响规律，进而探讨南海沉积物渗透率的微观控制机理，为南海水合物的开采提高有价值的参考。

目前，对含水合物沉积物渗透率的预测还未达到商业开发的要求，需要从微观孔隙角度揭示渗透率变化的内在机理。本项目以模拟实验为主，结合理论分析和图像处理技术，开展了含水合物沉积物微观结构特征、水合物在孔隙中赋存形态以及渗透率参数控制规律研究。首先，利用高精度CT技术观测了水合物在松散型、固结型沉积物孔隙中的微观分布规律，发展了沉积物颗粒与水合物边界的CT图像识别技术，克服了因水合物与水灰度相近难以准确分辨的难题；其次，获取了水合物生长变化过程中沉积物孔隙结构参数演化规律，建立了含水合物多孔介质孔隙分形几何模型，获得了不同饱和度条件下孔隙分形参数；同时，建立了一种新型的基于CT数字图像获取绝对渗透率的计算方法，与分形模型实现互补，共同揭示了水合物在沉积物孔喉道微观赋存状态是控制渗透率参数的关键；最后，对南海神狐海域水合物赋存区钻探样品中水合物的微观赋存形态进行了测试分析，发现了有孔虫壳体对水合物分布规律的控制作用。本项目对深刻理解含水合物沉积物微观渗流特性和开采方案设计优化提供了有利支撑。