天然气水合物开采关键基础科学问题研究

Recent years, large-scale of natural gas hydrate resources are explored on land and seafloor in our country. Safe and efficient exploitation of natural gas hydrates becomes a significant subject for natural gas hydrate resource utilization. This project is based on the key and basic scientific issues during exploitation of natural gas hydrate. The objective is to clarify the coupling process of multiphase, multicomponent, multi field under phase transition in porous media, to establish dynamic microscopic visualization research methods and platform of natural gas hydrate exploitation process and to develop a multi-scale numerical simulation system that describes phase decomposition process and time-varying heterogeneity of natural gas hydrate sediments; To analyze the changing law of skeleton structure of natural gas hydrate sediments during the exploitation process; To interpret the influence of hydrate second-formation, freezing of ice and other factors on the permeability of gas hydrate sediments and permeability changing law of sediments during the exploitation process; To reveal the coupling of gas hydrate sediments skeleton structure characteristics, permeability of sediments, temperature change of sediments and fluid migration characteristics under phase transition; To clarify multiphase, multicomponent percolation and migration mechanism in porous media containing phase change process with multi-factor synergism; To construct the theory of natural gas hydrate exploitation to provide theoretical support for efficient exploitation of natural gas hydrate resources in the future.

我国近年在陆地、海上相继探明大规模天然气水合物资源，对其安全、高效开采是我国天然气水合物资源利用面临的重大课题。本项目以天然气水合物开采所面临的关键基础科学问题为研究背景，以阐明相变条件下多孔介质内多相、多组分、多场耦合作用过程为目标，建立天然气水合物开采过程动态微观可视化研究方法与研究平台，开发描述天然气水合物相变分解历程与沉积层时变非均质性的多尺度数值模拟系统；探析天然气水合物开采过程沉积层骨架结构特征变化规律；解明天然气水合物二次生成、结冰等因素对天然气水合物沉积层渗透性的影响，以及开采过程中沉积层渗透率的变化规律；揭示相变条件下天然气水合物沉积层骨架结构特征、渗透性、及温度变化与沉积层内流体运移特性的耦合作用；阐明多因素协同作用下多孔介质内含相变过程的多相、多组分渗流与迁移机制，构建天然气水合物开采基础理论体系，为未来我国天然气水合物资源的高效开采利用提供理论支撑。

本项目以天然气水合物开采所面临的关键基础科学问题为研究背景，建立微观可视化研究方法与研究平台，探析沉积层变化与气水流动规律；解明天然气水合物二次生成、结冰等因素对天然气水合物沉积层渗透性的影响，以及开采过程中沉积层渗透率的变化规律；阐明多因素协同作用下多孔介质内含相变过程的多相、多组分渗流与迁移机制；构建天然气水合物开采基础理论体系，为未来我国天然气水合物资源的高效开采利用提供理论支撑。.完成了天然气水合物骨架结构分析X射线CT可视化实验系统，开发了用于以及天然气水合物开采过程渗透性测试的实验装置，完成了天然气水合物分解过程三维骨架结构变化的CT重建；通过孔隙网络建模方法确定岩心的渗透率；利用核磁共振成像对水合物分解过程气、水的流动特性进行可视化分析。开展了天然气水合物分解过程沉积层骨架结构变化、水合物二次生成等对渗透率的影响；开发了数字岩心建模软件，实现岩心渗透率非均质性和各向异性的定量化描述。利用MRI实时监测多孔介质内天然气水合物的分解过程，以及相变过程的气、水分布状态，对气液运移进行精确测试。模拟了实际降压开采过程中水合物二次生成过程，探析了部分水饱和沉积层内不同气体渗流条件对天然气水合物降压分解过程中水合物二次生成的影响。基于数字岩心骨架结构和孔隙度分布，完了孔隙尺度网络模型的建立。在项目的支持下，获得国家自然科学奖二等奖1项，获得教育部自然科学奖一等奖1项，中国海洋工程咨询协会海洋工程科学技术奖一等奖1项。发表论文71篇，其中SCI检索论文62篇，国际会议论文6篇，授权发明专利9项。专利技术在中海油研究总院、广州海洋地质调查局、国家海洋局第一海洋研究所等单位得到应用，部分替代了国际同类技术，取得了显著经济效益。