水合物降压开采粉砂质储层孔隙结构演化及渗透性响应机理研究

Natural gas hydrates have been successfully extracted from silty sediments in Shenhu area of South China Sea. However, produced gas volumes predicted by varieties of numerical simulators are far from the real one. This is on account of the obvious deviation brought by existing permeability models when they are applied for silty sediments. This project is intended to study the pore structure evolution of hydrate-bearing silty sediments and its implications for the hydraulic property during depressurization, focusing on the stress sensitivity of permeability and the fractal analysis of effective pores. The pressure pulse decay method will be further developed and subsequently used for permeability measurements of hydrate-bearing silty sediments, followed by X-ray Computed Tomography and Low-field Nuclear Magnetic Resonance combination for identification and description of the pore structure. Then, fractal characteristics of effective pores in hydrate-bearing silty sediments will be analyzed, and depressurization’s bidirectional effects on the pore structure evolution will be clarified. Finally, this project will provide an insight into the hydraulic property response of hydrate-bearing silty sediments during depressurization, and build up a scaling-up model correlating the permeability prediction with the pore structure description. This will promote the accuracy of productivity prediction for gas hydrate recovery from silty sediments, and have a potential in guiding technical system developments of the depressurization method.

我国在南海神狐海域粉砂质储层中成功试采天然气水合物，但是其产气量的预测值与实际值存在量级的差别，究其主要原因，在于采用现有本构关系模型预测粉砂质储层渗透率演化时存在的量级偏差。本项目拟对水合物降压开采粉砂质储层孔隙结构演化特征，及其对渗透性的影响机理开展基础性研究，聚焦渗透率应力敏感性探究和有效孔隙结构演化分形分析。通过发展粉砂质储层渗透率的瞬态压力脉冲法测量技术，结合计算机断层扫描技术以及低场核磁共振技术，开展渗透率测量实验，以及孔隙微观结构辨识与表征；掌握粉砂质储层有效孔隙分形参数演化规律，厘定降压开采对有效孔隙结构演化的正反双向作用机制，阐明与之对应的储层渗透性演化机理，建立有效渗透率响应与有效孔隙结构演化之间的跨尺度关联方法。本项目研究将提升粉砂质储层水合物降压开采产能预测能力，能够为降压开采流程精准调控等技术的发展提供理论指导。

天然气水合物是一种有潜力的能源资源，在我国南海储量丰富，实现其商业开采具有重要的战略意义。我国南海水合物试采选用降压法，其产气效率受储层渗流性质影响，然而渗流性质在开采过程中如何演化尚不够清楚，分析其原因在于微观结构的测试、辨识与表征研究不足。本项目聚焦上述南海水合物试采渗流力学问题，综合物理实验、数值模拟和理论分析等多种手段，开展了水合物粉砂质储层有效渗透率与孔隙微观结构测量、水合物粉砂质储层孔隙微观结构分形表征、水合物粉砂质储层有效渗透率跨尺度建模三方面的研究工作，完善了水合物储层渗透率瞬态压力脉冲法测试技术，研发了水合物储层全尺度孔隙结构联合测试技术，发明了水合物储层微观孔隙结构量化表征技术，厘定了含水合物粉细砂有效孔隙分形参数在水合物分解过程中的量化关系，建立了含水合物粉细砂有效渗透率预测模型，实现了微观结构与渗流物性跨尺度关联，创建了水合物开采渗流分形理论，改善了传统经验方法的预测效果。研究结果表明，含水合物沉积物有效孔隙的孔径分形维数在水合物分解过程中逐渐增大，其主控因素为水合物饱和度；迂曲度分形维数略微减小，最大孔隙直径逐渐增大，其主控因素均为水合物的赋存形式。分解过程中含水合物粉细砂渗透率演化复杂行为主要由有效孔隙最大直径变化过程控制，即等量不同赋存形式水合物对沉积物有效孔隙最大直径的影响程度不同，是导致对应渗透率存在明显差异的根本原因。在国内外主流学术期刊上发表论文共26篇，其中SCI论文18篇；出版学术专著1部；获得国家专利授权8项，部分专利实现成果转化；支撑获得了省部级科技奖励2项。项目研究成果能够为海洋粉砂质储层水合物降压开采技术体系发展提供有力支撑。