南海沉积物中水合物降压分解动力学行为及控制机理研究

In 2017, China successfully carried out the first gas hydrate production test in the muddy silt reservoir of Shenhu Area in the South China Sea. In order to understand the test results correctly, it is urgent to study the depressurization decomposing kinetics and control mechanism of gas hydrate in muddy silt reservoir and clarify the coupling relationship between reservoir structure characteristics and water/gas production. This project is intended to adopt a combination of micro and macro, theoretical and experimental methods, to study comprehensively the hydrate samples from the production test area of the South China Sea reconstructed in laboratory. The self-developed Low Field Nuclear Magnetic Resonance (LFNMR) technology for gas hydrate is first used to study the relative content of free-water and bound-water in the muddy silt sediment of the South China Sea, revealing their variation law in the hydrate dissociation process. The X-CT and LFNMR techniques are used to study the dynamic distribution of hydrates in micro-pore and nano-pore of sediments, clarifying the effect law of hydrate decomposing on pore structure and permeability of sediment from South China Sea. Based on the above results, a kinetics model of hydrate dissociation for muddy silt sediment is developed. In the meantime, experimental studies on gas hydrate depressurization decomposing are carried out. Combining with the experimental and production test data, this paper intends to clarify the gas/water production law and the control mechanism of gas hydrate depressurization exploitation in the muddy silt reservoir of the South China Sea. The results will provide a theoretical basis for gas hydrate exploitation safely and efficiently in the South China Sea.

2017年我国在南海神狐海域泥质粉砂储层成功地进行了首次天然气水合物试采，为加强对试采结果的正确认识，迫切需要开展泥质粉砂储层水合物降压分解动力学及控制机理研究，阐明储层结构特性与产水、产气的耦合关系。本项目拟采用微观与宏观、理论与实验相结合的方法，以实验室重塑的南海水合物试采区储层样品为对象开展综合研究。采用自主研发的水合物专用低场核磁共振技术，首次研究自由水与束缚水在南海沉积物中的相对含量，揭示二者随水合物降压分解的动态变化规律；采用X-CT、低场核磁共振联合技术研究沉积物微米、纳米孔隙结构特征的动态变化，揭示南海沉积物中水合物降压分解对储层孔隙结构及渗透性的影响规律；基于上述结果，建立适用于泥质粉砂储层水合物降压分解动力学模型，开展水合物降压分解模拟实验研究，结合实验与试采数据，阐明南海泥质粉砂储层水合物降压开采的气、水产出规律及控制机理，为南海天然气水合物安全高效开采提供理论依据。

沉积物中水合物分解微观行为及其控制机理是天然气水合物安全高效开采的理论基础。我国在南海成功进行了水合物试采，但对开采过程中储层微观结构演化及其对渗透率的影响规律认识不足。本项目采用自主研发的实验技术，开展沉积物中水合物降压分解过程中的孔隙水动态变化、储层孔隙结构与渗透性关系以及界面演化与产出规律等三个方面的研究工作，主要目的是揭示沉积物中水合物分解对储层孔隙结构及渗透性的影响规律，阐明南海水合物降压分解行为及控制机理。主要成果如下：.(1) 提出了LFNMR测试沉积物中束缚水的方法，揭示了沉积物中甲烷水合物分解过程孔隙水含量的动态演化规律。水合物降压分解气液流动会导致颗粒发生微移动，致使孔隙发生微变形。此外，松散沉积物孔隙中水合物相变与流体运移也会引起孔隙结构的变化，进而影响天然气的动态产出。(2) 建立了含水合物沉积物储层微观结构的量化表征技术，获取了沉积物中水合物饱和度、孔隙结构和渗透性等物性参数。建立了反映真实岩心孔隙空间的三维孔隙网络模型，掌握了水合物降压分解过程中沉积物储层结构参数演化特征。建立了含水合物沉积物渗透率的微观测试方法，揭示了水合物降压分解过程中渗透率变化规律并建立了数学模型；有效渗透率与有效孔隙度基本呈正相关，对于含水合物泥质粉砂沉积物，有效渗透率在0.005~4mD之间。（3）从分子角度揭示水合物分解机理，阐明了沉积物中水合物分解过程中的界面演化规律，探讨了界面演化对分解速率等参数的影响。研究表明采用分解比表面积可改进现有的水合物分解动力学模型，为建立具有更广泛意义的水合物分解动力学模型奠定了基础。.研究成果在国内外核心期刊上发表研究论文29篇，其中国际SCI论文17篇、EI论文2篇。获授权国际专利2项、国家发明专利7项。这些成果阐明了水合物降压分解储层孔隙结构及渗透性的演化规律，揭示了沉积物中水合物分解的微观行为及控制机理，为天然气水合物安全高效开采提供理论依据。