相变-应力作用下水合物沉积物孔隙结构-渗流属性的NMR关系研究

Understanding flow regularity of pore fluids in hydrate sediments during natural gas hydrate (NGH) exploitation is critical for exploitation method design and production potential evaluation. Seepage property can influence pattern and velocity of fluid flow and reflects controlling capacity of pore characteristics on fluid flow processes inside hydrate sediments. This study focuses on the changes in sediment skeleton structure and seepage property caused by phase transition and stress-induced strain during NGH dissociation. In order to achieve this object, we introduce nuclear magnetic resonance (NMR) technology to perform in-situ observation of NGH dissociation in different lithologic sediments, developing the identification method of skeleton structure and phase distribution inside the sediments, analyzing the character of NMR signals such as relaxation times in the case of different pore structures and hydrate spatial distributions. Then, by integrating the NMR signal expressions of pore structure parameters into the classical computational models of seepage property of porous media, we will propose the seepage property computational models for different lithologic hydrate sediments. Besides, this study will also build pore-scale multiphase flow models effectively achieving gas-liquid-hydrate interface tracking to simulate the evolution of pore structure parameters and permeability with the dissociation of the hydrates with different initial spatial distribution patterns. Finally, a muiti-phase, multi-component non-isothermal fluid-solid coupling model will be especially developed, which can allow for the change of permeability with phase transition and stress and help to elucidate the effect of the changed permeability on physical field evolution and gas production effectiveness.

理解天然气水合物藏开采过程中流体在沉积层内的流动规律是开采方案设计和效能评估的重要依据。渗流属性是衡量水合物沉积物内流体流动的重要参数，反映孔隙特征（大小、结构等）对流动过程的控制能力。本研究围绕水合物开采过程中相变与应力引起的沉积物骨架结构及渗流属性改变问题，实验模拟不同沉积物内水合物分解过程，引入核磁共振（NMR）技术进行原位观测和表征；开发骨架结构及孔隙内多相态分布识别方法，研究沉积物孔隙结构及水合物空间分布对应的NMR弛豫时间等信号特征；结合经典多孔介质渗流属性模型，基于NMR信号提出适用于不同水合物沉积物的渗流属性计算模型；建立有效考虑多相界面追踪的孔隙尺度流动模型，模拟不同赋存状态水合物（如悬浮型、胶结型等）分解过程中孔隙结构参数及渗透率的演化；开发水合物分解过程多相多组分非等温流-固耦合数值模型，阐释相变-应力协同作用下水合物沉积物渗透率改变对物理场演化和生产效率的影响规律。

天然气水合物是一种储量巨大、清洁的新型能源，受到了国内外广泛关注。水合物在我国南海分布广泛，实现南海水合物资源的高效开采对保障我国能源供给安全、优化能源结构具有重要意义。本项目以计算机断层扫描（CT）和核磁共振（MRI）技术及设备为核心搭建了水合物沉积物微结构、多相分布和渗流特性实验分析系统，自主开发了水合物沉积物孔隙特征和渗流属性分析软件以及水合物开采数值模拟系统。基于上述软硬件研究平台，开展了系列研究，主要包括：1）基于MRI技术测量了水合物沉积物骨架的孔隙结构特征与渗流特性，提出了岩石物理属性的定量表征方法，可以对来自靶区的水合物沉积物样本进行高精度测量，从而为水合物藏的评价与分析提供依据；2）构建了水合物相变动力学-多相多组分传质耦合物理-数学模型，数值模拟了盐水体系下水合物孔隙形态演化过程，揭示了水合物相变-多组分传质耦合过程对水合物相变速率及形态演化的控制机制。该模型不仅可以用来解释和分析水合物在海底沉积物中的形成与成藏过程，也可用于预测和分析水合物法海水淡化以及水合物法污水净化的效率；3）提出了有效考虑水合物相变过程的水合物储层动态渗透率分析模型，可适用于现有保压岩心及实验室样本的渗透率预测，数学形式简洁易用，可直接应用于场地尺度天然气水合物开采的数值模拟；4）自主开发了水合物藏开采多场耦合数值模拟器，对我国南海神狐水合物藏和日本Nankai海槽水合物藏开采过程中的产气规律进行了预测与分析，提出了优化的开采方案。以本项目为第一标注发表SCI论文16篇，获批软件著作权8项；部分研究成果构成了教育部自然科学一等奖以及中国海洋工程咨询协会一等奖的重要内容。