海洋天然气水合物开采储层渗流基础

**章绪论 海洋天然气水合物开采过程涉及多种相互作用的物理效应，既存在单相流体渗流的情况，又存在多相流体渗流的情况，均在很大程度上受储层微观结构的控制。渗透率是刻画渗流过程的关键参数，是目前评价天然气水合物开采潜力的重要指标之一。因此，开展宏微观相结合的海洋天然气水合物开采储层渗流基础研究，发展相关的室内与原位测量技术，揭示渗透率演化规律及其主控因素，对于海洋天然气水合物开采基础理论创新与技术方法进步具有重要的意义。 本章首先概述了渗流研究内容及其重要意义，然后介绍了海洋天然气水合物开采储层渗流的基本概念与基本定律，*后重点梳理了领域内模拟实验、理论分析和数值模拟的研究进展及原位测量的分析现状。 **节渗流研究内容及其重要意义 一、渗流与渗流力学 渗流是指气体和液体等流体通过多孔介质的流动。多孔介质是指含有孔隙和微裂隙等各种类型毛细管体系的固相介质，其中固相部分被称为固体骨架，而未被固相占据的部分被称为孔隙，孔隙内既可以是气体，也可以是液体，还可以是两者混合的流体。多孔介质的孔隙空间应有一部分或大部分是相互连通的，可供流体流动，这部分孔隙空间对于渗流而言是有效的，通常被称为有效孔隙空间；而不连通的或虽然连通但无法流动的孔隙空间对于渗流而言是无效的，通常被称为无效孔隙空间，在某些情况下可视为多孔介质固体骨架的一部分。 渗流现象普遍存在于自然的和人造的多孔介质材料中，如自然界中地下岩土材料内淡水、盐水、热水、石油、天然气和煤层气等流体的渗流，动物脏器管道系统内血液和气体等流体的渗流，以及植物根、茎、叶等系统内水分和气体等流体的渗流。人造陶瓷、砖块、砂模、混凝土、填充床和纤维等材料内部的孔隙也时常发生渗流。渗流通常存在以下四个特点：①多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用明显，任何时候都必须考虑黏性作用；②在地下水渗流和油气藏开发渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；③孔道形状复杂、阻力大、毛细管压力作用较普遍，有时还要考虑分子力；④往往伴随有复杂的物理化学过程。 渗流力学是研究流体在多孔介质中如何运动的科学，它是流体力学的一个重要分支。流体力学主要用于研究流体本身在各种力作用下的静止与运动性质，以及流体在其与固体界壁之间存在相对运动时的流动规律，它与多孔介质理论、表面物理学、物理化学以及生物学等学科交叉融合之后形成了渗流力学。渗流力学通常以法国工程师达西在1856年总结出的水通过均匀砂层的线性渗流方程，即达西定律为诞生标志。俄国的力学家尼古拉 叶戈罗维奇 茹科夫斯基在1889年推导出了渗流微分方程，发现渗流在数学上与热传导有相似的性质。20世纪石油工业的崛起在很大程度上推动了渗流力学的发展。随着高性能计算机的出现以及计算机断层扫描和低场核磁共振等先进技术方法应用于渗流，为多孔介质内部孔隙结构及流场状态的无损观测提供了前所未有的可能，又将渗流力学的发展大大推进了一步。近年来，随着分叉、混沌以及分形等非线性理论应用于渗流以及格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method，LBM)的建立等，渗流力学的发展进入了一个全新的阶段。 渗流力学发展到今天，就其应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流三个方面（孔祥言，2020）。地下渗流是指岩土材料和地表堆积物中流体的渗流，主要包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程中的渗流等；工程渗流即工业渗流，是指各种人造多孔材料和工业装置中的流体渗流，主要涉及化学工业、冶金工业、机械工业、建筑业、环保业、轻工业和食品加工业等领域，包括多相渗流、非牛顿流体渗流、物理化学渗流和非等温渗流等；生物渗流是指动物与植物体内的流体渗流，大致可分为动物体内渗流和植物体内渗流两部分，它是流体力学与生物学、生理学交叉渗透而发展起来的。 二、海洋天然气水合物开采储层渗流研究意义 天然气水合物是天然气分子（主要是甲烷分子）和水分子在较高的压力和较低的温度条件下形成的一种似冰雪笼状的结晶化合物，它在自然界中广泛分布于高原极地等永久冻土环境和海洋湖泊等深水储层环境中，储量巨大，其含碳总量与全球已知化石燃料含碳总量相当，是一种国际公认的非常规战略能源，也是我国第173个矿种。天然气水合物的开采方法主要包括降压法、加热法、注入化学试剂法、二氧化碳置换法、机械-热采法以及几种方法的联合方法（张旭辉等，2014）。其中，降压法是指降低储层孔隙压力至天然气水合物相平衡压力之下，从而使储层内的固态天然气水合物分解相变产生天然气并采集的方法。大量的实验研究、数值模拟及现场试采结果均证明降压法及基于降压法的改良方案是目前天然气水合物开采的首选方法，这很可能也是实现海洋天然气水合物产业化试采的*佳途径，其他方法可作为降压法的辅助增产措施或产气稳定措施使用（吴能友等，2020）。 降压法开采海洋天然气水合物的过程实际上是传热效应、分解相变效应和储层变形效应等多个物理效应的非等温多相渗流过程（刘乐乐，2013）。多相渗流过程是指储层内的天然气和孔隙水在开采压差作用下发生渗流，天然气水合物微粒和细砂及黏土等矿物成分在渗流拖曳力作用下发生运移，伴随着传热效应、分解相变效应和储层变形效应等物理效应引起储层状态参数不断演化的过程。其中，传热效应是指物质间热量转移的物理效应，降压法开采天然气水合物引起传热效应的主要原因是天然气水合物分解产生天然气和水需要吸收足够的热量，它是天然气水合物能够持续分解的关键；分解相变效应是指固态天然气水合物分解、相变产生天然气和水的效应，分解相变速率与储层温度和孔隙压力等因素有关，该效应有增大孔隙中水、气相可流动空间的作用；储层变形效应是指储层力学性质弱化以及有效应力增加引起的变形效应，天然气水合物分解通常会弱化储层的力学性质，而降压开采持续抽排孔隙流体通常会显著增加储层的有效应力，该效应有减小孔隙水、气相可流动空间的作用。在分解相变与储层变形两个物理效应共同作用下，储层孔隙水、气相可流动空间在降压开采过程中是增大还是减小，或者说储层渗透性在降压开采过程中是提高还是降低还受到储层沉积物本身粒径级配及矿物成分等因素的控制。多相渗流过程在传热效应、分解相变效应及储层变形效应等物理效应影响的同时，反过来又会对这些物理效应造成反向影响。多相渗流过程伴随着对流传热，传热效率较单纯的热传导有所提高；多相渗流过程很大程度上决定了孔隙水气的抽排效率，从而影响储层孔隙压力的消散速率，进而影响储层有效应力的增加效果；多相渗流过程通过影响传热效率和孔隙压力消散速率，改变储层温度和孔隙压力条件，从而影响天然气水合物分解相变产生天然气和孔隙水的效率。可见，降压法开采海洋天然气水合物储层的渗流过程是交叉热学、力学、化学等多个学科的复杂非等温多相渗流过程。 海洋天然气水合物储层的多相渗流特性很大程度上反映允许天然气和孔隙水通过的能力，通常采用渗透率进行量化表征。海洋天然气水合物储层的绝对渗透率与相对渗透率等是开采产能模拟与增产方案评价等研究的关键参数，很大程度上决定了储层内天然气和孔隙水的渗流过程，在热量充足的条件下显著影响降压法开采天然气水合物的产气效率，通常被选为海洋天然气水合物储层可采性评价的关键指标（Huang et al.，2016）。降压开采过程中海洋天然气水合物储层的绝对渗透率与相对渗透率等关键参数变化过程的物理机制及预测模型研究是天然气水合物研究领域的热点方向之一，也是海洋非常规地质能源开发相关渗流研究领域的重点内容之一，涉及单相流体渗流行为研究、多相流体渗流行为研究、固体微粒运移与产出规律研究等几方面，常用的研究手段包括理论分析、实验模拟以及数值计算等，它们相互依存、互相补充。海洋天然气水合物开采储层渗流特性研究对于丰富我国天然气水合物开采基础理论体系内涵具有重要的科学意义，对于我国海洋天然气水合物开采技术方法进步及海洋非常规地质能源利用具有重要的工程意义，同时还能够对天然气水合物及地下渗流等学科的健全与发展起到积极的促进作用。 第二节渗流基本概念与基本定律 一、天然气水合物 （一）天然气水合物的结构特征 天然气水合物是一种固体，它具有典型的笼状结构，其多面体笼状骨架呈现出空间点阵分布特征，由“主体”水分子在氢键作用下形成，笼状骨架点阵之间有孔穴，气体分子作为“客体”在范德瓦耳斯力作用下充填于这些孔穴中，水分子和气体分子之间没有化学计量关系。自然界中能够形成天然气水合物的气体通常由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等同系物和二氧化碳、氮气、硫化氢等其中的一种或多种成分组成，其中甲烷含量占80.0%～99.9%，以甲烷为主要气体组分的天然气水合物称为甲烷水合物。 根据天然气水合物笼状结构特点的不同，目前已发现的天然气水合物可划分为Ⅰ型、Ⅱ型和H型三种结构类型。其中，Ⅰ型天然气水合物为立方晶体结构，其客体分子基本由甲烷、乙烷两种烃类以及二氧化碳、硫化氢等非烃类小分子构成，它在自然界中分布*为广泛；Ⅱ型天然气水合物为菱形晶体结构，其客体分子既可以是甲烷、乙烷烃类小分子，又可以是丙烷、丁烷烃类大分子；H型天然气水合物为六方晶体结构，其客体分子可以是尺寸更大的烃类气体分子，它在自然界中较为少见。关于天然气水合物结构特征更系统的总结和更完整的描述请查阅相关专著（Sloan and Koh，2007）。不同类型的天然气水合物结构特征实质上反映的是不同大小的水分子笼状结构，同时也反映了气体分子的组分构成。此外，天然气水合物的结构类型与其气体来源通常具有较好的对应关系。由于海底浅层沉积物中仅能产生生物成因的甲烷气，而深层沉积物中的气体因深部有机质裂解效应还会出现更多其他的烃类组分，因此Ⅰ型天然气水合物往往反映了生物成因气的起源，而Ⅱ型天然气水合物通常反映了深部热成因气的来源（吴能友，2020）。 （二）天然气水合物的生成分解 天然气水合物的生成分解过程可用式（1.1）所述的化学式进行描述： M+NHH2O［M NHH2O］+ΔE（1.1） 式中，M为气体分子；NH为水合指数；H2O为水分子；［M NHH2O］为天然气水合物分子；ΔE为相变潜热。式（1.1）中由左向右的箭头表示天然气水合物的生成过程，即天然气和水在较低的温度和较高的压力条件下生成天然气水合物并释放能量；而当温度升高或压力降低至一定水平以后，天然气水合物吸收足够热量后分解产生天然气和水，即式（1.1）中由右向左的箭头表示的过程。因此，天然气水合物开采需要吸收足够多的热量，当天然气水合物储层环境供热不足时其温度将会降低，有可能导致天然气水合物重新达到相平衡而停止分解，这对天然气水合物的持续开采不利。 二、海洋天然气水合物储层 由于天然气水合物仅在一些特定的温度和压力条件下才能保持稳定，海洋天然气水合物储层的基底深度和厚度主要受海底的温度和压力、地温梯度、气体成分以及海水盐度等条件的控制。自然界中大陆边缘海洋天然气水合物储层深度范围如图1.1所示。通常在天然气水合物相平衡曲线与地温梯度线的交点上确定天然气水合物稳定带的底界，而在天然气水合物相平衡曲线与水温梯度线的交点上确定天然气水合物稳定带的顶界，两界之间区域的温度和压力条件满足天然气水合物相平衡条件。因为天然气水合物的密度小于海水的密度，所以天然气水合物能稳定存在于海床以下的沉积物中，形成天然气水合物储层。 图1.1自然界中海洋天然气水合物储层深度分布范围示意图（Kvenvolden，1988） 由图1.1可以看出，天然气水合物储层的深度分布范围明显受地温梯度的控制，地温梯度高则天然气水合物稳定带底界上移，天然气水合物储层相对较薄；地温梯度低则天然气水合物储层相对较厚。如果地温梯度保持不变，那么天然气水合物储层的厚度直接与上覆海水的深度有关，即水深较浅，压力较低，天然气水合物相平衡曲线下移，则天然气水合物稳定带底界上移，天然气水合物储层相对较薄