沉积物中天然气水合物三维分解动力学及影响机制研究

In recent years, natural gas hydrate samples were recovered during the scientific expedition in the Shenhu Area of South China Sea and the Qilian Mountain permafrost of Qinghai-Tibet plateau. The investigations of the gas hydrate production and the relative industry techniques have tremendous academic value and practical significance for China. The dissociation kinetics of the natural gas hydrate in the sediments is a basic scientific problem during gas production from natural gas hydrate resource. This program has built different experimental simulators specifically for the investigations of the characteristics of the NGH equilibrium, the hydrate dissociation kinetics, the multiphase flow and heat transfer in different kinds of artificial and natural porous sediments. It involves the measurement of the characteristic parameters including the grain size, the pore size, and the distribution of the internal voids. The key parameters such as the permeability and the thermal conductivity of the hydrate-bearing sediments are also measured to establish and modify the theoretical models. In order to characterize the NGH exploitation process and potential in actual reservoir, the 3-dimensional kinetic dissociation models coupled with experimental results and the similarity theory have been applied. These simulation results with different methods and theoretical models have also been compared with each other. This program will provide large amount of experimental data and reliable theoretical foundation for the future NGH exploitation from hydrate resource in South China Sea and Qilian Mountain permafrost, and it is of great research value and theoretical significance.

近年来我国先后在南海神狐海域和青藏高原冻土带发现天然气水合物实物样品，开展天然气水合物开采相关技术的研究，对我国具有重要的学术价值和战略意义。天然气水合物在沉积物中的三维分解动力学及影响机制是天然气水合物资源开发的基础科学问题之一。本项目分别研制专门的实验模拟系统，开展不同类型的人造沉积物和天然沉积物中NGH相平衡、分解动力学、多相流动和传热规律的研究，涉及沉积物的粒径、孔径、内部孔隙分布特征参数，含NGH沉积物的渗透率和导热系数等关键参数的测量与相互作用机制，并在此基础上建立并完善相关的理论预测模型。对于实际NGH藏开采过程模拟和潜力评价，分别采用沉积物中NGH三维分解动力学模型，和实验模拟结果结合相似理论的方法进行预测，并将这两种不同的理论模型和方法进行互相验证。本项目的研究成果将为未来我国NGH试开采积累大量的实验基础数据和必要的理论预测模型，具有重要现实研究价值和理论指导意义。

我国于2007和2008年先后在南海神狐海域和青藏高原冻土带发现天然气水合物实物样品，并于2017年5月在南海神狐成功实施首次海洋试开采工程。开展天然气水合物开采相关技术的研究，对我国具有重要的学术价值和战略意义。天然气水合物在沉积物中的三维分解动力学及影响机制是天然气水合物资源开发的基础科学问题之一。成功研制了三套实验模拟装置，分别针对沉积物中天然气水合物相平衡、渗流特性和导热特性等开展不同类型的沉积物中水合物相平衡、分解动力学、气液两相流动和传热规律的研究。利用激光微米粒度仪（Mastersizer），全自动比表面与孔径分析仪（BET）和扫描电子显微镜（SEM）等检测分析手段，对沉积物的粒径、孔径、内部孔隙分布特征参数等进行分析测试。在此基础上，首先对不同沉积物中天然气水合物的相平衡条件和动力学参数进行实验测量，研究沉积物特性、各相分布特征等关键影响因素的作用机制，建立基于逸度相等的热力学方法相平衡理论预测模型。其次，实验测量含水合物沉积物的渗透率和导热系数等基础物性参数，研究不同沉积物种类和特性，水合物初始饱和度及其分布特征，以及水合物分解过程中各相饱和度变化等对水合物分解动力学的影响机制。然后，应用本项目组前期建立的三维模拟器开展沉积物中水合物分解模拟研究，在不同的沉积物、初始温压条件、各相初始饱和度等条件下，利用多种水合物分解激发方法和适当的井网布置方式，研究水合物分解过程中多相流动和传热传质规律及影响机制。开展了三维空间中单一垂直井定压降压法开采多孔介质中天然气水合物的实验与数值模拟研究，实时监测水合物分解过程中的动态特性和传热传质规律。应用物理模型相似缩放理论，选取适用于水合物分解过程的相似准则参数，如几何尺寸、时间、渗透率、各相饱和度、产气产水速度等，将实验室物理模型与野外地质模型进行直接关联。研究成果将为未来我国NGH试开采积累大量的实验基础数据和必要的理论预测模型，具有重要现实研究价值和理论指导意义。