曾家明，李棟梁，梁德青?，盧靜生，關(guān)進(jìn)安

含水合物沉積物的滲透率實(shí)驗(yàn)研究*

曾家明1,2,3,4,5，李棟梁1,2,3,4，梁德青1,2,3,4?，盧靜生1,2,3,4，關(guān)進(jìn)安1,2,3,4

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640； 3. 廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 天然氣水合物國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028； 5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

天然氣水合物儲(chǔ)層的滲透率是影響水合物開(kāi)采時(shí)氣、水運(yùn)移的關(guān)鍵，也是水合物開(kāi)采潛力評(píng)價(jià)、資源評(píng)價(jià)、開(kāi)采工藝選擇等需要了解的關(guān)鍵參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的滲透率進(jìn)行了一定的研究并有了初步認(rèn)識(shí)。但是，對(duì)于圍壓、軸向壓力、水合物飽和度、賦存模式等對(duì)水合物沉積物滲透率的影響機(jī)制和機(jī)理還不清楚。本文在自主設(shè)計(jì)的水合物儲(chǔ)層三軸滲透率測(cè)試平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)研究了粒徑、圍壓、軸向壓力、水合物飽和度等對(duì)沉積物滲透率的影響。結(jié)果表明，采用不同圍壓測(cè)得的水合物沉積物滲透率存在較大差異：多孔介質(zhì)粒徑的減小會(huì)降低沉積物滲透率；甲烷水合物沉積物滲透率隨著飽和度升高呈指數(shù)型下降；軸向壓力的升高會(huì)降低甲烷水合物沉積物滲透率，沉積物水合物飽和度越高，軸向壓力對(duì)沉積物滲透率的影響越??；軸壓加載條件下甲烷水合物沉積物相對(duì)滲透率隨飽和度變化與Masuda沉積物滲透下降模型擬合良好。

甲烷水合物；滲透率；軸向壓力；飽和度

0 引 言

天然氣水合物是由水分子和氣體分子組成的具有籠狀結(jié)構(gòu)的白色或淺灰色冰雪狀結(jié)晶化合物，因其中氣體分子以甲烷（CH4）為主，也被稱(chēng)為甲烷水合物，又常被稱(chēng)為“可燃冰”[1]。據(jù)調(diào)查研究，天然氣水合物的預(yù)估資源量高達(dá)2.1 × 1016m3，碳儲(chǔ)量約為目前全球所有已探明化石能源的兩倍[2]。作為一種儲(chǔ)量巨大的高效清潔能源，天然氣水合物具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

天然氣水合物沉積物滲透率是指在一定的壓差下，沉積物允許流體通過(guò)的能力，是表征沉積物本身傳導(dǎo)氣、液流體能力的參數(shù)，影響沉積物中氣體、液體的運(yùn)移進(jìn)而影響沉積物中水合物的生成、分解以及氣體運(yùn)移的過(guò)程[3]。因此，無(wú)論是采用地質(zhì)、地球物理/化學(xué)、地層鉆探等探測(cè)技術(shù)勘查水合物異常標(biāo)志信息，圈定水合物聚集靶區(qū)，還是綜合利用各種開(kāi)采技術(shù)開(kāi)采水合物資源，地層滲透性能都是相當(dāng)重要的因素，它關(guān)系著滲水和透氣的穩(wěn)定性和天然氣的產(chǎn)量，是評(píng)估水合物儲(chǔ)層經(jīng)濟(jì)性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，必須首先考察清楚其演變規(guī)律。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的滲透率進(jìn)行研究并取得了一定的進(jìn)展。MINAGAWA等[4]調(diào)整細(xì)砂與粗砂的比例，結(jié)合滲流實(shí)驗(yàn)研究和基于Kozeny-Carman方程的沉積物滲流建模，發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)的孔隙度與沉積物滲透率呈正相關(guān)。JOHNSON等[5]測(cè)量了水合物飽和度為1.5% ～ 36%的甲烷水合物天然巖心樣品的氣?水兩相滲透率，發(fā)現(xiàn)水合物飽和度的升高會(huì)降低沉積物的滲透率，且很低的水合物飽和度就能顯著降低沉積物滲透率。MAHABADI等[6]的研究表明用氣飽和的方式在實(shí)驗(yàn)室生成的水合物傾向于在孔喉處生成，這種水合物的賦存方式會(huì)顯著降低沉積物的滲透率。翟誠(chéng)等[7]對(duì)水合物沉積物施加軸壓、圍壓，對(duì)沉積物進(jìn)行三軸加壓條件下的滲流測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沉積物滲透隨著有效應(yīng)力的增大呈負(fù)指數(shù)變化，且有效應(yīng)力升高過(guò)程中對(duì)沉積物滲透率的影響不可逆。FISHER等[8]對(duì)天然水合物沉積物進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了有效應(yīng)力引起的剪切帶和斷層對(duì)砂質(zhì)沉積物的滲透率有影響。

目前對(duì)于水合物沉積物滲透率的研究主要集中在沉積物多孔介質(zhì)的形狀和粒徑、水合物飽和度、水合物在多孔介質(zhì)中的賦存模式、沉積物所受有效應(yīng)力等方面。然而，目前關(guān)于水合物儲(chǔ)層上覆地層帶來(lái)的軸向應(yīng)力對(duì)滲透率影響的研究還比較缺乏，圍壓、飽和度等的影響也還沒(méi)有形成共識(shí)。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究含甲烷水合物的砂質(zhì)沉積物在不同粒度、圍壓、軸壓、飽和度條件下的滲透率變化，探究水合物沉積物滲透率的影響機(jī)制，為開(kāi)展天然氣水合物儲(chǔ)層改造等技術(shù)開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)室自主研制的水合物儲(chǔ)層三軸滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)示意圖如圖1。水合物合成壓力室采用316不銹鋼制成，可以承受40 MPa壓力不泄漏、不變形。壓力室可實(shí)現(xiàn)底部和頂部分別或同時(shí)進(jìn)水進(jìn)氣。軸向壓力、圍壓、液滲進(jìn)口壓力、液滲出口壓力均由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的壓力控制系統(tǒng)控制，測(cè)量數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電腦采集和保存，壓力傳感器范圍0 ～ 25 MPa，精度±0.25%。反應(yīng)所需溫度條件由恒溫水浴系統(tǒng)提供，控溫范圍?30℃～ +50℃，控溫精度±0.1℃。稱(chēng)量用電子天平精度±0.01 g。

圖1 水合物儲(chǔ)層三軸滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)：1-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；2-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；3-軸向壓力傳感器；4-應(yīng)變計(jì)；5-水浴系統(tǒng)；6-軸向加壓桿；7-端蓋；8-橡皮膜；9-樣品；10-循環(huán)水系統(tǒng)；11-真空泵；12-滲流進(jìn)口壓力控制系統(tǒng)；13-反應(yīng)室壓力控制系統(tǒng)；14-圍壓控制系統(tǒng)；15-軸壓控制系統(tǒng)；16-滲流出口壓力控制系統(tǒng)；17-氣源；18-排氣裝置；19-氣體流量計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與步驟

采用佛山華特氣體有限公司提供的甲烷氣體，純度為99.99%。實(shí)驗(yàn)制備水合物沉積物所用多孔介質(zhì)材料為40 ～ 60目和60 ～ 80目的南海天然砂，平均孔隙度為40.17%。實(shí)驗(yàn)用水為自制的去離子水。

將定量去離子水加入砂粒中攪拌均勻，把砂粒填充至橡皮膜內(nèi)并在填充過(guò)程中不斷用夯實(shí)器把砂粒壓實(shí)，砂粒填充完畢后用真空泵抽空孔隙間的空氣并給樣品塑形。通過(guò)水泵向圍壓室注液至圍壓室充滿圍壓液。通過(guò)軸壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)軸壓加壓桿至剛好觸碰到樣品室。通過(guò)圍壓控制系統(tǒng)增加圍壓室壓力至1.5 MPa。緩慢地同時(shí)打開(kāi)上下雙向進(jìn)氣閥門(mén)，向樣品室通入甲烷氣體至1.0 MPa。依次以每次增加1 MPa循環(huán)升高圍壓與樣品孔隙壓力，直至圍壓與孔隙壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值。整個(gè)過(guò)程確保圍壓壓力大于孔隙壓力且差值不超過(guò)1.5 MPa，防止孔隙壓力大于圍壓導(dǎo)致橡皮膜膨脹變形導(dǎo)致樣品變形。壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值后，讓試樣在常溫下靜置24 h，使甲烷氣體在孔隙水中充分溶解。靜置結(jié)束后，打開(kāi)循環(huán)水浴把樣品室溫度降低至2℃，靜置讓甲烷水合物生成，當(dāng)壓力降低到預(yù)設(shè)值時(shí)，關(guān)閉緩沖罐與樣品室之間的連通閥門(mén)，開(kāi)始進(jìn)行滲流實(shí)驗(yàn)并測(cè)量沉積物滲透率。

1.3 甲烷水合物飽和度測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中甲烷水合物的生成量由水合物生成時(shí)的初始含水量以及反應(yīng)過(guò)程壓力室壓降控制。在滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)束后會(huì)通過(guò)氣液分離器收集甲烷水合物分解產(chǎn)生的甲烷氣體，并計(jì)算甲烷水合物含量與實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值是否相符，判斷本組實(shí)驗(yàn)的有效性。

水合物生成時(shí)壓力室與緩沖罐相連通，為水合物生成反應(yīng)提供過(guò)量的甲烷氣體。反應(yīng)初始?xì)怏w所占體積為緩沖罐體積與沉積物孔隙體積之和減去添加的水的體積，記為1，根據(jù)反應(yīng)初始樣品室的氣體壓力以及反應(yīng)結(jié)束后樣品室的氣體壓力可以計(jì)算水合物的飽和度：

其中：h為水合物生成量，mol；1為反應(yīng)前樣品室及緩沖罐內(nèi)氣體的物質(zhì)的量，mol；2為反應(yīng)結(jié)束后樣品室及緩沖罐內(nèi)氣體的物質(zhì)的量，mol；1為反應(yīng)前反應(yīng)釜內(nèi)氣體壓力，2為反應(yīng)結(jié)束后反應(yīng)釜內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定后釜內(nèi)的氣體壓力，MPa；1、2為反應(yīng)前后甲烷氣體所占體積；1、2為對(duì)應(yīng)溫壓條件下甲烷氣體的壓縮因子；1、2為反應(yīng)前后反應(yīng)釜內(nèi)溫度，℃；h為甲烷水合物的摩爾質(zhì)量，g/mol；pore為沉積物孔隙體積，mL；h為水合物體積；h1為壓差法計(jì)算的甲烷水合物飽和度，%。

在滲流試驗(yàn)結(jié)束后，用氣液分離器收集沉積物中甲烷水合物分解產(chǎn)生的甲烷氣體并計(jì)算水合物飽和度：

其中：3為實(shí)驗(yàn)室常壓，MPa；3為氣液分離器收集到的甲烷氣體體積，mL；3為室溫室壓下甲烷氣體壓縮因子；3為實(shí)驗(yàn)室室溫。再用式（2）、式（3）計(jì)算甲烷氣體收集法測(cè)量的水合物飽和度h2。對(duì)比同組實(shí)驗(yàn)計(jì)算所得的h1和h2，當(dāng)兩者誤差不超過(guò)5%時(shí)，認(rèn)為本組實(shí)驗(yàn)有效，并取h1為實(shí)驗(yàn)飽和度（h2可能會(huì)由于滲流過(guò)程中少量水合物分解造成結(jié)果略低）。

1.4 滲透率測(cè)量

實(shí)驗(yàn)典型過(guò)程如圖2所示。滲流過(guò)程中進(jìn)、出口壓力在控制器的調(diào)節(jié)下穩(wěn)定后，下端進(jìn)水口進(jìn)水量和上端出水口出水量基本保持一致，由于進(jìn)水控制的精度以及滲流對(duì)沉積物存在一定的破壞，流速在一定的范圍內(nèi)有所波動(dòng)，計(jì)算得出的滲透率數(shù)值也有所波動(dòng)，但是總體數(shù)值在滲流開(kāi)始的5 min內(nèi)維持在較窄的區(qū)間以?xún)?nèi)且數(shù)值合理，可以認(rèn)為這段時(shí)間內(nèi)的滲透率數(shù)值的平均值為實(shí)驗(yàn)所用沉積物的滲透率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)誤差均在10%以?xún)?nèi)。假設(shè)水合物在滲流實(shí)驗(yàn)過(guò)程中既不分解也不生成，即整個(gè)滲流過(guò)程中水合物飽和度是恒定不變的，則滲流過(guò)程所測(cè)的滲透率是體系絕對(duì)滲透率。上述假設(shè)的原因如下：（1）整個(gè)滲流過(guò)程中系統(tǒng)壓力遠(yuǎn)高于工作溫度下的平衡壓力；（2）如圖2所示，注水過(guò)程中壓差沒(méi)有明顯的下降，基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明水合物分解的程度是非常小的；（3）從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到滲透率測(cè)量結(jié)束的整個(gè)過(guò)程，持續(xù)時(shí)間只有7 min，水合物來(lái)不及生成或分解；（4）在滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，收集水合物分解產(chǎn)生氣體，根據(jù)前文所述方法計(jì)算所得水合物飽和度與滲流前計(jì)算的飽和度誤差不超過(guò)5%。

圖2 沉積物滲流測(cè)試典型過(guò)程

實(shí)時(shí)記錄滲流數(shù)據(jù)，在壓差和流量穩(wěn)定時(shí)，在滲流穩(wěn)定階段取5個(gè)點(diǎn)用達(dá)西定律計(jì)算有效滲透率，在誤差不超過(guò)5%的條件下取平均值計(jì)算得出該組平均滲透率值：

其中：為注入流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；為注入流體的流量，m/s；Δ為樣品室進(jìn)、出口兩端壓差，Pa；為沉積物樣品滲透率，mD。

水合物沉積物滲透率的研究中，常引入相對(duì)滲透率r表示沉積物滲透率變化幅度。相對(duì)滲透率的定義為含水合物沉積物的絕對(duì)滲透率h與不含水合物的沉積物絕對(duì)滲透率0的比值：

(6)

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑和圍壓對(duì)滲透率的影響

為了解粒徑和圍壓與滲透率關(guān)系，實(shí)驗(yàn)選取了兩種不同粒徑的石英砂作為多孔介質(zhì)合成含水合物沉積物，水合物飽和度為20%，按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)的不同圍壓測(cè)試巖樣的滲透率。不同圍壓和粒徑的滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

由圖3可知，同一樣品隨著圍壓的增大其滲透率值逐漸降低，兩種試樣在圍壓10 MPa時(shí)的滲透率與6 MPa時(shí)的滲透率比值分別為8.0%、9.0%，即滲透率下降了90%以上。目前報(bào)道提供的滲透率值一般未注明實(shí)驗(yàn)圍壓，使用滲透率時(shí)都忽略了圍壓的影響。實(shí)驗(yàn)證明，采用不同圍壓測(cè)得的水合物沉積物滲透率存在較大差異。因此，需要注明實(shí)驗(yàn)的圍壓環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)果才有參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓的增大，沉積物滲透率的下降速率變慢。另外，隨著多孔介質(zhì)粒徑變小，滲透率會(huì)有所下降。

圖3 粒徑和圍壓對(duì)沉積物滲透率影響

2.2 滲透壓力對(duì)滲透率的影響

實(shí)驗(yàn)在40 ～ 60目砂中生成水合物飽和度為20%的沉積物，并在10 MPa圍壓下調(diào)節(jié)滲流進(jìn)口壓力，保持壓差不變，測(cè)量沉積物滲透率，測(cè)得滲流流量基本一致，通過(guò)達(dá)西定律計(jì)算，滲透率穩(wěn)定近乎同一數(shù)值，如圖4所示，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)所進(jìn)行滲流基本符合達(dá)西滲流規(guī)律，可以使用達(dá)西定律進(jìn)行滲透率計(jì)算。

圖4 2℃下，20%飽和度下滲流壓力對(duì)滲透率的影響

2.3 軸壓和飽和度對(duì)滲透率的影響

以40 ～ 60目砂為多孔介質(zhì)，合成了不同水合物飽和度沉積物。各軸壓加載下測(cè)得的滲透率數(shù)值如圖5所示，本組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的沉積物滲透率在0.61 ～ 14.21 mD之間。在水合物飽和度一定時(shí)，隨著軸壓的增大，沉積物滲透率明顯降低，且滲透率下降的速度隨著軸壓的增大而減小。軸向壓力對(duì)沉積物滲透的影響隨水合物飽和度的變大而減小。以1.0 MPa軸壓和2.0 MPa軸壓為例，在水合物飽和度為0時(shí)兩者滲透率分別為6.37 mD和3.22 mD，相差97.8%，而當(dāng)水合物飽和度增大到25%附近時(shí)，兩者的滲透率分別為0.74 mD和0.52 mD，相差42.3%，差距顯著縮小，其他的各組數(shù)據(jù)也均表明，水合物飽和度對(duì)軸壓對(duì)沉積物滲透率的影響有削弱作用。這可能與水合物對(duì)沉積物力學(xué)特性的影響有關(guān)。

圖5 不同水合物飽和度沉積物滲透率與軸向壓力的關(guān)系

圖6 各軸向壓力下滲透率與水合物飽和度的關(guān)系

為清晰觀察飽和度的影響，將圖5的數(shù)據(jù)以水合物飽和度為橫坐標(biāo)重新繪制成圖6并與GAO等[9]的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。GAO等采用了與本實(shí)驗(yàn)相近（300 ～ 600 μm）粒徑砂粒，測(cè)得的滲透率也與本文接近。從絕對(duì)值來(lái)看，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得滲透率略低，這與本實(shí)驗(yàn)采用三軸加載且圍壓、軸壓較高有關(guān)，導(dǎo)致試樣所受體積應(yīng)力增大，壓縮了滲流孔道的空間，使得滲透率降較低。相同軸壓條件下，甲烷水合物沉積物的滲透率隨水合物飽和度的增大呈指數(shù)型降低，但滲透率下降曲線的斜率隨著飽和度的增大而逐漸變小，即滲透率降低的速率隨著水合物飽和度的增大逐漸減慢，這個(gè)現(xiàn)象可能是兩方面原因造成。一方面，當(dāng)沉積物孔隙被生成的水合物填充后，沉積物滲流通道空間進(jìn)一步變小，導(dǎo)致沉積物滲透率在水合物生成初期有較大幅度降低。而滲透率下降速率的變化可能與水合物生長(zhǎng)模式和生成后在沉積物中的賦存模式有關(guān)，水合物生成初期較易在砂粒表面生成，這種在砂粒表面生成的水合物容易膠結(jié)在多個(gè)砂粒間，造成滲流喉道的堵塞，嚴(yán)重降低滲流通道的有效滲流面積，而水合物飽和度增大到一定程度后，水合物開(kāi)始在孔隙中心合成，這部分水合物對(duì)滲流的堵塞作用較小，因此沉積物滲透率的下降速率變緩，但是在積累到一定的量后，也有可能使部分滲流通道徹底堵塞。另一方面，這一現(xiàn)象可能與水合物生成對(duì)沉積物試樣力學(xué)特性的影響有關(guān)，隨著水合物的含量越多，其與周?chē)巴令w粒膠結(jié)的程度越大[10]，水合物沉積物的強(qiáng)度和彈性模量越大，試樣抵抗外載荷和變形的能力越強(qiáng)，軸壓、圍壓對(duì)試樣的壓縮作用減弱，使得滲透率的下降速率變慢，但隨著水合物飽和度的增大，滲流通道中的水合物顆粒及水合物塊越來(lái)越多，滲流通道有效滲流體積變小，甚至一些滲流通道被膠結(jié)型水合物完全堵塞，最終引起滲透率下降至較低值。

2.4 含水合物沉積物滲透率模擬計(jì)算

水合物在沉積物中存在的多種賦存模式[11]，當(dāng)水合物飽和度一定時(shí)，賦存方式對(duì)沉積物滲透率產(chǎn)生較大影響。目前水合物多孔介質(zhì)滲透率模型主要有Kozeny顆粒模型[12]以及Masuda下降模型[13]等。

Masuda下降模型將多孔介質(zhì)假設(shè)為毛細(xì)管，并認(rèn)為水合物在毛細(xì)管壁內(nèi)生成，考慮到多孔介質(zhì)滲流機(jī)制的復(fù)雜，對(duì)簡(jiǎn)單毛細(xì)管模型進(jìn)行了延伸，得出了以下公式：

式中：為滲透率下降指數(shù)且為整數(shù)，的數(shù)值取決于多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)，MASUDA等實(shí)驗(yàn)研究中選擇= 10或= 15。

MINAGAWA等[14]的研究結(jié)果表明，多孔介質(zhì)晶粒尺寸分布狀態(tài)對(duì)液相水的滲透率有強(qiáng)烈的影響，滲透率下降指數(shù)隨不含水合物體系的絕對(duì)滲透率0的增大而增大，當(dāng)0從0.8 D增大到10.0 D時(shí)，從2.5增大到9.8。

滲透率下降指數(shù)與水合物的貯存狀態(tài)和多孔介質(zhì)顆粒尺寸和分布有關(guān)，而本文中，水合物從0上升至5%附近時(shí)，沉積物絕對(duì)滲透率急劇下降，這說(shuō)明飽和度增大的初始階段，水合物生成于沉積物顆粒孔與孔之間的喉道處，> 5。本文對(duì)4種軸壓下的沉積物滲透率下降曲線進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示，與Kozeny模型相比，Masuda模型的模擬結(jié)果更好。0 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa軸壓的甲烷水合物沉積物分別與= 12、= 10、= 9、= 8的Masuda下降曲線擬合良好（各離散數(shù)據(jù)與擬合曲線的均方誤差MSE分別為3.32 × 10?3、2.029 × 10?3、1.767 × 10?3、1.30 × 10?3），說(shuō)明40 ～ 60目砂為多孔介質(zhì)的甲烷水合物沉積物在10 MPa圍壓條件下，隨著軸向壓力的上升，水合物下降指數(shù)存在下降趨勢(shì)且下降的幅度比較均勻，下降指數(shù)隨著軸壓的增大而減小。

圖7 相對(duì)滲透率測(cè)量值與滲透率理論模型比較

3 結(jié) 論

測(cè)量了不同條件下含甲烷水合物沉積物的滲透率，并進(jìn)行了沉積物粒度、圍壓、軸壓、滲流壓力以及飽和度的影響分析，同時(shí)用Masuda滲透率下降模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算。主要結(jié)論如下：

（1）甲烷水合物沉積物滲透率隨著圍壓的增大而減小，隨著圍壓增大，滲透率下降的速率變緩；多孔介質(zhì)粒徑的減小會(huì)降低沉積物的滲透率；滲流壓力對(duì)甲烷水合物沉積物滲透的影響很小，甲烷水合物沉積物符合達(dá)西滲流規(guī)律。

（2）軸向壓力的升高會(huì)降低甲烷水合物沉積物的滲透率。沉積物水合物飽和度越大，軸向壓力對(duì)沉積物滲透率的影響越小。沉積物滲透率隨著水合物飽和度的增大呈指數(shù)型下降，下降的幅度隨著飽和度的增大而減小。沉積物所受軸向壓力越低，滲透率隨水合物飽和度的下降越快。

（3）甲烷水合物沉積物相對(duì)滲透率隨水合物飽和度的變化符合Masuda沉積物滲透下降模型，軸壓為0 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa下各飽和度水合物沉積物滲透率數(shù)據(jù)分別與下降指數(shù)為12、10、9、8的Masuda下降模型吻合良好。

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Experimental Study on Permeability of Hydrate Sediments

ZENG Jia-ming1,2,3,4,5, LI Dong-liang1,2,3,4, LIANG De-qing1,2,3,4, LU Jing-sheng1,2,3,4, GUAN Jin-an1,2,3,4

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. CAS Key Laboratory of Gas Hydrate, Guangzhou 510640, China; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4. State Key Laboratory of Natural Gas Hydrate, Beijing 100028, China;5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The permeability of natural gas hydrate reservoirs is the key to the migration of gas and water during the exploitation of hydrate resources. It is also a key parameter that needs to be understood in the evaluation of hydrate exploitation potential, resource evaluation, and exploitation technology selection. At present, scholars all over the world have conducted studies on the permeability of gas hydrate reservoirs and have a preliminary understanding. However, the mechanism and mechanism of the influence of confining pressure, axial pressure, hydrate saturation, and occurrence mode on the permeability of hydrate sediments is still unclear. In this paper, on a self-designed triaxial permeability test platform for hydrate reservoirs, the effects of particle size, confining pressure, axial pressure, and hydrate saturation on sediment permeability were experimentally studied. The results showed that the permeability of hydrate sediments measured with different confining pressures was quite different: the permeability of sediments decreased with the decrease of particle size of porous media; the permeability of methane hydrate sediments increased exponentially with the saturation increase; the permeability of methane hydrate sediments decreased with the increase of axial pressure, the higher the saturation of sediment hydrate, the smaller the influence of axial pressure on sediment permeability; the variation of relative permeability of methane hydrate sediments with saturation under the condition of axial load was well-fitted with the Masuda sediment permeability decline model.

methane hydrate; permeability; axial pressure; saturation

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.03.008

2095-560X（2021）03-0232-07

2021-03-16

2021-04-02

廣東省促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金（海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展用途）項(xiàng)目（GDOE[2019]A39, GDOE[2019]A41，GDOE[2019]A54）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51661165011）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018B0303110007）；廣州市珠江科技新星專(zhuān)題項(xiàng)目（201806010114）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201707010252）

梁德青，E-mail：lliangdq@ms.giec.ac.cn

曾家明（1995-），男，碩士研究生，主要從事天然氣水合物儲(chǔ)層滲透率研究。

梁德青（1970-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事天然氣水合物研究。