尹詩琪 王冬冬 張 澤 柴 華

(1. 長江大學工程技術學院 湖北荊州 434020； 2. 湖北文理學院 湖北襄陽 441053； 3. 渤海鉆探油氣合作開發(fā)分公司 天津 300457)

天然氣水合物，簡稱水合物，是由水和天然氣在高壓低溫環(huán)境條件下形成的冰態(tài)、結晶狀籠形化合物，通常分為Ⅰ、Ⅱ和H型[1-3]。作為一種理想的新能源，水合物廣泛賦存于海洋大陸架和永久凍土區(qū)，以新生代細粒海洋砂質沉積層中的甲烷水合物(Ⅰ型)分布最廣、儲量最大[4-5]。2017年、2020年中國先后兩次成功在南海神狐的該類儲層中進行了試開采，創(chuàng)造了“產氣總量86.14萬m3、日均產氣量2.87萬m3”兩項新的世界紀錄[6-9]，水合物產業(yè)化進程加速。然而，根據商業(yè)化開采的經濟指標，這兩次試采的產量遠未達標。未來如何順利實施水合物商業(yè)化開發(fā)，準確地產能預測、高效的開采工藝、科學的儲層滲透率改造措施與增產制度，這些都十分依賴水合物儲層滲透率的準確、快速預測。

當前在現場主要是對核磁測井、地層壓力測試等測量數據進行刻度，進而獲得連續(xù)的滲透率曲線，用于水合物儲層滲透率的評價[10]。含水合物沉積物滲透率的實驗研究，是水合物研究領域的熱點之一，目前已有大量相關實驗研究。如Minagawa等[11]在砂中人工合成了水合物并進行單相水滲流實驗，通過核磁共振技術結合理論模型，驗證了滲透率值的準確性。Konno等[12]采用恒定流速法，對日本南海海槽東部不同粒徑的含水合物砂質沉積物樣品進行滲流實驗，并對比相應層位的測井解釋結果，發(fā)現絕對滲透率與沉積物粒度表現出強烈的相關性。Marinakis 等[13]對含水合物海底火山泥質沉積物進行恒壓水驅滲流實驗，定量評價了飽和度對滲透率的影響，并發(fā)現水合物分解前后沉積物的滲透率保持在同一數量級。劉樂樂 等[14]運用瞬態(tài)壓力脈沖法對含水合物粉細砂進行了滲透性測試，驗證了該方法的可靠性。然而，目前尚未獲得公認的適用于海洋細粒砂質水合物儲層滲透率的預測模型。因此，本文擬通過含二氧化碳和四氫呋喃水合物沉積物(分別模擬Ⅰ和Ⅱ類水合物)滲透率測試和CT掃描結果，對比當前主流滲透率預測模型的計算值，建立快速、準確評價細粒砂質水合物儲層滲透率的預測模型。

1 含水合物沉積物滲透率實驗

1.1 實驗儀器和材料

本次實驗使用儀器主要有特制的含水合物沉積物滲透率測量系統(tǒng)(測試壓力：0～40 MPa，溫度：-40 ℃～40 ℃)，其主要包含滲透率測試模塊和TDR飽和度測試模塊(圖1)、X射線CT、擊實器、電子天平(稱量沉積物)等；實驗材料有濃度為99.9%的二氧化碳(CO2)、四氫呋喃(THF)溶液(THF與水按質量比19∶81配制)、蒸餾水；中國IOS標準砂(購買自廈門ISO標準砂有限公司)，其粒徑級配參照了中國南海北部陸坡細粒砂質水合物儲層沉積物[15](級配曲線如圖2所示)。

圖2 細粒砂巖試樣和中國南海GMGS2航次水合物巖心沉積物的粒徑分布曲線Fig.2 Grain size distribution curves of fine-grained sandstone samples and hydrate core sediments from continental slope in the northern South China Sea

注：G為氣體鋼瓶；W1和W2為供水箱；C為飽和罐；D為真空泵；B為背壓閥；F1、F2和F3為高壓平流泵；S為沉積物樣品；H為沉積物夾持器 (φ39.1*80 mm)；TDR為探針；J1和J2為標準水箱；K為恒溫水浴箱；L為恒溫氣浴箱；P為壓力傳感器；ΔP為差壓傳感器；T為溫度傳感器；V為閥門。

1.2 主要實驗步驟

1) 檢驗裝置的氣密性。整體試壓10 MPa，裝置24 h內壓降小于0.2 MPa，表明裝置氣密性良好。

2) 裝樣。①清洗反應釜：用蒸餾水清洗反應釜，直至反應釜無大股水珠出現，表示清洗干凈；②烘干沉積物樣品；③制作樣品：稱取一定量的干燥沉積物(m砂=(1-φ)×V夾持器×2ρiso標準砂)，填入沉積物夾持器中，孔隙度分別控制在0.37、0.39、0.41。

3) 生成水合物。參考水合物相平衡條件[1]，控制循環(huán)凍融箱溫度保持在2 ℃左右，沉積物壓力維持在8 MPa，生成CO2水合物(本實驗裝置中的水合物制備部分可采用溶氣水在沉積物中循環(huán)滲透的方法，代替氣體分子在水中擴散，快速制備水合物均勻分布的沉積物試樣)，THF水合物生成時的降溫流程為保持-5 ℃ 24小時，而后上升1 ℃，以保證THF溶液完全轉化為水合物。

4) 在液氮中轉移已合成好的水合物沉積物試樣，進行X射線掃描。

5) 使用水合物時域反射技術(TDR)測試樣品飽和度。

6) 基于達西定律測量滲透率，設置流量1 mL/min，圍壓高于孔壓0.3～0.5 MPa。

1.3 實驗結果

本實驗擬通過測試系統(tǒng)同時獲得水合物沉積物的飽和度和滲透率數據，用于構建預測模型。其中對水合物沉積物的飽和度，采用時域反射技術(TDR)測量，通過TDR獲得介電常數，計算含水量，從而得到飽和度。實驗中TDR探針標定結果如表1所示，基于Wright 等和卜慶濤等人的研究[16-17]，擬合的介電常數與含水量的關系式為

表1 實驗系統(tǒng)TDR標定計算Table 1 TDR calibration calculation in this experiment

θ=-1.175+0.105 1ε-2.563×10-3ε2+

2.187×10-5ε3

(1)

式(1)中：ε為介電常數；θ為含水量。

裝樣控制的含水合物沉積物孔隙度為φ，則水合物飽和度(Sh)計算式如下：

(2)

由式(1)和(2)計算的試樣飽和度，以及實測的滲透率結果詳見表2。

表2 滲透率實驗結果Table 2 Experimental results of permeability

2 滲透率模型建立與對比分析

2.1 歸一化滲透率計算

實際中，由于水合物在孔隙空間中的增長而導致的滲透率降低，對與這些過程相關的時間尺度具有重要的控制作用[10]， 這種效應通常用歸一化滲透率Kr 來定量表示，其定義為含水合物沉積物的滲透率K(Sh)與不含水合物的沉積物初始滲透率K0之比。選取已有滲透率預測理論模型(表3)，將本文實驗測試結果與利用理論模型計算結果先做歸一化處理，而后進行對比分析，最終獲得擬合模型。

CT掃描結果表明：飽和度為0～37.8%的含CO2細粒砂質水合物沉積物，其水合物主要生長在沉積物內部孔隙的孔壁之上；而飽和度為10%～35%的含THF細粒砂質水合物沉積物，水合物以孔隙填充型為主(圖3)，它們分別對應水合物分布理想模型中的顆粒模型和毛細管模型。因此，在水合物沉積物歸一化滲透率(實驗和理論模型)的計算過程中，本文均分兩類進行計算，其中由理論模型計算的歸一化滲透率，計算公式參考表3(Kr=K(Sh)/K0)。滲透率實驗測量結果與依據水合物類型選定的各類滲透率預測模型計算結果見表4、5。

表3 天然氣水合物滲流預測理論模型Table 3 Theoretical model of permeability

2.2 滲透率模型建立與對比

水合物開采中，水合物儲層滲流過程伴隨水合物相變、分解引起的氣體釋放和液體生成引發(fā)的儲層物性改變，這一過程雖比常規(guī)油氣儲層滲流情況復雜，但同樣與飽和度關系密切，構建飽和度與歸一化滲透率的關系，在開采現場可實現水合物儲層滲透率的快速、準確預測[10]。依據上述計算結果(表4、5)，本次實驗含水合物沉積物的歸一化滲透率與飽和度的擬合關系式如下：

表4 本文實驗和理論模型計算的歸一化滲透率結果(含CO2水合物沉積物)Table 4 Experimental and model calculation results of normalized permeability Kr(CO2 hydrate sediments)

(3)

注：K0為不含水合物沉積物初始滲透率；Sh為水合物飽和度

注：a、b、c、d、e、f、g對應的預測模型，詳見表3

表5 本文實驗和理論模型計算的歸一化滲透率結果(含THF水合物沉積物)Table 5 Experimental and model calculation results of normalized permeability Kr(THF hydrate sediments)

通過與國內外眾多學者建立的含水合物沉積物滲透率理論模型(表3)進行對比分析，結果顯示關系式(3)與“KC方程修正模型(表3f)”吻合程度最高。同時，將實際儲層中不含水合物夾層的滲透率K(Sh=0)，等效為不含水合物的沉積物初始滲透率K0，并利用中國南海神狐海域GMGS1、GMGS4航次測井獲得的滲透率K(Sh)[25-26]，計算出實際儲層的Kr；與實驗結果進行了對比，結果顯示，本文建立的滲透率理論模型可適用中國南海細粒砂質水合物儲層滲透率的評價(圖4)。

圖4 本次實驗測試和神狐海域水合物儲層實際Kr值對比圖Fig.4 Comparison between Kr values tested in this experiment and those of hydrate reservoirs in the Shenhu Sea area

3 結論

1) 細粒砂巖中水合物的分布模式與水合物類型及飽和度密切相關，當水合物飽和度小于37.8%時，Ⅰ型水合物傾向于生長在孔隙孔壁之上；而飽和度為10%～35%時，Ⅱ型水合物，則以孔隙填充型為主，它們分別對應水合物分布理想模型中的顆粒模型和毛細管模型。

2) 本文擬合的滲透率模型與“KC方程修正模型”吻合度最高，與中國南海神狐海域GMGS1、GMGS4航次實測的結果有良好的對應性。

3) 將實際儲層中不含水合物夾層的滲透率，等效為不含水合物的沉積物初始滲透率K0，本文建立的滲透率模型Kr=(1-Sh)2.85/(1+Sh)3.67可適用于海洋細粒砂質水合物儲層，能應用于中國南海神狐水合物儲層滲透率預測。