由大連理工大學的關大偉等教授刊登在 ScienceDirect 上的論文，透過降血壓法和滲流實驗結合 CT 成像技術觀察分析了水合物生長和分解過程中樣品內部的變化；文章深入研究了多孔介質中天然氣水合物的分解現象及其對儲層內部水合物分佈和形態變化的影響；文章闡明了天然氣水合物開採過程中氣-水輸運對水合物分佈模式的影響機制，對制定天然氣水合物開採策略具有重要意義。

引言

天然氣水合物是高壓低溫下水和氣體分子形成的結晶化合物，廣泛分佈於深水和凍土區。提高產量的方法有降血壓、熱刺激、二氧化碳替代或組合方法，降壓技術較有前景。

水合物分解複雜，流體運動效率影響勘探，低滲透性儲層易結冰阻礙減壓。分支井技術可精準控制分解區域等，儲層改造可提高滲透率。多氣探勘能降低成本、提高產量，但非均質氣田中滲透率等因素變化會導致產量降低等。

CT 掃描可顯示真實儲層條件下水合物分佈模式，此技術還能揭示沉積物中甲烷水合物的孔隙習性等。 CT 技術重建孔隙網絡模型開闢新研究途徑。

圖 1  CT 設備及現場生成反應器

水合物形成和分解伴隨氣水遷移，導致重新分佈。現有仿真方法無法反映天然氣流動影響。本研究以奈米 CT 原位實驗觀察水合物分解或氣體滲流後的重新分佈行為。

結果展示

01

多孔介質中天然氣水合物的膠結型

圖 2  多孔介質中水合物的分佈模式

圖 2(a)、(b) 顯示了多孔介質中水合物的分佈形式；圖 2(c) 顯示了 CT 二維剖面中砂粒和水合物的分佈；圖 2(d) 顯示了不同類型的膠結示意圖。為便於區分，內部白色表示水合物，灰色表示砂粒，黑色表示氙氣。

02

降血壓對水合物再分佈的影響

圖 3  降壓前後特定位置水合物的結構變化

圖 3B(1) 清楚看到中心處包裹顆粒的水合物完全分解，砂粒間的膠結作用被破壞，導致斑塊狀水合物團簇體積明顯減少。
但也觀察到周向邊緣的水合物發生再生，並逐漸相互連接形成更大的結構，如 圖 3B(2) 所示。

圖 4  切片號 800 的初始和降壓後水合物分佈情況

從 圖 4(1) 可以看出，中心的顆粒顯著增加了包裹水合物的厚度。

在同一切片的邊緣處，見 圖 4(2)，斑塊簇水合物似乎開始分解並變得鬆散多孔，同時伴有灰度值的降低，這也表明該點的密度正在降低。

這些結果表明，隨著距離減壓點的距離增加，減壓引起的影響逐漸減少。

圖 5  曲線表示各切片層中水合物所佔面積的比例

降壓前後水合物的三維結構分別如 圖 5(a) 和 (b) 所示。可以看出，降壓後試樣底部的水合物完全分解，整體體積分數由 7.25% 降至 7.12%。這一系列觀測為我們提供了多孔介質內部水合物重新分佈的視覺證據。

結果表明，降壓導致了樣品內部水合物重新分佈。

圖 6  減壓過程中樣品內部分解水輸送示意圖

較低的反應器壁面溫度可以快速吸收水合物生成過程中釋放出的熱量，促使水合物在反應器壁面內不斷生長，形成由中心向兩側重新分佈的格局，這一複雜的降壓分解重整過程如 圖 6 所示。

03

強制對流條件下水合物的重分佈行為

圖 7  切片號 350 對應的初始和降壓後 CT 切片圖

圖7 中的 (1)、(2)、(3)、(4) 分別顯示了降壓前後特定位置水合物的結構變化。

圖 8  降壓初始及降壓後切片數為 750 對應的 CT 切片圖

隨著氣體通過樣品室的距離逐漸增加，其攜帶的熱量被環境消耗，對水合物儲存環境影響較小。

圖 9  降壓初始與降壓後 CT 切片圖對應的垂直投影影像

透過調整樣品的展示角度研究了垂直方向上水合物形成的形態演變。可以觀察到一個有趣的現象：水合物生長的方向與氙氣流動的方向相反，即朝著流體入口的方向，如 圖 9(1) 和 (2) 所示。

圖 10  氙氣在樣品室內流動的示意圖

圖 10(a) 展示了樣品室內氙氣流動的示意圖。

氣體通過多孔介質流動時，不可避免地會擾動介質，促使水合物在靠近氣流的「迎風面」生長，如 圖 10(b) 所示。

為了充分了解水合物滲流前後的三維形態演變，有必要從整個樣本中提取具有代表性的水合物形態進行觀察和比較；見 圖 10(c)。灰色和橙色分別表示水合物在初始狀態和滲流過程後的形態。滲流過程後，原本的膠結水合物儲存形式不復存在，取而代之的是向下延伸的趨勢，形成了新的「柱狀膠結」型結構，如 圖 10(c) 所示。

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