原位降壓和強制對流過程中水合物重新分布的演變

由大連理工大學(xué)的關(guān)大偉等教授刊登在ScienceDirect上的論文，通過降壓法和滲流實驗結(jié)合CT成像技術(shù)觀察分析了水合物生長和分解過程中樣品內(nèi)部的變化； 

文章深入研究了多孔介質(zhì)中天然氣水合物的分解現(xiàn)象及其對儲層內(nèi)部水合物分布和形態(tài)變化的影響； 

文章闡明了天然氣水合物開采過程中氣-水輸運對水合物分布模式的影響機理，對制定天然氣水合物開采戰(zhàn)略具有重要意義。

本篇研究所用設(shè)備為布魯克

Micro-CT SKYSCAN 2214

以下是文章成果摘要：

引言 

天然氣水合物是高壓低溫下水和氣體分子形成的結(jié)晶化合物，普遍分布于深水和凍土區(qū)。提高產(chǎn)量的方法有降壓、熱刺激、二氧化碳替代或組合方法，降壓技術(shù)較有前景。 

水合物分解復(fù)雜，流體運動效率影響勘探，低滲透性儲層易結(jié)冰阻礙減壓。分支井技術(shù)可精確控制分解區(qū)域等，儲層改造可提高滲透率。多氣勘探能降低成本、提高產(chǎn)量，但非均質(zhì)氣田中滲透率等因素變化會導(dǎo)致產(chǎn)量降低等。 

CT掃描可顯示真實儲層條件下水合物分布模式，該技術(shù)還能揭示沉積物中甲烷水合物的孔隙習(xí)性等。CT技術(shù)重建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型開辟新研究途徑。 

圖1 CT設(shè)備及現(xiàn)場生成反應(yīng)器

水合物形成和分解伴隨氣水遷移，導(dǎo)致重新分布。現(xiàn)有仿真方法無法反映天然氣流動影響。本研究用納米CT原位實驗觀察水合物分解或氣體滲流后的重新分布行為。

結(jié)果展示

一、多孔介質(zhì)中天然氣水合物的膠結(jié)類型 

圖2 多孔介質(zhì)中水合物的分布模式

圖2(a)、(b)顯示了多孔介質(zhì)中水合物的分布形式；

圖2(c)顯示了CT二維剖面中砂粒和水合物的分布情況；

圖2(d)顯示了不同類型的膠結(jié)示意圖。為便于區(qū)分，內(nèi)部白色表示水合物，灰色表示砂粒，黑色表示氙氣。

二、降壓對水合物再分布的影響

圖3 降壓前后特定位置水合物的結(jié)構(gòu)變化

圖3B（1）清晰地看到中心處包裹顆粒的水合物完全分解，砂粒間的膠結(jié)作用被破壞，導(dǎo)致斑塊狀水合物團簇體積明顯減小。

但也觀察到周向邊緣處的水合物發(fā)生再生，并逐漸相互連接形成更大的結(jié)構(gòu)，如圖3B（2）所示。

圖4 切片號800的初始和降壓后水合物分布情況

從圖4(1)可以看出，中心的顆粒明顯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并變得松散多孔，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(jié)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小。

圖5 曲線表示各切片層中水合物所占面積的比例

降壓前后水合物的三維結(jié)構(gòu)分別如圖5（a）和（b）所示。可以看出，降壓后試樣底部的水合物完全分解，整體體積分?jǐn)?shù)由7.25%降低至7.12%。這一系列觀測為我們提供了多孔介質(zhì)內(nèi)部水合物重新分布的視覺證據(jù)。

結(jié)果表明，降壓導(dǎo)致了樣品內(nèi)部水合物重新分布。

圖6 減壓過程中樣品內(nèi)部分解水輸送示意圖

較低的反應(yīng)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(yīng)器壁面內(nèi)不斷生長，形成由中心向兩側(cè)重新分布的格局，這一復(fù)雜的降壓分解重整過程如圖6所示。

三、強制對流條件下水合物的重分布行為

圖7 切片號350對應(yīng)的初始和降壓后CT切片圖

圖7中的(1)、(2)、(3)、(4)分別顯示了降壓前后特定位置水合物的結(jié)構(gòu)變化。

圖8 降壓初始及降壓后切片數(shù)為750對應(yīng)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(huán)境消耗，對水合物儲存環(huán)境影響較小。

圖9 降壓初始和降壓后CT切片圖對應(yīng)的垂直投影圖像

通過調(diào)整樣品的展示角度研究了垂直方向上水合物形成的形態(tài)演變。可以觀察到一個有趣的現(xiàn)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(nèi)流動的示意圖

圖10（a）展示了樣品室內(nèi)氙氣流動的示意圖。

氣體通過多孔介質(zhì)流動時，不可避免地會擾動介質(zhì)，促使水合物在靠近氣流的“迎風(fēng)面”生長，如圖10（B）所示。

為了充分了解水合物滲流前后的三維形態(tài)演變，有必要從整個樣品中提取具有代表性的水合物形態(tài)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(tài)和滲流過程后的形態(tài)。滲流過程后，原本的膠結(jié)水合物儲存形式不復(fù)存在，取而代之的是向下延伸的趨勢，形成了新的“柱狀膠結(jié)”型結(jié)構(gòu)，如圖10（C）所示。

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