清華新聞網(wǎng)1月30日電 天然氣水合物是全球非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。我國(guó)南海可燃冰儲(chǔ)量約為680億噸油當(dāng)量，但多屬于富含細(xì)顆粒粉砂和膨脹性黏土的泥質(zhì)粉砂型水合物藏，開(kāi)采難度大。細(xì)顆粒黏土分布在砂質(zhì)孔隙之內(nèi)，黏土的膨脹作用、孔隙水運(yùn)移特性和轉(zhuǎn)化規(guī)律對(duì)孔隙內(nèi)甲烷水合物動(dòng)力學(xué)的影響尚不明晰。針對(duì)儲(chǔ)層中黏土礦物作用下氣體水合物生成和分解相變動(dòng)力學(xué)及其引起的孔隙結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律研究仍然較少。孔隙尺度下，黏土細(xì)顆粒對(duì)于泥質(zhì)粉砂型水合物藏開(kāi)發(fā)過(guò)程的氣-水-砂產(chǎn)出規(guī)律等尚不明晰。以上問(wèn)題亟待開(kāi)展研究。
蒙脫土存在下甲烷水合物生成和分解造成孔隙水運(yùn)移與孔隙結(jié)構(gòu)變化示意圖
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院海洋工程研究院殷振元助理教授團(tuán)隊(duì)利用自主搭建的原位低場(chǎng)核磁共振儀，從孔隙尺度揭示了泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層中膨脹性黏土礦物-蒙脫土存在下甲烷水合物動(dòng)力學(xué)、黏土膨脹與收縮效應(yīng)、孔隙結(jié)構(gòu)演化以及孔隙水的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。研究提出了一種壓汞與核磁共振聯(lián)用標(biāo)定孔隙尺寸方法，定量表征了T2譜與孔隙尺寸分布間的關(guān)系，并獲得水合物生成分解過(guò)程中孔隙演化特性。研究發(fā)現(xiàn)，鈉基蒙脫土在水合物生成初期，促進(jìn)甲烷水合物生成并引起黏土束縛水的消耗；然而，蒙脫土的存在減慢了甲烷水合物生成速率，導(dǎo)致黏土束縛水轉(zhuǎn)化率較低，僅為砂質(zhì)孔隙水的三分之一。在生成過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)在泥質(zhì)粉砂和石英砂兩種多孔介質(zhì)中均觀(guān)察到T2譜右移現(xiàn)象，表明固相水合物填充孔隙空間造成孔隙比表面積逐漸減小。
在降壓分解過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，水合物首先在砂質(zhì)大孔隙中分解，之后在黏土質(zhì)小孔隙中分解。分解過(guò)程伴隨著分解產(chǎn)出水的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化：從砂質(zhì)大孔隙（約150微米）向黏土小孔隙（約2微米）運(yùn)移并轉(zhuǎn)化為黏土束縛水，過(guò)程中黏土發(fā)生水化膨脹引起孔隙結(jié)構(gòu)改變。該研究揭示了小粒徑黏土礦物影響下，甲烷水合物生成與分解對(duì)泥質(zhì)粉砂多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙水運(yùn)移的作用機(jī)理。研究結(jié)果為后續(xù)安全高效開(kāi)采泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。
相關(guān)研究成果以“孔隙尺度泥質(zhì)粉砂型甲烷水合物動(dòng)力學(xué)的低場(chǎng)核磁共振研究”（Pore-scale investigation of CH4 hydrate kinetics in clayey silty sediments by Low-Field NMR）為題，作為封面論文發(fā)表于期刊《能源與燃料》（Energy & Fuels）。論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)博士生任俊杰，論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院殷振元助理教授。論文作者還包括中海油研究總院水合物與海洋資源戰(zhàn)略研究中心李清平博士、蘇州紐邁分析儀器股份有限公司吳飛博士、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院陳道毅教授、中國(guó)石油大學(xué)（華東）李淑霞教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃、深圳市科創(chuàng)委等部門(mén)的資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.2c03255
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：覃霞
審核：郭玲
