清華新聞網(wǎng)3月25日電 天然氣水合物（可燃冰）是一種尚未開(kāi)發(fā)、資源潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源，僅我國(guó)南海北部陸坡的資源量就達(dá)數(shù)百億噸油當(dāng)量，是保障我國(guó)未來(lái)能源安全的重要戰(zhàn)略接替資源。其中，I類(lèi)天然氣水合物儲(chǔ)層展現(xiàn)出極強(qiáng)的商業(yè)化開(kāi)發(fā)潛力。受實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)瓶頸限制，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究多聚焦于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的III類(lèi)儲(chǔ)層，而I、II類(lèi)儲(chǔ)層因難以精準(zhǔn)模擬原位地?zé)崽荻扰c層間相互作用，相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證匱乏，成為制約天然氣水合物安全、經(jīng)濟(jì)、規(guī)?；虡I(yè)開(kāi)采的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)瓶頸。
圖1.南海天然氣水合物儲(chǔ)層分布與特征：（a）（b）CMGS6-SH02井與SHSC-4井的區(qū)域地質(zhì)背景、井位及測(cè)井結(jié)果綜合直方圖。（c）I類(lèi)儲(chǔ)層開(kāi)采示意圖。（d）反應(yīng)釜內(nèi)的I類(lèi)儲(chǔ)層。（e）天然氣水合物儲(chǔ)層分類(lèi)（H：水合物；W：水；G：氣體）
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院訾牧聰副教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述難題，自主研發(fā)了新型360°可旋轉(zhuǎn)分段控溫高壓反應(yīng)釜系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室尺度實(shí)現(xiàn)了I、II、III類(lèi)天然氣水合物儲(chǔ)層的精準(zhǔn)模擬，系統(tǒng)闡明了三類(lèi)儲(chǔ)層降壓開(kāi)采過(guò)程中的差異化產(chǎn)氣特性與作用機(jī)制，為我國(guó)南海天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采方案優(yōu)化提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)支撐與理論依據(jù)。
圖2.I類(lèi)天然氣水合物儲(chǔ)層合成與開(kāi)采過(guò)程示意圖：（a）-（f）實(shí)驗(yàn)步驟
團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與理論分析，取得了一系列突破。首先，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了新型實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)與樣品制備方法，突破了儲(chǔ)層模擬技術(shù)瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了一套帶雙獨(dú)立水浴夾套的360°可旋轉(zhuǎn)高壓反應(yīng)釜，配套建立了“水合物合成—旋轉(zhuǎn)—降壓開(kāi)采”的全流程實(shí)驗(yàn)方法，攻克了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法同步模擬儲(chǔ)層原位地?zé)崽荻?、水合物層與下伏層間相互作用的行業(yè)難題。該裝置可精準(zhǔn)控制I類(lèi)儲(chǔ)層，使得水合物層溫壓條件處于相平衡曲線(xiàn)內(nèi)、游離氣層處于相平衡曲線(xiàn)上，完美還原南海原位海洋沉積儲(chǔ)層特征。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用了氮?dú)馐聚櫦夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了游離氣與水合物分解氣的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)區(qū)分，明確了不同氣源對(duì)產(chǎn)氣的貢獻(xiàn)占比，為水合物開(kāi)采領(lǐng)域數(shù)值模擬模型提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)與驗(yàn)證依據(jù)。
其次，研究系統(tǒng)揭示了三類(lèi)典型水合物儲(chǔ)層差異化產(chǎn)氣規(guī)律，明確I類(lèi)儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在水合物總量恒定的控制條件下，I類(lèi)儲(chǔ)層呈現(xiàn)顯著的“兩階段產(chǎn)氣”特征：開(kāi)采早期以下伏游離氣層產(chǎn)氣為主；開(kāi)采后期水合物分解氣成為主導(dǎo)。研究同時(shí)闡明了三類(lèi)儲(chǔ)層的核心產(chǎn)氣差異：I類(lèi)儲(chǔ)層的游離氣層可顯著加速壓力傳遞，通過(guò)強(qiáng)對(duì)流作用向上補(bǔ)給水合物分解的吸熱損耗，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣的持續(xù)穩(wěn)定；II類(lèi)儲(chǔ)層的下伏水層雖能提供顯熱緩沖，抑制水合物層過(guò)度降溫，但水鎖效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重阻礙層間熱流傳遞，導(dǎo)致產(chǎn)氣效率最低、產(chǎn)水量最高；III類(lèi)儲(chǔ)層均質(zhì)的水合物分布使其初始分解速率快、累計(jì)產(chǎn)氣達(dá)到90%所需時(shí)間最短，但缺乏可動(dòng)流體的能量與物質(zhì)支撐，后期產(chǎn)能快速衰減，穩(wěn)產(chǎn)能力不足。
圖3.全工況核心開(kāi)采指標(biāo)統(tǒng)計(jì)：（a）累計(jì)產(chǎn)氣90%耗時(shí)（t90）與氣水比（RGW）。（b）天然氣采收率與水產(chǎn)收率（RG、RW）
最后，研究團(tuán)隊(duì)明確了量化關(guān)鍵參數(shù)影響機(jī)制，為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采優(yōu)化提供核心實(shí)驗(yàn)依據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)I類(lèi)儲(chǔ)層，系統(tǒng)開(kāi)展了初始溫度、水合物飽和度、井筒開(kāi)采壓力等關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析，明確了各參數(shù)對(duì)開(kāi)采效率的調(diào)控機(jī)制。研究表明，儲(chǔ)層低溫會(huì)削弱水合物分解驅(qū)動(dòng)力、增加流體滲流阻力，顯著延長(zhǎng)開(kāi)采周期；低水合物飽和度會(huì)降低總產(chǎn)氣潛力，但可有效提升儲(chǔ)層滲透率，加快壓力傳播與產(chǎn)氣進(jìn)程；高開(kāi)采壓力會(huì)削弱分解驅(qū)動(dòng)力，但可大幅降低累計(jì)產(chǎn)水量，實(shí)現(xiàn)氣水比的優(yōu)化提升。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)度降壓會(huì)增加儲(chǔ)層局部水合物二次生成與冰堵風(fēng)險(xiǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采的井筒壓力調(diào)控、防堵工藝設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)參考。
針對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展，團(tuán)隊(duì)提出了下一步重點(diǎn)研究方向：聚焦水合物層與游離氣層界面處的三相共存區(qū)，開(kāi)展精細(xì)化表征；厘清開(kāi)采過(guò)程中下伏氣體竄流對(duì)上覆水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性的干擾機(jī)制；結(jié)合分布式溫壓聲傳感、同位素示蹤等先進(jìn)技術(shù)，精準(zhǔn)刻畫(huà)儲(chǔ)層物性的時(shí)空演化規(guī)律，最終構(gòu)建完善的天然氣水合物商業(yè)化開(kāi)采理論與技術(shù)體系。
研究成果以“實(shí)驗(yàn)室合成的I、II、III類(lèi)水合物儲(chǔ)層的差異化產(chǎn)氣特性：一種新型熱分段可旋轉(zhuǎn)方法”（Distinct gas production characteristics from laboratory-synthesized Class I, II, and III hydrate reservoirs: A novel thermally-segmented rotatable approach）為題，于3月19日發(fā)表于《國(guó)際礦業(yè)科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)》（International Journal of Mining Science and Technology）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副教授訾牧聰為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)博士生葉鴻宇為論文第一作者。論文共同作者包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授陳道毅、2025級(jí)博士生李杰、2025屆博士畢業(yè)生姚遠(yuǎn)欣、2023級(jí)博士生段軍，福州大學(xué)研究員吳學(xué)震，中國(guó)石油大學(xué)（華東）教授李大勇。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目、廣東省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展（六大海洋產(chǎn)業(yè)）專(zhuān)項(xiàng)資金等的資助。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095268626000029
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
