天然气水合物模拟实验获得重要物性参数

摘要：天然气水合物模拟实验是水合物研究的重要组成部分。通过研发和集成一系列实验装置和探测技术，开展了一系列含天然气水合物沉积层中的声学、电学、力学、地球化学和开采技术等模拟实验，获得了相应的技术参数。

1.项目概况

天然气水合物模拟实验是获得天然气水合物勘探、开发及相关理论研究基础参数的最经济、有效的技术手段。中国地质调查局青岛海洋地质研究所研制了10余套实验装置，研发了系列模拟实 验及探测技术，具备了全面开展天然气水合物勘探、开发的模拟实验能力，并在天然气水合物声学特性研究等方面取得了良好的效果。

2.成果简介

(1)天然气水合物声学特性实验技术取得突破，获得多项具有国际水平的成果。利用自行开发的“声学与时域反射联合探测技术”，以固结人工岩心、天然砂、南海沉积物等作为沉积介质，开展了天然气水合物声学特性与饱和度之间关系的实验研究，研制了传统平板声学探测技术和新型弯曲元技术两代水合物声学模拟实验技术，改进了时域反射技术，使其能测试高盐度海洋沉积物中天然气水合物饱和度，从而具备了同时在线测试不同类型沉积物中天然气水合物形成、分解过程声速和饱和度参数的能力。

首次利用直接观测到的多物理参数和直观图像揭示沉积物中天然气水合物形成的声学响应机理（图1 ):游离气 形成的水合物易胶结沉积物颗粒，对纵横波速度影响较大；溶解气形成的天然气水合物先在孔隙流体中形成微粒子 (35~110pm)，对测井频段的声波易造成散射衰减，对纵横波速度影响不大，后期随着水合物继续生成，天然气水合物逐渐桥接沉积物颗粒，对纵横波速度影响加剧增长。在实验数据基础上对已有岩石物理模型进行了验证，结果表明将权重方程和BGTL理论联合起来的计算值与实验实测值吻合良好，说明这两个模型的联合应用可为天然气水合物饱和度估算提供有效工具（图2)。根据实验数据，对模型中参数的选取提出了建议。研究成果为天然气水合物资源勘查和评价提供了良好的理论基础和模型工具，使该领域研究达到了国际先进水平。

(2)研发了多种含天然气水合物储层电学特性测试技术，促进天然气水合物电法勘探技术优化。针对天然气水合物电法勘探中存在的测量参数单一、饱和度估算不准等问题，分别研发了电阻率测试技术和电化学阻抗谱测试技术。目的是综合利用电阻性、电容性和频率响应等参数，充分刻画复杂体系中天然气水合物储层电学特性，阐明储层不同矿物成分以及天然气水合物赋存形态下饱和度与电阻率测井数据的对应关系，最终促进天然气水合物电法勘探技术的优化发展。

(3)开展了多次含天然气水合物沉积物力学特性模拟实验，为定量研究奠定了基础。自主研制了含天然气水合物沉积物力学性质测试实验装置（发明专利），具备了原位实时监测天然气水合物饱和度的能力。通过模拟实验，探讨了有效围压、天然气水合物饱和度等因素对含天然气水合物沉积物力学性质的影响，进一步明确了变形模量、峰值强度、摩尔-库伦强度指标等力学参数的变化规律。基于复合材料混合律理论，初步构建了含天然气水合物沉积物变形模量的预测模型，其预测结果与实验数据符合良好，为下一步的含天然气水合物沉积物力学性质定量研究奠定了基础。

(1)定制了激光拉曼光谱深海测量系统，实现天然气水合物储层地球化学参数原位测量。自主设计一套天然气水合物地球化学参数在线探测系统，将激光器、光谱仪和CCD传感器集成一体，成功实现模拟深海环境下的激光拉曼光谱原位测量。据此可在实验室中真实模拟天然气水合物赋存域的环境，开展含天然气水合物沉积层中水合物合成/分解过程中化学参数异常的研究，提高了实验数据的实时性和准确性。目前该系统已完成SO₄^2-、CH₄、H₂S、HS^-、HCO₃^-、 NaHC〇3等成分的测量和标定，数据拟合精度良好。

(2) 开展不同方法的天然气水合物开采模拟实验研究，夯实南海天然气水合物开采技术模拟研究的基础。研发多
套天然气水合物开采模拟实验装置，率先实现了生成和分解过程中水合物饱和度的实时监测，结合降压法、热激法和C〇2置换法模拟实验数据和理论分析，提出了水合物降压分解反应速率常数和反应级数的求解模型，获得了天然气水合物饱和度、温度等因素对C〇2置换效率和置换速率的影响规律，积累了丰富的天然气水合物开采技术模拟研究经验。

3.成果意义

天然气水合物储层基础物性的认识不足，严重制约了天然气水合物资源的精确评价和开发利用。在天然气水合物研究中，模拟实验不仅能够解决一些关键科学问题，而且具有经济、安全、高效的特点，能够为天然气水合物勘探资料解释、资源评价、开发方案制定等方面提供服务与支撑，具有广阔的应用前景。(中国地质调查局青岛海洋地质研究所 刘昌岭 胡高伟 陈强 刘乐乐 孙建业 供稿）