清华大学深圳国际研究生院殷振元助理教授团队 | 基于低场核磁共振技术揭示泥质粉砂型甲烷水合物动力学及孔隙水运移特性研究

作者首先利用高压压汞与核磁共振技术联用进行孔隙尺寸标定，成功定量出T₂谱与孔隙尺寸分布（PSD）间的关系，获得实时孔隙演化特性（图1a和图1c中top-x轴绘制了标定尺寸）。图1绘制了石英砂和泥质粉砂介质中甲烷水合物生成过程的T₂谱演化和甲烷水合物生长动力学特性。如图1（a）所示，石英砂介质中水合物的生长导致T₂谱右移（Case 2），表明孔隙比表面积（S/V）减小。图1（b）显示了不同初始水饱和度下（S_w0 = 40-80%），甲烷水合物的生成量随时间的演化曲线。发现孔隙内水合物生长过程可分为初期生长速率较快和后期稍慢的两个阶段。较低的初始水饱和度条件下，水合物生长初期具有更快的生成速率。其原因可能在于低水饱和度下具有更大的气-液接触面积。图1（c）展示了泥质粉砂中水合物的生成导致T₂谱先左移后右移的趋势（Case 4）。即水合物在泥质粉砂介质中先在相对大的孔隙中生成，之后在相对小的孔隙中生成。随着水合物逐渐从孔隙边缘处向孔隙中心膨胀生长，液态水被驱向孔隙中心，引起孔隙比表面积（S/V）逐渐减小（固体水合物在低场核磁共振条件下不贡献NMR信号，可视为骨架）。图1（d）显示，泥质粉砂介质中甲烷水合物的生长速率随着初始含水量（S_w0）的增大而增大。其原因在于黏土束缚水相较于自由水更难转化为水合物。而随着初始水饱和度的增大，自由水的含量（比例）逐渐增大，更有利于甲烷水合物的生成。

图2绘制了甲烷水合物在泥质粉砂生成过程中残余黏土束缚水（P₁）和砂质孔隙水（P₂）的演化规律。研究结果表明，黏土在水合物生成初期（约前30小时）促进水合物生成，但黏土束缚水（P₁）总体转化率较低，只有10%左右。而砂质孔隙中的自由水（P₂）持续被消耗，最终转化率达到~32%（见图2a）。图2（b）则证实了黏土束缚水（P₁）率先被消耗，即表明黏土在生成初期促进水合物生长。

图3绘制了石英砂介质和泥质粉砂介质中CH₄水合物分解过程中的T₂谱演化规律。可以发现，降压分解过程中水信号逐渐增大，孔隙水重新分布（T₂谱峰宽和分布均有所改变）。图4显示，甲烷水合物首先在砂质大孔隙中分解，造成P₂信号值的快速增大；随后在黏土小孔隙中分解，在t_A = 33分钟以后，砂质大孔隙中的产出水逐渐向黏土束缚水转化，伴随着自由水（P₂）信号值的降低以及黏土束缚水（P₁）信号值的增大。

基于上述分析，图5绘制了泥质粉砂介质内甲烷水合物的生成和分解机制。在水合物生成过程中，分布在砂质大孔隙内部的黏土影响水合物的生长动力学，并逐渐失水收缩进而改变孔隙结构（S/V减小）；而在水合物分解过程中，黏土的吸水性质导致分解产生的自由水向黏土束缚水转化，黏土的膨胀再次改变孔隙结构（S/V增大）。

作者利用原位低场核磁共振仪（in-situ LF-NMR），研究了石英砂介质和泥质粉砂介质内，甲烷水合物的生成和分解动力学及其引起的孔隙结构和孔隙水的动态演化过程。研究结果表明，钠基蒙脱土在水合物生成初期（前30小时），促进CH₄水合物生成并引起黏土束缚水的消耗；然而，蒙脱土的存在延迟水合物的整体生长动力学，导致黏土束缚水转化率较低（~10%），仅为砂质孔隙水转化率的1/3。在生成过程中，泥质粉砂和石英砂两种多孔介质中均观察到T₂谱右移现象，表明固相水合物填充孔隙空间引起整体孔隙结构变化，孔隙比表面积（S/V）逐渐减小。降压分解过程发现，水合物首先在砂质大孔隙中分解，之后在黏土质小孔隙中分解。分解过程伴随着分解产出水的运移和转化，即从砂质孔隙空间向黏土颗粒运移并转化为黏土束缚水，过程中黏土发生水化膨胀引起孔隙结构改变。

最后作者指出，该研究结果加深了对泥质粉砂型水合物成藏机制和孔隙尺度下储层水合物饱和度空间非均质分布现象的认识，为后续安全高效开采泥质粉砂型天然气水合物提供了基础实验数据和理论指导。

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