原位降壓和強制對流過程中水合物重新分布的演變

由大連理工大學的關大偉等教授刊登在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，降壓技術較有前景。 

水合物分解復雜，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，該技術還能揭示沉積物中甲烷水合物的孔隙習性等。CT技術重建孔隙網(wǎng)絡模型開辟新研究途徑。 

圖1 CT設備及現(xiàn)場生成反應器

水合物形成和分解伴隨氣水遷移，導致重新分布?，F(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，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，整體體積分數(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)構變化。

圖8 降壓初始及降壓后切片數(shù)為750對應的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）?；疑统壬謩e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，如圖10（C）所示。

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