殷振元团队合作揭示我国南海第二次试采区块沉积物对甲烷水合物的动力学作用机制

       天然气水合物，即“可燃冰”，是全球非常规油气资源勘探开发的热点。我国南海可燃冰资源量约为800亿吨油当量，但属开采难度大的泥质粉砂型水合物藏。细颗粒粉砂（平均粒径10-20微米）和黏土矿物（<4微米）赋存其中，导致其具有渗透率较低、胶结差等特性，虽已实现两次成功试采，但是工程试采经验领先于基础研究。其中，甲烷水合物在低温高压海底原位状态下与试采区块沉积物相变-渗流耦合影响机制尚不明晰，针对水合物成核、生长动力学特性以及水合物—黏土形貌学演化还缺乏深入认识，尚无一致性的结论，亟待开展深入研究。

       近日，清华大学深圳国际研究生院气体水合物与储碳课题组殷振元副教授及合作者选取中国南海第二次试采区域（SH-W02-B井，271.3 mbsf）的原位沉积物样品，开展了沉积物理化性质测试分析，并在此基础上，利用自主搭建的低温高压半可视水合物动力学实验装置，系统研究了该区块沉积物对甲烷水合物的成核和生长动力学影响。研究发现，沉积物能够显著促进甲烷水合物成核，在0.1 wt%低质量分数下，能使诱导时间由纯水中的41分钟缩短至27分钟。研究还发现，较高质量分数（≥10 wt%）对甲烷水合物的生长动力学发挥显著促进作用。研究团队观察到甲烷水合物的生长引起水迁移和水合物-沉积物分层分布现象，并引起细颗粒组分的运移。

       研究团队还发现，在甲烷水合物生成过程中，甲烷水合物的生成存在着初期缓慢生长阶段和后续快速生成阶段两阶段生长模式，其特征是气体消耗量在经历初始缓慢生长之后快速增长，在300分钟左右生成结束。研究通过高速摄像机观察到沉积物悬浮液中甲烷水合物的形态演变：其生成最初发生在气-液界面，随后扩展到液相中，生成大量的水合物颗粒，并伴随爬壁现象，导致反应器窗口上出现水合物团块。此外，研究观察到水合物向沉积物内部生长过程，存在显著的生长前缘（见子图a4），并在气相中观察到大块白色水合物固体。

       此外，研究发现水合物生长期间沉积物颗粒分层现象，细颗粒沉积物伴随水向上运移而向上迁移，引起较大沉积物颗粒逐渐在底部聚集，后续在下部粗粒沉积层中观察到大量白色水合物晶体，表明水运移和细颗粒迁移暴露的沉积物骨架进一步为水合物生长提供了额外的气-接触面积，从而促进水合物快速生长。研究结果为深入理解泥质粉砂沉积物对甲烷成核和生长动力学、泥质粉砂型沉积物-水合物形态学演化、水合物赋存模式、储层结构演化等提供了新的见解，并为我国南海泥质粉砂沉积物中开采天然气水合物高效率开采方案设计提供了基础数据和理论支撑。

泥质粉砂型沉积物悬浮液中甲烷水合物生成过程气体吸收曲线和水合物-沉积物形貌演化过程

       相关研究成果以“南海泥质粉砂型沉积物对甲烷水合物动力学和形貌学的影响——对水合物开采的启示”（Effects of South China Sea clayey-silty sediments on the kinetics and morphology of CH4 hydrate: Implication on energy recovery）为题，发表于《应用能源》（Applied Energy）上。论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2021级博士生任俊杰，通讯作者为殷振元。论文合作者还包括中国地质调查局广州海洋地质调查局教授级高级工程师陆红锋、匡增桂，高级工程师许辰璐、邓炜，清华大学深圳国际研究生院2023级硕士生刘云霆、新加坡国立大学化工系教授普拉文·林加（Praveen Linga）。该研究得到了国家自然科学基金、广东省科技厅、广东省自然资源厅、深圳科创委等资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123399

文/图：任俊杰

编辑：彭锦涛

审核：殷振元