肖長(zhǎng)文，李小森，李剛，余楊，余建星，李世龍，呂秋楠

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072；2.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州，510640；3.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北荊門，448004)

水合物[1]是一種包含水分子和氣體分子的固態(tài)晶體，在高壓低溫的環(huán)境中，氣體分子被束縛在由水分子生成的籠型骨架，形成穩(wěn)定的氣體水合物。天然氣水合物主要分布于永久凍土層和深海地層之中[2]。海洋天然氣水合物由于其分布廣、儲(chǔ)量大和集輸便捷等特點(diǎn)，成為天然氣資源開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。目前天然氣水合物的開(kāi)采常用的方法有降壓開(kāi)采法[3]、注熱開(kāi)采法[4]、抑制劑注入法[5]以及二氧化碳置換開(kāi)采法[6]等，每一種開(kāi)采方式擁有各自的優(yōu)勢(shì)，都能實(shí)現(xiàn)水合物儲(chǔ)層的合理高效開(kāi)發(fā)。在含天然氣水合物的海底沉積物層的開(kāi)發(fā)中，需要評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的氣體飽和度、孔隙度和氣水滲流性等儲(chǔ)層參數(shù)。固態(tài)天然氣水合物占據(jù)沉積物的孔隙空間，阻塞氣水流動(dòng)通道，從而影響產(chǎn)氣產(chǎn)水效率。因此，研究多孔介質(zhì)滲透率特性隨水合物飽和度的變化，對(duì)天然氣水合物藏的開(kāi)發(fā)具有重要意義。

含水合物多孔介質(zhì)的滲透率的實(shí)驗(yàn)研究主要包含多孔介質(zhì)類型、水合物晶體結(jié)構(gòu)、水合物生成方法以及滲透率測(cè)量方法等方面，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性需要深入研究。MINAGAWA等[7]采用過(guò)量水法在不同種類多孔介質(zhì)中生成甲烷水合物，并通過(guò)穩(wěn)態(tài)注水測(cè)量了不同水合物飽和度下的有效滲透率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水合物飽和度較低時(shí)，滲透率的下降趨勢(shì)更明顯。LI等[8]在高壓反應(yīng)釜內(nèi)填充粒徑為300～400 μm 的石英砂，用水過(guò)量的形式生成甲烷水合物，采用穩(wěn)態(tài)注水測(cè)得沉積物的水相滲透率，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)控制水的注入速率，可有效降低水合物的分解。JOHNSON 等[9]使用來(lái)源于阿拉斯加北坡(ANS)埃爾伯特山站點(diǎn)的含天然氣水合物巖心樣品，采用注入鹽水和氮?dú)獾姆椒y(cè)量巖心的滲透率，發(fā)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)相對(duì)滲透率測(cè)量會(huì)導(dǎo)致活塞位移現(xiàn)象，且在較低水合物飽和度情況下，巖心樣品的滲透率明顯下降。呂勤[10]以BZ-01型和BZ-02型玻璃珠為多孔介質(zhì)，在過(guò)量甲烷氣體下生成水合物，并以穩(wěn)態(tài)甲烷氣體測(cè)量了含甲烷水合物沉積物氣相滲透率，發(fā)現(xiàn)水合物在孔隙中的形態(tài)由初期注入的氣體與水的比例控制，當(dāng)2種玻璃珠初始水飽和度分別大于40%和35%時(shí)，水合物更傾向于孔隙中心生長(zhǎng)，而當(dāng)初始水飽和度低于這一臨界值時(shí)，水合物傾向于在顆粒表面生成。水合物的賦存形式分為顆粒包裹型和孔隙中心填充型。在水合物生成時(shí)，氣體與水的比例影響其在孔隙空間的分布方式，且注水法和注氣法的滲透率測(cè)量方法也會(huì)有不一樣的效果。

對(duì)于含水合物多孔介質(zhì)的滲透率模型，KLEINBERG等[11]總結(jié)了含水合物的平行毛細(xì)管模型和等徑顆粒模型，其中，平行毛細(xì)管模型[12]假定多孔介質(zhì)孔隙由毛細(xì)管束組成，等徑顆粒模型假定多孔介質(zhì)是由等徑圓球顆粒堆積而成，2種模型都量化了多孔介質(zhì)的孔隙度和比表面積等參數(shù)，平均化表征孔隙空間分布。在此基礎(chǔ)上，LI等[13]研究了粒徑和水合物飽和度對(duì)石英砂多孔介質(zhì)滲透率的耦合影響，提出了2個(gè)水合物孔隙填充滲透率模型，在粒徑不同的石英砂介質(zhì)中，水合物飽和度低于10%和高于10%時(shí)，滲透率下降特征不同，且水合物對(duì)多孔介質(zhì)滲透率有顯著影響。SHEN等[14-15]將等徑顆粒模型和MASUDA模型進(jìn)行耦合，考慮了水合物對(duì)孔隙內(nèi)表面積的影響，建立了多種規(guī)則球體填充模型。DAI 等[16]從孔隙尺度出發(fā)，假定水合物顆粒在多孔介質(zhì)中隨機(jī)分布，建立了孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，修正流線的迂曲度，通過(guò)數(shù)值模擬方法獲得含水合物飽和度的經(jīng)驗(yàn)公式。陳浩等[17]通過(guò)原位掃描電鏡直接觀測(cè)含鹽體系蒙脫土中甲烷水合物生成和分解過(guò)程，水合物在蒙脫石表面呈現(xiàn)獨(dú)立顆粒狀，水合物顆粒表面光滑，顆粒與顆粒之間具有明顯的生長(zhǎng)界限。

水合物飽和度增加會(huì)伴隨著水合物顆粒增多并聚集成簇。目前，大部分模型假設(shè)多孔介質(zhì)顆粒和水合物形態(tài)為規(guī)則形狀，而實(shí)際中，不同種類的多孔介質(zhì)顆粒擁有不同的形狀和堆積形態(tài)，水合物在孔隙空間中的生成，呈現(xiàn)出隨機(jī)離散和不規(guī)則性，理想的等徑顆粒模型與現(xiàn)實(shí)狀況存在一定差異。為了研究多孔介質(zhì)堆積模式及水合物形態(tài)對(duì)滲透率測(cè)量過(guò)程的影響，首先以玻璃珠為多孔介質(zhì)，在高壓反應(yīng)釜中原位合成甲烷水合物；其次，通過(guò)穩(wěn)態(tài)注水測(cè)量含不同水合物飽和度的水相有效滲流率；最后，建立了簇狀等徑顆粒模型，揭示了水合物飽和度對(duì)多孔介質(zhì)滲透率的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為含水合物的多孔介質(zhì)滲透率實(shí)驗(yàn)裝置。由圖1可見(jiàn)：高壓反應(yīng)釜垂直浸沒(méi)在恒溫水浴中，維持實(shí)驗(yàn)溫度在8 ℃。反應(yīng)釜的內(nèi)徑為20.0 mm，長(zhǎng)度為250.0 mm。反應(yīng)釜的進(jìn)口端和出口端連接高精度差壓傳感器，用于在滲透率測(cè)量過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量反應(yīng)釜兩端的差壓。反應(yīng)釜從進(jìn)口端面自下而上安裝了3 個(gè)溫度傳感器和2 個(gè)壓力傳感器。儲(chǔ)氣罐有效容積為251.50 mL。平流泵提供穩(wěn)定的高壓液流，流量范圍為0.1～50.0 mL/min?；貕洪y控制整個(gè)反應(yīng)釜液路體系的壓力保持在設(shè)定壓力。高精度電子天平實(shí)時(shí)計(jì)量注入和產(chǎn)出的水的累計(jì)質(zhì)量，從而得到滲透率測(cè)量過(guò)程的流速。氣液分離器用于氣水分離，排除氣體對(duì)液體質(zhì)量計(jì)量的影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄所有的壓力、溫度等，時(shí)間間隔設(shè)定為15 s。穩(wěn)態(tài)注入的流體經(jīng)過(guò)盤管冷卻，消除注入熱量而導(dǎo)致水合物分解的影響。

圖1 含水合物的多孔介質(zhì)滲透率實(shí)驗(yàn)裝置[18]Fig.1 Schematic of apparatus for permeability measurements[18]

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

使用的去離子水的電阻率為18.25 MΩ/cm。甲烷氣體的純度超過(guò)99.9%。玻璃珠選用BZ-02型玻璃珠，材質(zhì)為鈉鈣玻璃。實(shí)驗(yàn)前，玻璃珠需要經(jīng)多次去離子水清洗，并進(jìn)行篩選烘干處理。玻璃珠的密度為2.495 g/cm3，粒徑范圍為109.0～479.0 μm，體積平均粒徑為228.4 μm，區(qū)間體積分布和累計(jì)體積分布如圖2所示。

圖2 玻璃珠粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of glass beads

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)孔隙度測(cè)量。將128.41 g玻璃珠填充至反應(yīng)釜內(nèi)，注水測(cè)量得到有效孔隙度φ為39.56%，其孔隙度與等徑顆粒的斜方排列堆積方式的孔隙度(孔隙度為39.54%)[19]接近，玻璃珠堆積方式為斜方排列堆積。

2)查漏。將反應(yīng)釜體接入實(shí)驗(yàn)管路，通過(guò)注入去離子水將管路的殘余空氣排出，持續(xù)2 h。將恒溫水浴箱的溫度調(diào)節(jié)到8.0 ℃，向反應(yīng)釜注入甲烷氣至出口壓力達(dá)到20.0 MPa，將系統(tǒng)靜置48 h以上，后期壓力保持穩(wěn)定不漏氣，則反應(yīng)釜體系不漏。

3)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢漏后，向反應(yīng)釜注水，排出反應(yīng)釜及連接管線的氣體，而后關(guān)閉反應(yīng)釜，打開(kāi)反應(yīng)釜上端的排空閥和注水端閥門，向反應(yīng)釜內(nèi)部注入少量甲烷氣體，并排出一定量的水。

4)水合物生成。利用高壓儲(chǔ)氣罐向反應(yīng)器中注入高純甲烷氣體，并達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定壓力，封閉反應(yīng)釜系統(tǒng)并靜置一段時(shí)間。待反應(yīng)釜內(nèi)溫度壓力穩(wěn)定后，利用平流泵向反應(yīng)釜內(nèi)注入去離子水，使得反應(yīng)釜系統(tǒng)的出口壓力達(dá)到20.0 MPa，關(guān)閉反應(yīng)釜進(jìn)出口閥門，直至水合物生成結(jié)束。水合物生成過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力，反應(yīng)釜內(nèi)的各相飽和度根據(jù)反應(yīng)釜系統(tǒng)的壓力和溫度變化計(jì)算獲得[13]。

5)水相有效滲透率測(cè)量。水合物生成結(jié)束后，采用穩(wěn)態(tài)注水測(cè)定含不同水合物飽和度的多孔介質(zhì)的滲透率，測(cè)量過(guò)程的回路壓力高于水合物生成末期的壓力。為保證滲透率測(cè)量時(shí)沉積物的流動(dòng)狀態(tài)為有效的穩(wěn)態(tài)層流，注水速率控制在0.2～5.0 g/min，本實(shí)驗(yàn)的注水速率選擇1.0 g/min。反應(yīng)釜內(nèi)的孔隙空間內(nèi)還殘余部分的自由氣體，通過(guò)注入的去離子水驅(qū)替這部分自由氣體，隨后測(cè)量滲透率。采用差壓傳感器測(cè)量反應(yīng)釜兩端壓差，高精度天平測(cè)量進(jìn)水端和出水端的累積質(zhì)量，從而計(jì)算注水流量和出水流量。

1.4 計(jì)算方法

含水合物的玻璃珠滲透率根據(jù)DARCY定律計(jì)算得到

式中：KW為水相滲透率，m2，Qavg為注入和流出反應(yīng)釜的平均流量，m3/s；μw為水的動(dòng)力黏度，Pa·s；L為反應(yīng)釜內(nèi)部有效長(zhǎng)度，取0.25 m；A為反應(yīng)釜內(nèi)部有效橫截面積，取3.14×10-4m2；ΔP為滲透率測(cè)量過(guò)程中反應(yīng)釜進(jìn)出口壓差，kPa。當(dāng)沉積物中沒(méi)有水合物存在時(shí)，絕對(duì)滲透率常用K0表示，m2。滲透率比KrW為量綱一參數(shù)，即

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究以玻璃珠為多孔介質(zhì)，通過(guò)多次注水法提高甲烷水合物的生成速率，并采用穩(wěn)態(tài)注水法測(cè)量含不同水合物飽和度的玻璃珠的水相有效滲透率。表1所示為甲烷水合物生成、滲透率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，系統(tǒng)壓力為進(jìn)出口端壓力的平均值。

表1 甲烷水合物生成、滲透率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of methane hydrate formation and permeability measurement

2.1 水合物的生成

在水合物生成過(guò)程中，伴隨著甲烷氣體和水的消耗，釜內(nèi)壓力會(huì)逐步降低。水合物的生成一般持續(xù)12 h 以上，隨著生成驅(qū)動(dòng)力減小，水合物生成速率逐漸減慢。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的水合物飽和度，采用多次注水增壓的方法，維持反應(yīng)釜內(nèi)的壓力保持在高位，提高水合物生成的驅(qū)動(dòng)力。在水合物生成過(guò)程中，甲烷氣體的摩爾體積根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)的系統(tǒng)壓力和平均溫度采用PENGROBINSON 氣體狀態(tài)方程得出，各相飽和度的變化通過(guò)質(zhì)量守恒方程和甲烷氣體的體積變化計(jì)算得到[13]。

圖3所示為實(shí)驗(yàn)8水合物生成過(guò)程中的反應(yīng)釜進(jìn)/出端壓力、水合物和氣相飽和度隨時(shí)間的變化。在第1次注水增壓后，關(guān)閉反應(yīng)釜，反應(yīng)釜內(nèi)初始?xì)怏w飽和度為18.03%，初始液體飽和度為81.97%。從圖3可見(jiàn)：在第1 階段(0～1 173.0 min)，反應(yīng)釜的系統(tǒng)壓力從21.6 MPa 降低到16.6 MPa，水合物開(kāi)始生成，反應(yīng)釜體系內(nèi)液相飽和度降低到76.01%，水合物飽和度達(dá)到7.32%，在后期壓力下降趨勢(shì)變得緩慢。第1階段所出現(xiàn)的進(jìn)口壓力和出口壓力出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，這是生成的水合物堵塞進(jìn)液管道造成的。隨著多孔介質(zhì)中水合物的生成和甲烷氣體的不斷消耗，反應(yīng)釜內(nèi)的進(jìn)出口壓力逐漸降低且其降低趨勢(shì)逐漸變緩，表明水合物的生成速率逐漸下降。

圖3 實(shí)驗(yàn)8中氣相/水合物飽和度，進(jìn)/出口壓力和溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 Gas/hydrate saturation,inlet/outlet pressure and temperature versus time in Test 8

利用平流泵進(jìn)行第2次注水加壓，向反應(yīng)釜注水1.65 g，反應(yīng)釜的系統(tǒng)壓力到21.5 MPa，由于二次注水的時(shí)間較短(小于2 min)，水合物在注水階段生成量可忽略不計(jì)。在第2階段水合物生成持續(xù)2 389.9 min，液相飽和度從79.45%降低到77.19%，水合物飽和度增加到10.74%。第2 階段后期水合物生成速率變得緩慢。

進(jìn)行第3 階段注水加壓，向反應(yīng)釜注入0.63 g水，水合物進(jìn)一步生成。在水合物生成結(jié)束時(shí)(t=4 000.0 min)，反應(yīng)釜內(nèi)三相飽和度為SW=76.65%，SG=9.74%，SH=13.61%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，甲烷水合物的生成速率隨著反應(yīng)釜壓力下降會(huì)顯著降低，采用多次注水增壓的水合物生成方法，可以有效提高反應(yīng)釜體系的水合物生成速率。

2.2 滲透率測(cè)量

圖4所示為實(shí)驗(yàn)8中的累計(jì)進(jìn)水/出水量和反應(yīng)釜平均溫度。由圖4可見(jiàn)：注水前，去離子水先預(yù)冷到8.0 ℃，再經(jīng)冷卻盤管使得注入的液體溫度與反應(yīng)釜的保持一致。在圖4中，進(jìn)口注水速率Qin為0.986 0 g/min、出口產(chǎn)水速率Qout為0.975 0 g/min，注水和產(chǎn)水速率的線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.999 9，表明穩(wěn)態(tài)注水測(cè)量過(guò)程中去離子水流速穩(wěn)定，且反應(yīng)釜內(nèi)為液體的單相流動(dòng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)8中累計(jì)進(jìn)水/出水量和平均溫度Fig.4 Accumulated water mass of injection/production and average temperature in Test 8

圖5所示為實(shí)驗(yàn)8中的進(jìn)/出口壓力、壓差以及滲透率特征。滲透率測(cè)量過(guò)程中，反應(yīng)釜體系的壓力始終維持在15.0 MPa，主要分為2個(gè)階段。在第1階段，隨著穩(wěn)態(tài)注水過(guò)程，反應(yīng)釜兩端差壓從0 kPa 逐步增大到150.0 kPa，這一階段為殘余氣體的排出階段[20]，反應(yīng)釜體系的水飽和度不斷增大，直至排出所有殘余氣體。水合物會(huì)阻塞多孔介質(zhì)的孔隙通道，從而影響氣液流動(dòng)通道。在第2 階段，隨著穩(wěn)態(tài)注水過(guò)程，差壓波動(dòng)較小，能夠維持相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定(90 min以上)，反應(yīng)釜兩端差壓保持穩(wěn)定一段時(shí)間，表明這一階段體系的各相飽和度保持穩(wěn)定，其平均差壓為145.8 kPa，根據(jù)Darcy定律計(jì)算的滲透率為0.121×10-12m2，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)8中的進(jìn)/出口壓力以及滲透率特征Fig.5 Characteristic of pressure of injection/production and water effective permeability in Test 8

3 討論

3.1 簇狀等徑顆粒模型

考慮水合物存在時(shí)，顆粒模型常被作為滲透率預(yù)測(cè)中多孔介質(zhì)的物理模型，KLEINBERG等[11]總結(jié)了等徑顆粒模型和SPANGENBERG 模型，簡(jiǎn)化滲透率比和水合物飽和度之間關(guān)系式，

式中：A0為不存在水合物時(shí)孔隙內(nèi)表面積，m2；A(SH)為存在水合物時(shí)孔隙內(nèi)表面積，m2，n為ARCHIE飽和度指數(shù)，表征水合物飽和度對(duì)流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的迂曲度與孔隙度之間的影響。在顆粒模型中，假定沉積物顆粒為理想等徑球體，而水合物的形態(tài)具有不規(guī)則性。KLEINBERG等[11]引用了水合物生成前后的形狀因子f(SH)，簡(jiǎn)化了多孔介質(zhì)和水合物的形態(tài)變化對(duì)滲透率的影響，對(duì)于等徑顆粒模型，f(SH)=1，其適應(yīng)于理想等徑球狀堆積物的滲透率預(yù)測(cè)。當(dāng)n大于1時(shí)，n越大，其水合物飽和度變化對(duì)流體在多孔介質(zhì)流動(dòng)影響越劇烈。n導(dǎo)致等徑顆粒模型更具有適用性和靈活性。多數(shù)含水合物的多孔介質(zhì)滲透率模型聚焦在多孔介質(zhì)的堆積方式和水合物顆粒的賦存形態(tài)。

圖6所示為多孔介質(zhì)堆積模式與水合物顆粒占據(jù)孔隙中心示意圖。由圖6可見(jiàn)：對(duì)于多孔介質(zhì)的堆積模式，圖6(a)和(b)為簡(jiǎn)單立方堆積[13-14]，圖6(c)和(d)為斜方排列立方堆積[15,19]?，F(xiàn)實(shí)的水合物在孔隙空間中的賦存形態(tài)通常表現(xiàn)為不規(guī)則形狀的水合物簇團(tuán)[21]，本文考慮了多孔介質(zhì)顆粒的堆積狀態(tài)和水合物賦存狀態(tài)，提出了簇狀等徑顆粒模型，如圖6(d)所示。

圖6 多孔介質(zhì)堆積模式與水合物顆粒占據(jù)孔隙中心示意圖Fig.6 Schematic diagram of accumulation mode of porous media and pore center occupied by hydrate particles

簇狀等徑顆粒模型進(jìn)行如下假設(shè)：

1)多孔介質(zhì)顆粒為斜方排列堆積模式的等徑球體；

2)所有水合物顆粒表面光滑；

3)水合物球狀顆粒成簇團(tuán)狀，以點(diǎn)接觸形式連接在一起，其形態(tài)是靈活多樣，在水合物滲透率測(cè)量過(guò)程中不發(fā)生分解或移動(dòng)。

水合物飽和度增大會(huì)伴隨著水合物顆粒增多，增加的水合物顆粒聚集成簇，顆粒之間具有一定的生長(zhǎng)界限。將反應(yīng)釜內(nèi)部的整體多孔介質(zhì)體系為研究對(duì)象，在簇狀等徑顆粒模型中，存在水合物時(shí)，多孔介質(zhì)的總孔隙內(nèi)表面積A(SH)表示為

式中：nh為多孔介質(zhì)體系的水合物顆粒總數(shù)目；Ah為單個(gè)水合物顆粒的表面積，m2。

式中：VH為反應(yīng)釜內(nèi)部的水合物顆粒總體積，m3；Vh為單個(gè)水合物顆粒的體積，m3；Dh為單個(gè)水合物顆粒的直徑，μm。對(duì)于單個(gè)水合物顆粒的尺寸，KIM 等[22]在所有水合物顆粒尺寸相同的假設(shè)基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)甲烷水合物的分解動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合推算出甲烷水合物顆粒直徑為16.0 μm。CLARKE 等[23]在KIM 實(shí)驗(yàn)思路的基礎(chǔ)上，使用粒度分析儀觀測(cè)到甲烷水合物顆粒的直徑大致為8.0 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為3 μm。本文選用8.0 μm作為甲烷水合物顆粒直徑，即Dh=8 μm。水合物顆粒在孔隙中的總體積VH表示為

式中：VS為反應(yīng)釜內(nèi)部的多孔介質(zhì)顆粒的總體積，m3；有效孔隙度φ為39.56%；DS為單個(gè)多孔介質(zhì)顆粒的直徑，μm。BZ-02 型玻璃珠的體積平均粒徑通過(guò)粒徑分析儀測(cè)量獲得，DS=228.4 μm；綜合式(4)～(7)，孔隙內(nèi)表面積A(SH)可表示為

為描述水合物的存在對(duì)滲透率的影響，將式(8)代入式(3)中，滲透率比KrW可表示為

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型的對(duì)比

圖7所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與4 個(gè)滲透率模型的關(guān)系。由圖7可見(jiàn)：即使在較低水合物飽和度情況下，隨著水合物的飽和度增加，多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的滲透率逐漸減小，含水合物的玻璃珠滲透率比KrW下降速率變快，即使較低水合物飽和度也會(huì)導(dǎo)致較小滲透率。在玻璃珠和水合物粒徑測(cè)量的基礎(chǔ)上，本文提出了簇狀等徑顆粒模型，當(dāng)ARCHIE飽和度指數(shù)n為10時(shí)，該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。從圖7可以看出，含水合物多孔介質(zhì)的滲透率比KrW與水合物飽和度之間呈指數(shù)遞減關(guān)系。相較其余3 個(gè)模型(n=35)，在相同水合物飽和度下，簇狀等徑顆粒模型的孔隙內(nèi)表面積A(SH)更大，這表明流體在多孔介質(zhì)流動(dòng)時(shí)與顆粒間的接觸摩擦面更大，從而影響氣液滲流過(guò)程。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與滲透率模型的關(guān)系Fig.7 Relationship between experimental results and permeability model

水合物對(duì)多孔介質(zhì)滲透率有2 個(gè)方面的影響：1)水合物顆粒占據(jù)孔隙空間從而阻塞流動(dòng)通道，水合物飽和度越大，流體流動(dòng)的有效孔隙空間越小；2)流體流動(dòng)的接觸摩擦面隨著水合物飽和度增大而增大，在相同的驅(qū)動(dòng)壓差下，摩擦阻力也會(huì)更大。因此，水合物飽和度越大，其對(duì)多孔介質(zhì)滲透率的影響越顯著。

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)采用球形較好的BZ-02 型玻璃珠為多孔介質(zhì)，玻璃珠的堆積形式符合等徑球體顆粒的斜方排列堆積的理論孔隙度；采用多次注水增壓的甲烷水合物生成方法，可有效提高反應(yīng)釜體系的水合物生成速率；在穩(wěn)態(tài)注水滲透率測(cè)量過(guò)程中，反應(yīng)釜體系的滲透率KW先減小而后維持穩(wěn)定。

2)在等徑顆粒模型的基礎(chǔ)上，簇狀等徑顆粒模型假設(shè)水合物顆粒為等徑球狀顆粒，水合物顆粒成簇團(tuán)狀分布在孔隙空間中，其孔隙空間的內(nèi)表面積A(SH)隨著水合物飽和度增大而增大。

3)實(shí)驗(yàn)所選用的玻璃珠更符合等徑顆粒模型的假設(shè)條件，當(dāng)ARCHIE 飽和度指數(shù)n為10 時(shí)，簇狀等徑顆粒模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)值吻合較好，在低水合物飽和度(0～15%)下，含水合物多孔介質(zhì)的滲透率比KrW隨水合物飽和度增大而呈指數(shù)遞減。