水合物分解誘導效應與有效應力效應耦合作用下的海域泥質粉砂型儲層滲透率變化預測

姚艷斌，雷欣，羅萬靜，陸程

1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083

2.非常規天然氣地質評價及開發北京市重點實驗室，北京 100083

3.天然氣水合物勘查開發國家工程研究中心，廣東 廣州 511458

4.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083

天然氣水合物是目前尚未開發的、資源潛力最為巨大的非常規天然氣資源之一，全球水合物資源量的97%主要賦存于水深大于300 m的深海陸坡區。海域天然氣水合物的開發利用對于緩解我國能源安全危機、優化能源結構、助力“碳達峰、碳中和”目標的實現具有重要戰略意義。

天然氣水合物是天然氣與水在高壓和低溫條件下形成的一種固態類冰的、非化學計量的籠形結晶化合物。水合物的籠型結構僅能穩定存在于低溫和高壓條件下，當因溫度升高、壓力降低或其他環境條件變化等破壞水合物相平衡穩定時，水合物便會發生分解。根據水合物相平衡破壞條件不同，常見的水合物開采方法有降壓法、固態流化法、熱激法、化學勢差驅動法(包括注劑和CO2置換等)［1］。其中，降壓法通過抽采地層流體來降低儲層壓力促使天然氣水合物分解氣、水產出，是目前天然氣水合物藏開采普遍采用的主要方法［2］。

目前，全球已開展的海域天然氣水合物降壓試采工作主要集中在日本的南海海槽區和中國南海的神狐海域。其中，2013年與2017年，日本在南海海槽區開展了兩輪水合物試采工作［3-4］，不同單井累產分別為1.2×105m3(2013年)、3.5×104m3(2017年第一次試采)和2.0×105m3(2017年第二次試采)［5］；2017年和2020年，我國在神狐海域分別開展了直井和水平井的試采工作，其中直井產氣60 d、平均日產量5.15×103m3［6-7］；水平井產氣30 d、平均日產量2.87×104m3［8-9］。我國在南海神狐海域的水合物試采工作，首次證實了在細粒黏土粉砂沉積物中進行水合物開采的技術可采性［8］，但其試采產量仍遠未達到海域水合物的商業化開發門檻值，距離經濟化開采還有較大的差距［9-10］。如何進一步提高細粒黏土泥質粉砂型水合物儲層的降壓開采效率是目前南海水合物開發所面臨的重要挑戰。

與日本南海海槽區的砂質儲層不同，我國神狐海域水合物儲層為膠結程度更差、細粒組分含量更高的泥質粉砂型沉積物，具有儲層孔隙空間更小、孔喉結構更復雜、初始滲透率更低的顯著特點［11-12］。從降壓開采水合物的角度而言，該類儲層在開采過程中的滲透率變化大、變化規律更難預測。雖然前人已經開展了降壓分解過程中水合物儲層孔、滲、飽動態變化規律的相關實驗模擬研究，但前期研究大都采用了人造填砂管來模擬儲層條件［13-15］，某些學者也曾采用人造砂巖樣等粗粒多孔介質作為水合物合成的沉積物載體開展了相關模擬實驗［16］。但僅有少數學者開展過細粒黏土粉砂沉積物的實驗模擬工作，如ZHAO等［17］曾采用天然海洋泥質粉砂沉積物制成巖心樣品模擬并分析了不同有效應力條件下兩種水合物飽和度情境下的滲透率差異性。然而，該研究獲得的實驗數據有限，還不足以系統性闡明滲透率變化的規律并建立預測方法。此外，前人基于數學解析模型提出了一些預測分解誘導滲透率變化的模型，如平行管模型和堆疊球模型等［18］。這些實驗研究和模擬建立過程中，已經考慮到降壓誘導水合物分解所帶來的氣體滲透率增高現象，稱為“分解正效應”；然而，在實際地層條件下，水合物分解與氣體產出同時會導致儲層基質受到的有效應力增加，引起裂隙通道閉合，并進而引起滲透率降低，稱為“有效應力負效應”。由于實驗模擬條件所限，前人的研究中涉及分解正效應較多，而對有效應力負效應、尤其是二者的耦合效應研究非常少?？傮w上，不論是從實驗分析還是從模型解析角度，目前對泥質粉砂沉積物儲層在降壓過程中的滲透率變化規律及預測方法的研究都存在嚴重不足。

為了進一步探究泥質粉砂型沉積物儲層在降壓開采水合物過程中的滲透率變化規律，本次研究選取了南海神狐海域泥質粉砂型儲層沉積物樣品，在系統分析其巖石學與物性特征的基礎上，制作了對應的人造巖心樣品；通過開展巖心尺度的水合物分解誘導滲透率動態變化模擬實驗，揭示了水合物分解正效應和有效應力負效應對儲層氣體滲透率變化的影響機理；推導了綜合考慮兩種效應影響的儲層滲透率變化預測模型，以期為南海神狐海域水合物開采降壓方案制定提供理論和方法參考。

1 樣品及實驗

1.1 樣品與實驗設計

本次研究所涉及的所有實驗樣品的采樣條件和樣品特征如圖1所示。首先，采集了南海神狐海域含水合物儲層段的沉積物樣品(見圖1(a))，開展了粒度分析、礦物組分分析和孔隙形態觀察等。其次，選取部分儲層沉積物制作成立方體塊狀樣品，開展蒸發自吸水實驗直至樣品達到吸水飽和，并在吸水過程中每隔24 h采集一次核磁共振T2(橫向弛豫時間)譜，用于分析原始儲層沉積物樣品的孔隙結構特征及水賦存與運移規律特征。然后，將儲層樣品(見圖1(b))置于60 ℃烘箱中烘干48 h后仔細研磨，制作成與實際儲層物性接近的泥質粉砂巖巖心(直徑2.503 cm，長度2.903 cm，核磁孔隙度34%，氦氣滲透率2.9 mD，見圖1(c))用于物理模擬實驗。最后，將人造巖心樣品放置于無磁性氧化鋯巖心夾持器中，兩端用銅制堵頭封堵，連接好夾持器上的氣路和環路。向環壓腔注入無磁信號的氟化液，開啟環路上的冷循環裝置為巖心腔降溫，并從氣路注入CO2氣體開展水合物合成與分解模擬實驗，在分解過程中利用核磁共振方法求取巖心的水合物飽和度，在不同水合物飽和度階段采用穩態法來測量樣品的氣體滲透率，模擬儲層降壓開采過程中的滲透率變化規律。

圖1 南海神狐海域水合物儲層分帶及實驗樣品

1.2 合成與分解過程中水合物飽和度計算

本次研究開展了巖心樣品中水合物降壓分解與滲透率變化的耦合實驗，其中實驗的關鍵之一在于如何準確確定各個階段巖心樣品中水合物飽和度。本次研究采用了核磁實時監測含水量的方法來計算水合物飽和度。

根據低場核磁共振原理，當采用CPMG序列進行T2譜測量時，測得的T2信號量與樣品含水量成正比［19-20］。由于本次合成與分解實驗是在無磁巖心夾持器內進行的，因此可采用核磁共振方法實時準確測量樣品中水信號的變化量。在水合物合成過程中，樣品中水的1H會轉化為被籠型結構固定的氫鍵從而失去核磁T2信號，此過程表現為水的T2信號的持續減少；反之，分解過程表現為水的T2信號的持續增加。由于特定水合物結構中水分子與氣體分子比例(即水合數)是確定的，可根據水合數和測量獲得的各階段的含水量計算各階段的水合物質量。因此，在水合物合成/分解過程中，可利用核磁共振方法實時測量實驗過程中水合物的質量，然后根據水合物密度計算出水合物的體積飽和度。這就是采用核磁共振技術動態確定樣品中水合物飽和度的基本原理。具體計算方法如下。

實驗過程中，孔隙中含水飽和度Sw和水合物飽和度Sh變化量的關系可分別表示為：

(1)

(2)

式中：ΔSw和ΔSh分別為孔隙中含水飽和度和水合物飽和度的變化量；Δmw和Δmh分別為巖心中含水和含水合物質量的變化；ρw和ρh分別為水和水合物的密度；Vp為孔隙體積。用式(2)比式(1)，得到：

(3)

不同溫壓條件及生長空間導致水合物水籠結構與水籠組合均不固定，本次研究中采用平均水合數XHI(一般在5.6～7.8之間)來表示水合物的分子式。根據核磁T2信號與含水量的關系，可得到水合物飽和度變化ΔSh的計算公式為：

(4)

式中：44為二氧化碳氣體分子摩爾質量；18為水分子摩爾質量；ΔSw為含水飽和度變化量，可由核磁T2信號變化換算獲得。

ΔSh=1.262ΔSw

(5)

式(5)中ΔSw為關鍵數據，主要通過核磁共振對不同飽和度情形下核磁共振T2譜信號量轉化為含水量而獲得，其詳細方法及量化關系可參見作者前期研究工作［19-20］。

根據式(5)，只要測得含水飽和度的變化量，即可求得水合物飽和度的變化量。

1.3 水合物分解過程中氣體滲透率測試

巖心樣品中水合物飽和度與滲透率耦合變化實驗的另一個關鍵難點在于降壓過程中進行不同水合物飽和度情形下的氣體滲透率測量。本次研究在巖心夾持器中采用穩態測量方法對不同分解階段的滲透率進行了測量。

在設定的某降壓階段結束后，保持上下游氣體壓力和溫度平衡，此時不間斷連續采集樣品的核磁T2譜，確保樣品中含水量基本穩定時，認為該溫壓條件下水合物飽和度穩定，此時立即測定滲透率，該測量值即為該飽和度下的有效滲透率值。滲透率測量時，在巖心進口端加壓、出口端保持背壓壓力不變，待氣流量穩定時記錄巖心進、出口端的壓力和氣體流量等數據，根據達西定律計算巖樣的滲透率。在完成一個階段滲透率測試后，切斷上游供氣，繼續進行降壓分解實驗直至降壓至下一個水合物飽和度階段，再次重復進行下一階段的滲透率測試。本次研究中開展了從壓力3.63 MPa降至2.05 MPa過程中12個水合物飽和度階段的滲透率測量。

2 結果與討論

2.1 南海細粒沉積物儲層基本特征

神狐海域位于南海北部珠江口盆地白云凹陷北坡神狐暗沙東南海域附近，總面積近15 km2。其中，含水合物層一般在海底泥線以下207.8～253.4 m(見圖1)，單層厚度最高可達10 m；測井反演的孔隙度在33%～55%，有效滲透率在0.2～20 mD，水合物飽和度在25%～43%，水合物儲層孔隙壓力和溫度分別為14 MPa和15 ℃［9,22-23］。

本次實驗獲得的儲層沉積物樣品的粒度分析結果表明，樣品的粒徑在0.271～188.5 μm，中位粒徑為6.923 μm，為沉積背景復雜、粒徑分選較大的泥質粉砂級沉積物。掃面電鏡下的統計分析表明，樣品的較大顆粒粒徑在幾十微米左右，較小顆粒約多在微米級左右(見圖2)，其中粉砂顆粒、泥質顆粒和砂質顆粒占比分別為65.5%、31.5%和3%左右。樣品礦物組成中以方解石為主(含量>30%)，黏土礦物、石英次之，此外還有少量硬石膏、長石、石鹽等礦物。樣品中可見明顯的黏土礦物絮狀結構和大量生物碎屑，如硅藻、有孔蟲、棘皮動物、及海綿骨針等(見圖2(h)、(i)和(j))。

注：(a)、(b)中大顆粒；(c)、(d)大孔及通道；(e)生物骨架孔；(f)、(g)粒內孔；(h)、(i)、(j)生物碎屑。

本次實驗樣品中可見多種類型的孔隙，包括各類粒內孔(見圖2(f)、(g))、粒間孔、團塊間孔(見圖2(d))及裂隙通道(見圖2(c))等。其中，粒內孔多為形狀不規則的橢圓形，孔徑大多在1 μm以下；粒間孔大多形狀不規則、孔徑范圍一般在1～3 μm之間、連通性差；團塊間孔多由生物碎屑參與構成(見圖2(e))、其形態更貼近管柱狀。此外，樣品中還可見少量扁平狀大孔或通道，孔徑一般可達到5 μm左右，其孔隙連通性較好。

為了分析泥質粉砂型沉積物儲層水的賦存規律，對收到的儲層樣開展了自吸水實驗，直至儲層樣達到吸水飽和狀態，過程中采用核磁共振技術定量分析了不同級別孔-裂隙中的含水量變化及運移規律，結果如圖3所示。在吸水初期，樣品在T2為0.1～10 ms(P1峰)和10～100 ms(P2峰)各出現一個峰，分別反映了小孔與大孔中的吸水過程?？傮w來看，不同吸水飽和度情境下，小孔中水均占據主導地位，占譜峰總面積的98%以上，而賦存于大孔通道中的水分占比不足2%。研究發現，樣品經過長達72 h的吸水后達到飽和水狀態，此狀態下計算得到孔隙度為42.4%，該結果與前人獲得的水合物儲層孔隙度結果類似［24］?？傮w上，通過儲層樣的自吸水實驗結果表明，該樣品可較好地反映南海神狐海域的儲層特征。

圖3 泥質粉砂型沉積物樣品自吸水過程核磁共振T2譜變化特征

2.2 現有滲透率變化預測模型及存在問題

2.2.1 適用于粗粒儲層的水合物分解效應誘導滲透率變化模型

表1 水合物儲層常見的滲透率變化預測模型及適用的儲層特征類型

2.2.2 適用于細粒儲層的水合物分解效應誘導滲透率變化模型

針對砂質(粗粒)水合物儲層，筆者團隊前期基于“板狀孔隙”假設推導了“堆疊立方體模型”用于該類儲層水合物分解誘導滲透率變化的預測［28］。如圖4(a)所示，假設堆疊立方體結構代表水合物儲層，其中大小均一的立方體代表基質，基質間均勻分布有三組正交的“板狀結構”裂縫。實際儲層中水合物的賦存可能表現為“表面包裹型”和“孔隙填充型”兩種模式。在不考慮降壓分解過程中應力變化影響時，兩種模式情況下水合物分解引起的裂縫空間變化如圖4(a-1)和圖4(a-2)所示，兩種模式下滲透率變化預測模型如表1所示。

圖4 理想與復雜孔隙中的表面包裹型和孔隙填充型水合物分布模式示意圖(據文獻[28-29]，有修改)

然而，在海洋泥質粉砂型細粒儲層中，其孔隙類型大都比較復雜，不能用簡單的“板狀裂縫模型”來描述。如圖4(b)所示，海洋泥質粉砂型儲層由于細粒物質含量較高，常具有孔隙迂曲度高、孔隙與喉道非均質性強等特點。前期研究發現，該類儲層經常會出現孔隙度與滲透率不配套(如高孔低滲)的現象，為此筆者假設將堆疊立方體模型中的“3”替換為冪指數“n”用于表征孔隙度的復雜程度(n值大小反映了沉積儲層類型及孔隙的復雜程度，將在后文敘述)，并根據“表面包裹型”(見圖4(b-1))和“孔隙填充型”(見圖4(b-2))兩種水合物模式，進一步推導了冪指數模型［29］(見表1)。

將南海神狐海域泥質粉砂樣品的滲透率數據(未考慮應力變化)代入冪指數模型，如圖5所示。結果表明，Masuda模型、平行毛細管模型、堆疊球模型及堆疊立方體模型對泥質粉砂型沉積物儲層的適用性均較差。相比較，采用冪指數模型(n值取30.712與27.870時分別代表“表面包裹型”和“孔隙填充型”兩種模式下的滲透率變化)，其預測結果與實驗數據的符合度較高，表明該模型可應用于泥質粉砂型沉積物儲層的滲透率動態變化預測［29］。

圖5 不同模型預測結果與泥質粉砂型沉積物樣品實驗數據的對比［29］

然而，上述提出的冪指數模型存在的主要問題是，該模型僅考慮了降壓過程中水合物分解正效應，這適用于大部分沒有圍壓或圍壓恒定的實驗條件。在實際儲層中，降壓分解后甲烷的產出會引起儲層的有效應力增高，進而導致滲流通道閉合、滲透率降低。因此，實際儲層滲透率的預測需要綜合考慮分解效應與效應力效應的耦合作用，在實際應用時，需要進一步推導新的滲透率模型。

2.3 分解正效應與有效應力負效應耦合及滲透率變化預測

如前所述，實際儲層降壓開采過程中，除水合物分解會導致滲透率增大外，孔隙壓力降低可導致有效應力增大，進而造成孔隙空間被壓縮而引起滲透率降低。這兩種效應對滲透率的影響效果相反(見圖6)，卻共同作用影響儲層滲透率的變化。本節將介紹考慮兩種效應的滲透率模型的構建及求解過程。

圖6 有效應力與水合物分解效應對表面包裹型水合物儲層孔隙系統 的影響示意圖

2.3.1 考慮兩種效應影響滲透率變化的假設模型構建

假設水合物儲層在降壓過程不發生骨架坍塌與破環，僅發生應力變形作用，那么水合物儲層滲透率受應力影響變化的公式可參考其他常規儲層適用的公式而表示為：

k(Sh)=kse-3cfΔσ

(6)

式中：cf為裂縫孔隙壓縮系數；Δσ為Sh階段有效應力與初始態有效應力的變化。

考慮到泥質粉砂型儲層孔隙結構復雜，將式(6)中“3”替換為冪指數模型中的“n”，得到不同孔隙復雜程度儲層中受有效應力控制的滲透率變化公式：

k(Sh)=kse-ncfΔσ

(7)

(8)

式(7)中，Δσ由兩部分應力變化構成，分別為導致孔隙被壓縮的有效應力(式(9)等號右邊第一項)和水合物分解造成的顆粒應變對應的有效應力(式(9)等號右邊第二項)：

(9)

式中：pp為Sh階段對應的孔隙壓力；pp0為初始態孔隙壓力；εh為水合物分解產生的應變(表面包裹型水合物)；E和ν分別為儲層基質的彈性模量和泊松比。

由應變定義得到εh為：

(10)

式中：α為顆粒與水合物總體的邊長；Δα為初始水合物飽和度Sh0到Sh產生的邊長變化(見圖6)；φ(Sh0)為Sh0時的孔隙度。

將式(8)～(10)整合帶入式(7)，能夠得到有效應力效應與水合物分解效應同時作用的滲透率模型：

(11)

式(11)提出的滲透率模型中共包含7個參數，分別為pp0、Sh0、φ(Sh0)、n、Sh、E及ν。其中pp0、Sh0、φ(Sh0)為常量參數，本次研究根據南海水合物儲層條件分別設定為4.0 MPa、10.22%和0.468；n按照粗粒和細粒儲層經驗賦值，一般介于3～35之間，本次研究中根據圖5的擬合結果取30.7；Sh、E及ν3個參數為變量參數，需要根據實驗數據進行求解。

2.3.2 基于實驗數據的模型變量參數的求解

本節將討論式(11)中Sh、E及ν3個變量參數的確定與求解過程。首先，Sh的值可與pp產生關聯，因而可由實驗數據線性回歸關系給出。本次研究獲得了南海水合物儲層降壓分解過程中Sh與pp關系，擬合結果如圖7所示。由圖7可知，Sh與pp進行的擬合度高達0.91，二者的關系可表示為：

圖7 泥質粉砂型沉積物樣品Sh與pp的關系

Sh= 0.053pp-0.095 8

(12)

式(12)可用于所研究儲層Sh的確定方法。值得指出的是，本次實驗研究中未對樣品施加圍壓，因此實驗的結果為未考慮有效應力的實驗結果。而式(12)是基于實驗數據獲得，也是沒有考慮有效應力影響的，因此Sh參數變化主要反映的是分解誘導正效應的作用。

其次，式(11)中E及ν是與有效應力效應有關的兩個參數。水合物儲層的特點在于，水合物的存在可以顯著提高沉積物的抗剪強度。在降壓分解過程中，含水合物沉積物試樣的力學強度受到有效圍壓和孔隙中水合物含量的綜合影響，因此正確確定不同水合物飽和度情形下E和ν的變化規律對于滲透率預測非常重要。由于本次研究并未開展不同飽和度下的水合物儲層應力應變實驗，因此本次研究借鑒前人實驗數據來給出這兩個變量參數的確定方法。張懷文［30］曾采用自制的覆膜砂與膨潤土混合試件開展了三軸應力實驗，分別獲得了E及ν隨不同有效應力(σe)及Sh變化的實驗結果。雖然張懷文研究所用試件與本次研究中的黏土粉砂巖沉積物樣品可能存在一定差異性，但是考慮到其研究也是模擬的南海北部泥質粉砂型沉積物地層，為簡化研究，本次研究中直接采用張懷文的力學實驗數據用于本次研究的滲透率預測模型的分析工作。

根據張懷文［30］的實驗數據，分別對E及ν隨σe和Sh的變化規律進行了擬合，結果如圖8所示。由此可得到降壓開采過程中σe與Sh同時變化的情形下E及ν的經驗表達式分別為：

(13)

(14)

最后，在獲取3個變量參數的求解后，結合4個常量參數pp0、Sh0、φ(Sh0)、n的值，式(11)即可用于兩種效應耦合影響滲透率變化的預測。

2.3.3 南海泥質粉砂型儲層降壓過程滲透率變化預測

根據式(11)和前文提到的實驗數據，得到了南海泥質粉砂型水合物儲層降壓開采過程中的滲透率變化預測結果，如圖9所示。結果顯示，對于神狐海域含水合物泥質粉砂型沉積物儲層而言，隨著降壓開采的儲層壓力(即pp)的降低，儲層有效應力逐漸增大，單純由有效應力效應導致的滲透率變化呈持續下降的趨勢，與傳統認知相符；相比較，單獨由水合物分解效應導致的滲透率變化則以“分解壓力”為限，表現為“降低-升高”兩個階段。其中，“分解壓力”定義為水合物降壓開采過程中，水合物開始發生分解時所對應的儲層壓力值，其值大小與不同天然氣水合物儲層的相平衡條件有關，本次研究基于南海泥質粉砂型巖心樣品的水合物分解模擬實驗，得出水合物分解壓力為3.2 MPa。

圖9 泥質粉砂型水合物儲層降壓開采中滲透率變化預測

受兩種耦合效應控制整個水合物儲層在降壓開采過程中，儲層氣體表觀滲透率呈現出“降低—升高—降低”三個階段，受“分解壓力”和“衰竭壓力”兩個關鍵壓力控制，簡稱為“三段、兩壓”控制理論。其中，“廢棄壓力”定義為天然氣水合物在儲層中分解完全所對應的儲層壓力值，其值大小與水合物儲層的巖土特性與物性等有關，本次研究中根據南海泥質粉砂型巖心樣品實驗獲得的廢棄壓力為1.8 MPa(見圖7)。

首先，在儲層壓力高于水合物分解壓力(3.2 MPa)時，理想條件下儲層中水合物未分解，為單純的排氣、排水或氣水同排階段，此時引起pp降低的壓力傳遞主要來自于儲層中產出的氣與水，因此此階段分解效應幾乎沒有影響，圖9中分解效應指示的滲透率輕微增高可能與該階段儲層中流體產出有關；在該階段氣水產出會導致儲層有效應力負效應持續發揮作用，因此該階段儲層氣體的總體表觀滲透率受有效應力控制呈持續下降的過程，如圖9中黑色線段所示。由于在該階段儲層中水合物未發生分解，儲層巖土骨架較完整，儲層孔隙通道或壓裂裂縫通道等主要受應力影響而發生部分閉合，因此該階段應以梯度(幅度)降壓為主，盡可能緩解應力敏感性對儲層的傷害，同時由于此時儲層機械力學強度較高，在保證降壓幅度的穩定情況下可適當提高降壓速率。

其次，當pp降至水合物分解壓力之下但仍高于儲層廢棄壓力(1.8 MPa)時進入水合物持續分解階段，此時水合物的發生持續分解同時儲層中的氣水大量不斷產出，導致儲層的孔隙/裂隙通道空間逐漸增大；該階段分解正效應的影響超過有效應力負效應影響，儲層氣體表觀滲透率呈現由降反升的快速“反彈”，如圖9中黑色線段所示。該階段的降壓開采策略對水合物儲層的最終采收率、排采效率及采氣速度等至關重要。特別在分解壓力附近時，水合物由未分解到開始分解發生突變，儲層的骨架和機械力學強度都會發生不同程度變化，此時應該以較低的降壓幅度和緩慢穩定的排采速度進行排采，以避免出砂、傳熱不均導致的井筒附近結冰等儲層“過激”反應。同時，當水合物開始持續大量分解后，儲層內的流體場會發生顯著的變化，此時宜保持較低降壓幅度，同時適當增加排采速度，以防止儲層及井筒附近二次水合物生成等不良現象發生，整個降壓排采階段應該以穩定降壓策略為主，盡量保證儲層骨架的持續完整、儲層熱及壓力傳導的穩定性、氣水產出的流暢性等。

最后，當pp降至水合物儲層廢棄壓力之下時(<1.8 MPa)，此時假設所研究的儲層段的水合物已基本分解完全，但該儲層段仍會接收來自儲層遠端水合物分解產生的游離氣和水的不斷補充，水合物層的排采可能持續進行。在該階段，隨著持續壓降的發生，所研究儲層段的滲透率將主要受有效應力負效應主導，儲層氣體表觀滲透率呈持續下降的過程(見圖9)。此階段應保持緩慢持續降壓的策略，盡量擴大壓降漏斗在儲層中的傳播范圍，以提高最終的氣體采收率。

雖然本次研究提出了一種適用于南海神狐海域的水合物儲層滲透率動態變化預測方法，但是本次研究為初次探索性研究，在實驗條件和數學分析過程方面都存在許多嚴重的不足，本次研究的局限性主要有：①文中推導的耦合滲透率變化模型是基于“表面包裹型”水合物儲層類型；然而，實際儲層中“孔隙填充型”水合物儲層可能更為普遍，需要進一步研究針對該類儲層或者復合儲層類型的滲透率預測模型；②文中的水合物儲層滲透率模擬實驗主要考慮了水合物飽和度低于15%的情形，針對實際高水合物飽和度儲層的模型還需要進一步研究；③由于實驗難度較大，本次研究中未進行不同水合物飽和度情景下的巖石力學分析實驗，而是直接采用張懷文的實驗數據，可能會一定程度影響滲透率有效應力影響部分的模型結果，但本次研究給出的預測總變化趨勢仍具有普遍意義；④本次研究耦合分析了有效應力效應與分解效應，然而沒有考慮儲層的傳熱效應及其他場效應的耦合，這也是后續研究的主要方向?？傮w上，進一步完善水合物儲層滲透率變化預測，并針對性制定科學合理的壓降速率和壓降幅度方案，可為進一步提高水合物單井產量、實現經濟化開采提供理論指導。希望本次研究形成的初步認識，可為我國南海神狐海域水合物開采降壓策略的制定提供一定的理論借鑒與參考。

3 結論與建議

本次研究采集了南海神狐海域泥質粉砂儲層沉積物，并根據實際水合物儲層特征制作了人造巖心樣品，進一步開展了基于核磁共振的水合物分解誘導滲透率動態變化模擬實驗，提出了適用于泥質粉砂型水合物儲層的、同時考慮有效應力與水合物分解兩種效應的滲透率變化預測模型。研究取得如下結論和認識：

1)提出了基于核磁共振動態測量進行巖心三軸應力條件下的水合物分解誘導滲透率變化物理模擬實驗方法。其中，分解過程中水合物的飽和度變化可通過核磁監測的水信號的變化量和水合物的水和度指數求取，同時核磁共振可定量監測樣品中水流體信號變化，為分解過程中滲透率實時測量提供條件。

2)以傳統的堆疊立方體模型為基礎，進一步推導了新的堆疊冪指數模型，能夠表征真實復雜孔隙系統中由于水合物分解效應所導致的滲透率變化規律。該模型的提出解決了泥質粉砂等細粒沉積物中水合物滲透率變化預測的技術難題。

3)基于“水合物分解正效應”和“有效應力增加負效應”的耦合分析，推導了兩種效應耦合作用下的泥質粉砂等細粒水合物儲層滲透率變化預測模型，該模型可應用于現場儲層滲透率變化的動態預測。

4)提出了水合物降壓開采過程中的“三段、兩壓”控制理論：水合物儲層降壓開采全生命周期中儲層氣體表觀滲透率呈“降低—升高—降低”變化過程，“反彈”點發生在“分解壓力”附近。受“分解壓力”和“衰竭壓力”兩個關鍵壓力所控制：①在達到分解壓力之前宜采用梯度(幅度)降壓測量，在盡量緩解應力敏感性的前提下適當提高降壓速率；②在分解壓力附近，宜適當降低降壓幅度，采取緩慢穩定的排采策略，避免出砂、結冰等儲層“過激”反應；③當降至分解壓力之下后，水合物持續大量分解，此時宜保持較低降壓幅度，同時適當增加排采速度，以防止井筒附近“二次水合物生成”等不良現象發生；④當降至棄壓力之下時，應保持緩慢持續降壓策略，盡可能擴大壓降漏斗的傳播范圍，以提高最終氣體采收率。

5)本次研究中的模擬實驗、收集實驗數據和分析過程均最大限度的模擬了南海神狐海域水合物儲層開采的實際情況。但由于研究尺度與南?，F場降壓開采差別較大，同時研究中未考慮儲層傳熱效應、出砂效應、二次水合物生成效應等的影響，其結論可能存在一定的局限性。后續研究需要開展更大尺度水合物降壓開采模擬，同時考慮傳熱等多場效應的耦合機理分析，針對整個降壓分解過程，特別是“分解壓力”附近水合物的降壓開采方案進行攻關研究，以期為提高南?，F場水合物開采單井產量和實現經濟化開采提供理論保證。

致謝：感謝廣州海洋地質調查局在樣品采集過程中的支持。