張永超，劉昌嶺，劉樂樂，陳鵬飛，張準(zhǔn)，孟慶國(guó)

1.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 2660713.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074

天然氣水合物是水和甲烷在低溫高壓環(huán)境下形成的類冰狀物質(zhì)，具有分布范圍廣、資源量大等特點(diǎn)[1-5]。由于水合物主要賦存于沉積物的孔隙空間中，深刻理解其微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)于水合物的勘探和開發(fā)十分重要[6-7]。由于天然樣品獲取和保存困難，多數(shù)針對(duì)含水合物沉積物物性的研究是通過實(shí)驗(yàn)室人工合成樣品完成的[8]。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天然氣水合物在沉積物孔隙中呈現(xiàn)非均質(zhì)分布，且會(huì)由于沉積物物性和制樣條件的影響呈現(xiàn)不同的賦存特征[9]。天然氣水合物生成過程中水合物飽和度的增加，會(huì)導(dǎo)致水合物的賦存特征（例如賦存位置、賦存形態(tài)和賦存量）發(fā)生變化，同時(shí)使得樣品孔隙尺寸、孔隙分布規(guī)律、有效孔隙度、滲透率等宏微觀物性特征發(fā)生明顯改變[10-14]。

核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）技術(shù)是含水合物沉積物微觀探測(cè)的有效手段，具有響應(yīng)快、分辨率高、無損傷的特點(diǎn)；其基本測(cè)量原理是：不同種類和相態(tài)物質(zhì)中目標(biāo)質(zhì)子的含量、晶格狀態(tài)不同，因而發(fā)生核磁共振作用的馳豫響應(yīng)有所差異[12,15]。Kleinberg等[16]較早地將NMR方法用于氣體水合物生成過程的研究中，發(fā)現(xiàn)氣體水合物更傾向于在尺寸較大的孔隙內(nèi)生成，氣體水合物的生成會(huì)導(dǎo)致沉積物滲透率的減小。陳合龍等[17]通過1H譜NMR監(jiān)測(cè)了二氧化碳水合物在石英砂中的生成和分解過程，并依據(jù)水合物的馳豫特征推斷二氧化碳水合物在孔隙中的賦存形態(tài)主要為懸浮型或膠結(jié)型[18]。低場(chǎng)核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance,LFNMR）技術(shù)和NMR技術(shù)的測(cè)量原理相同，但其靈活度更高、成本更低、測(cè)量也更為迅速。Ge等[19]利用LFNMR的橫向弛豫時(shí)間（T2）特征譜分析了甲烷水合物的生成和分解過程，發(fā)現(xiàn)水合物生成過程中T2在大于 10ms的區(qū)間內(nèi)信號(hào)下降明顯；水合物的飽和度和分解速率與樣品孔隙度的相關(guān)性較強(qiáng)。Ji等[20]利用相似的方法研究了甲烷水合物分布狀態(tài)對(duì)有效滲透率的影響，發(fā)現(xiàn)水相滲透率與水合物飽和度之間的關(guān)系受水合物非均質(zhì)分布情況影響很大。需要指出的是，1H譜NMR和LFNMR在進(jìn)行甲烷水合物體系的監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)受到甲烷氣中1H信號(hào)干擾，尤其是在甲烷壓力較高的情況下影響更為嚴(yán)重[21]，這會(huì)導(dǎo)致其測(cè)量結(jié)果不能完全體現(xiàn)水相含量的變化。此外，現(xiàn)有基于NMR或LFNMR的水合物物性研究尚存在兩個(gè)方面的不足：一是缺少含水合物沉積物微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量分析和表征，這些特征包括孔隙尺寸、孔隙尺寸分布等；二是諸多滲透率預(yù)測(cè)模型（包括SDR模型[16,22]、Kozeny-Carman模型[23]、分形模型[24]）均是基于含水合物沉積物的基礎(chǔ)物性對(duì)儲(chǔ)層的滲透率特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，哪種模型能夠更好地體現(xiàn)沉積物孔隙結(jié)構(gòu)與滲透率間的關(guān)系尚不明確。

利用氙氣進(jìn)行水合物測(cè)試能夠有效避免1H信號(hào)干擾問題，同時(shí)生成速度更快、更易操作。本研究選取氙氣水合物為研究對(duì)象，分析了3組人造砂樣在水合物生成過程中的孔隙結(jié)構(gòu)特征演化規(guī)律，具體特征參數(shù)包括相飽和度、孔隙尺寸、孔隙尺寸分布等；以實(shí)驗(yàn)獲得的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對(duì)比了3種滲透率預(yù)測(cè)模型（SDR模型、Kozeny-Carman模型、分形模型）在水相滲透率預(yù)測(cè)方面的表現(xiàn)。所得研究結(jié)果能夠?yàn)楹烊粴馑衔飪?chǔ)層評(píng)價(jià)和開發(fā)方案制定提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的水合物專用LFNMR測(cè)試系統(tǒng)（圖1）完成。反應(yīng)釜腔室由鋁合金材料制成的環(huán)腔和PEEK材料構(gòu)成的可拆卸樣品塞組成，工作壓力上限為15 MPa。反應(yīng)釜控溫儀的控溫范圍為?10～30 ℃，控溫精度為0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)中使用FC-40型電子氟化液（美國(guó)3M公司提供）控制反應(yīng)釜的溫度和環(huán)腔壓力。實(shí)驗(yàn)采用3組由不規(guī)則石英砂制成的人造砂樣完成（編號(hào)為樣品1、樣品2、樣品3）。每種石英砂首先壓實(shí)填充入熱縮管中，兩端用PEEK樣品塞封堵后，利用熱縮管的加熱變形性質(zhì)進(jìn)行樣品密封。3種樣品的基礎(chǔ)物性參數(shù)如表1所示。樣品長(zhǎng)度的差異對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。實(shí)驗(yàn)采用去離子水和純度為99.9%的氙氣進(jìn)行水合物樣品生成。

在水合物生成實(shí)驗(yàn)前，先通過真空飽和法對(duì)樣品進(jìn)行水飽和，然后進(jìn)行初次LFNMR掃描。通過稱重法測(cè)得的每組樣品的初始含水飽和度分別為44.8%、37.5%、42.1%。該狀態(tài)下的初始飽和度可認(rèn)為是沉積物的絕對(duì)孔隙度。初次掃描后，使用氙氣驅(qū)替飽和樣品，使樣品的含水飽和度達(dá)到50%～60%。采用過量氣法[9]進(jìn)行氙氣水合物生成模擬，模擬的溫度和初始?jí)毫Ψ謩e設(shè)定為278 K和2.0 MPa。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)釜壓力變化，待反應(yīng)釜壓力基本不變時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。LFNMR測(cè)量采用CMPG（Car-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列完成，測(cè)量的譜儀頻率為21 MHZ，磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5 T。脈沖重復(fù)間隔時(shí)間和回波間隔時(shí)間為5000ms和0.4ms。為保證成像質(zhì)量，測(cè)量的掃描次數(shù)和回波數(shù)設(shè)定為8和10000。單次LFNMR掃描的總耗時(shí)約為58 s，實(shí)驗(yàn)中每間隔30min進(jìn)行一次掃描。實(shí)驗(yàn)設(shè)定下，所得T2馳豫時(shí)間對(duì)應(yīng)的孔隙尺寸分辨率約為10 nm。

圖1 水合物用LFNMR測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the LFNMR experimental system used for hydrate testing

表1 測(cè)量沉積物樣品基礎(chǔ)物性參數(shù)Table 1 Physical properties of sedimentary samples for testing

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 飽和水狀態(tài)下的樣品T2特征譜Fig.2 T2 spectrum of the tested samples in the water-saturated state

圖3 水合物生成過程中反應(yīng)釜內(nèi)的壓力變化Fig.3 The changes of pressure in the reactor during the formation of hydrate

圖2展示了3組樣品在飽和水狀態(tài)下的LFNMR測(cè)量結(jié)果，圖中縱坐標(biāo)為水中1H信號(hào)振幅，橫坐標(biāo)為T2弛豫時(shí)間，該結(jié)果反映了樣品中所有孔隙空間的弛豫響應(yīng)。依據(jù)LFNMR測(cè)量原理，孔隙中流體的馳豫表現(xiàn)受3個(gè)方面因素的影響，即自由馳豫、表面馳豫和擴(kuò)散馳豫。在沉積物孔隙較小、氣水共存的情況下，自由馳豫和擴(kuò)散馳豫的作用可以忽略，介質(zhì)表面T2馳豫時(shí)間可以表征為[15,17]

式中，Vp/Sp為孔隙體積與表面積的比值；在應(yīng)用中，可以將孔隙視作球形，Vp/Sp=r/3，r為孔隙半徑； ρ2為礦物橫向表面弛豫率。由公式1可知，在沉積物表面弛豫率不變的條件下，T2馳豫時(shí)間與孔隙半徑滿足正比例關(guān)系，即測(cè)得的T2馳豫時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)孔隙的等效半徑越大。因而由圖2可知，樣品1和樣品3的最大孔隙半徑大于樣品2，同時(shí)樣品2和樣品3的最小孔隙半徑略小于樣品1。圖3展示了氙氣水合物生成過程中反應(yīng)釜內(nèi)壓力的變化。由圖可知，隨著孔隙中水合物的生成，反應(yīng)釜內(nèi)壓力逐漸下降；樣品3的壓力下降速度變化不大，樣品1、樣品2在水合物生成前期下降速率較快，在生成后期壓降速率逐漸變慢，表明樣品1和樣品2在水合物生成前期的生長(zhǎng)速率較快；3組樣品的壓力均最終穩(wěn)定在0.4 MPa左右，表明該條件下樣品內(nèi)水合物的生成基本達(dá)到穩(wěn)定。

圖4展示了氙氣水合物生成0～390min時(shí)間段內(nèi)3組樣品的T2特征譜連續(xù)變化，這些T2特征譜反映了沉積物孔隙水中1H的馳豫信號(hào)分布。圖中縱坐標(biāo)為1H的信號(hào)強(qiáng)度，下橫坐標(biāo)為T2弛豫時(shí)間，上橫坐標(biāo)為根據(jù)公式1計(jì)算得到的孔隙（被水所占據(jù)的孔隙）半徑。在孔隙半徑的換算中，3組樣品的ρ2為30 μm/s[25]。由圖4可知，樣品1、樣品2和樣品3中被水占據(jù)孔隙的半徑分別分布于0.1～96.5，0.06～48.5、0.03～127.6 μm；水合物生成所引起的水相體積變化主要發(fā)生在孔隙大于1 μm的孔隙空間中，而小于1 μm孔隙中的水很難生成水合物。造成該現(xiàn)象的原因可能是小孔隙中的水多為束縛水狀態(tài)，水的活度更低，不利于液態(tài)水向固態(tài)水合物的轉(zhuǎn)變；或是小孔隙中的水與氙氣之間的接觸關(guān)系較差，缺少生成水合物的條件[26]。需要說明的是，T2特征譜僅能反映樣品中被水占據(jù)孔隙體積的整體分布情況；在水合物生成過程中，樣品孔隙的體積會(huì)由于水合物的生成而發(fā)生改變，因而通過圖4無法求取某特定孔徑范圍內(nèi)孔隙中水含量的變化。同時(shí)，上文提及的孔徑值均是在球形孔隙假設(shè)條件下得到的，Vp/Sp取值不同時(shí)上述估算的孔徑值可能有所差別。

圖4 水合物生成過程中T2特征譜變化Fig.4 The changes of T2 spectra during the formation of hydrate in the tested samples

3 討論與分析

3.1 相體積特征變化

在沉積物顆?？臻g形態(tài)保持不變的條件下，樣品中的含水飽和度（Sw）可根據(jù)特定時(shí)刻的T2與初始水飽和狀態(tài)下的T2之間的關(guān)系[19]得到（公式2），

式中，Ai和Aini分別表示水合物不同生成時(shí)間和初始水飽和狀態(tài)下的T2曲線與X軸包裹的區(qū)域面積。在氙氣水合物的生成過程中，部分氙氣和水會(huì)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的水合物。根據(jù)質(zhì)量守恒原則，參與水合物生成的水在水合物生成前后的質(zhì)量保持不變，可以得到如下公式：

式中，氙氣的分子質(zhì)量MXe為131.3，水的分子質(zhì)量

Mw為 18.0，水的密度（ ρw）為1.0 g/m3；氙氣水合物在278 K的溫度下的密度（ ρh） 和平均水合物指數(shù)（Dhi）采用Takeya等[27]的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，分別為1.8 g/m3和5.94。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下得到的氙氣水合物密度和水合指數(shù)與所用數(shù)值可能有所差別。將上述參數(shù)代入公式3，計(jì)算得到1體積的水生成氙氣水合物后的體積Vr約為1.24體積。據(jù)此，水合物飽和度（Sh）和含氣飽和度（Sg）的計(jì)算公式為：

由上述公式計(jì)算得到的氙氣水合物生成過程中三相飽和度的結(jié)果如圖5所示。由圖可知，在氙氣水合物生成的過程中，水合物飽和度快速上升，含水飽和度快速下降，氙氣飽和度也有下降但幅度較小。樣品1和樣品2在水合物生成的前期水合物飽和度上升較快，后期逐漸放緩；而樣品3的水合物飽和度整體上升速率較為均一，后期略有放緩；該結(jié)果與圖3中的壓力變化結(jié)果具有較好的一致性。樣品1、樣品2和樣品3在390min時(shí)達(dá)到的最大水合物飽和度分別為65.4%、52.1%和49.1%。理論上，水合物的生成速率受諸多因素的影響[28]。在本研究中供氣充足、初始相平衡壓力差一致的條件下，水合物的生成還會(huì)受到初始含水分布、介質(zhì)連通狀態(tài)的影響，如樣品3中相飽和度的變化特征可能是由樣品孔隙的連通性較差所致。

圖5 水合物生成過程中相飽和度的變化Fig.5 The changes of phase saturation during the formation of hydrate in the tested samples

依據(jù)壓力變化數(shù)據(jù)和水合物飽和度數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到水合物生成速率與相平衡壓差之間的關(guān)系（圖6）。該處水合物生成速率計(jì)算為水合物體積增長(zhǎng)量與相鄰測(cè)量時(shí)間間隔（30min）的比值；相平衡壓差為實(shí)際壓力與氙氣水合物在測(cè)量溫度下的相平衡壓力（約為0.4 MPa[27]）間的差值。由圖6可知，隨著水合物生成，樣品體系的相平衡壓差逐漸減小，水合物的生成速率也逐漸降低；水合物生成速率與相平衡壓差之間為正相關(guān)關(guān)系。Kim等[29-30]提出的Kim-Bishnoi分解動(dòng)力學(xué)模型認(rèn)為，水合物的分解速率與相平衡壓差、分解比表面積成正比。從圖6來看，相平衡壓差確為水合物生成的主要驅(qū)動(dòng)力之一。水合物的生成速率同時(shí)可能受到水合物比表面積的影響，但從T2圖譜中無法獲取水合物與流體相之間的接觸關(guān)系，故無法進(jìn)一步判定水合物生成速率與比表面積間的定量響應(yīng)。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征變化

由于水合物在沉積物孔隙中以固相形式存在，水合物生成過程中產(chǎn)生的水合物會(huì)占據(jù)流體相空間，引起沉積物孔隙結(jié)構(gòu)的變化。1H譜LFNMR測(cè)量能夠反映水相孔隙空間信息，但無法區(qū)分氣體和水合物。因而，下文所進(jìn)行的孔隙特征分析均是針對(duì)被水占據(jù)的水相孔隙空間，所得結(jié)果并不能完全反映所有流體相空間的結(jié)構(gòu)變化。圖7展示了水合物生成過程中水相孔隙空間的最大/小孔隙半徑、平均孔隙半徑的變化。由圖可知，水合物生成過程中水相孔隙空間的最大孔隙半徑和平均孔隙半徑逐漸減??；最小孔隙半徑有先減小后增大的趨勢(shì)，但整體的振幅小于0.1 μm；水合物生成的整個(gè)過程中，3組樣品最大孔隙半徑的降幅均為75%左右，平均孔隙半徑的降幅分別為77.8%、74.2%、58.1%；最大孔隙半徑與水合物生成時(shí)間之間呈近似對(duì)數(shù)關(guān)系，生成前期最大孔隙半徑下降速率較快，后期逐漸變慢。這些孔隙尺寸的變化規(guī)律，可以為其他物性預(yù)測(cè)提供重要的基礎(chǔ)參數(shù)[31-32]。

為定量闡釋水合物生成過程中水相孔隙尺寸分布特征的變化，本文引入分形系數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析。分形系數(shù)是分形理論中最重要的參數(shù)，可用于描述不規(guī)則、高度復(fù)雜體系的形態(tài)分布特征[33-35]。本研究從分形系數(shù)的基本定義出發(fā)，推導(dǎo)了基于NMRT2時(shí)間確定分形系數(shù)的方法，具體展示如下：

根據(jù)分形理論，多孔介質(zhì)的累計(jì)孔隙分布服從[34]

N(＞r)為 半徑大于r的孔隙的數(shù)目，rmax為最大孔隙半徑。對(duì)公式5取微分，得到孔隙分布函數(shù)f(r)[35]。

將沉積物孔隙視作球狀，樣品孔隙空間的體積可以計(jì)算為

圖6 水合物生成速率與相平衡壓差之間的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the hydrate formation rate and the phase equilibrium pressure difference

由于T2時(shí)間反映了水相體積信號(hào)的強(qiáng)度，因而半徑為r0的 孔隙體積（Vr0）可以表示為

式中，Ar0和Asum分 別代表半徑為r0和所有孔隙T2的信號(hào)面積。由此，半徑為r0的孔隙的數(shù)目為

將公式5兩端取對(duì)數(shù)，得到

將公式1、9代入公式10，得到

式中，C為常數(shù)， W′為T2曲線中對(duì)應(yīng)半徑＞r0的孔隙所占的體積分?jǐn)?shù)，T2為半徑為r0的孔隙所對(duì)應(yīng)的T2振幅。擬合W′與T2在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中曲線的斜率，可確定該狀態(tài)下孔隙的分形系數(shù)。

圖7 水合物生成過程中水相孔隙尺寸參數(shù)變化Fig.7 The changes of pore-size parameters in the water-phase pores during the formation of hydrate

圖8 水合物生長(zhǎng)過程中水相孔隙分形系數(shù)的變化Fig.8 The changes of fractal dimension in the water-phase pores during the formation of hydrate

圖8展示了氙氣水合物生成過程中水相孔隙分形系數(shù)變化。為了更好地展現(xiàn)不同生成時(shí)間孔隙分形系數(shù)的差別，圖8中刪減了測(cè)得曲線的數(shù)量，相鄰曲線的時(shí)間間隔為60min。由圖可知，在水合物生成的過程中，3組樣品中被水所占據(jù)孔隙的分形系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；樣品1、樣品2和樣品3的分形系數(shù)變化范圍分別為2.197～2.694、2.174～2.808、2.046～2.532。分形系數(shù)的變化是由水合物生長(zhǎng)的非均質(zhì)性造成的：水合物主要在沉積物中的較大孔隙中生成，造成這些大孔隙的有效孔隙空間減小；而原有較小孔隙空間體積保持不變，其體積相對(duì)比例升高。這種變化反映在圖8中表現(xiàn)為：隨水合物生成時(shí)間的增加，橫坐標(biāo)右側(cè)曲線值減小，而橫坐標(biāo)左側(cè)區(qū)域曲線值增大，最終導(dǎo)致整體曲線斜率增加。

3.3 水相滲透率變化

滲透率是水合物開發(fā)研究中的關(guān)鍵參數(shù)，控制著孔隙空間中的流體流動(dòng)，會(huì)影響水合物開采過程中的壓力和產(chǎn)氣效率[36]。受限于探測(cè)手段和實(shí)驗(yàn)方法，現(xiàn)有針對(duì)含水合物沉積物滲透率的研究多是針對(duì)單相的水相滲透率[35,37]。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)含水合物沉積物滲透率的關(guān)鍵是提取能夠體現(xiàn)沉積物微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的有效參數(shù)并建立這些參數(shù)與滲透率之間的定量關(guān)系。常用的含水合物儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)方法包括Schlumberger-Doll Research（SDR）模型[16,22]和Kozeny-Carman（KC）模型[23]。分形方法也可用于含水合物儲(chǔ)層的滲透率預(yù)測(cè)[38-40]。筆者在之前的研究中，推導(dǎo)了含水合物儲(chǔ)層的水相滲透率預(yù)測(cè)分形模型[24]，該模型考慮了水合物飽和度和微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水相滲透率的影響。本研究將基于前文LFNMR物性分析結(jié)果，對(duì)比上述3種滲透率模型在水合物生成過程中水相滲透率預(yù)測(cè)上的表現(xiàn)，所用公式和參數(shù)含義見表2。需要說明，由于無法通過LFNMR方法獲取氣相孔隙空間的分布數(shù)據(jù)，本部分計(jì)算中氣體所占據(jù)的孔隙體積假設(shè)為死體積，在水合物的生成過程中保持不變（圖5）且不參與流動(dòng)；SDR模型中ρ2的取值為30 μm/s；KC模型中的有效孔隙度和分形模型中的分形系數(shù)的取值參見章節(jié)3.2；為方便對(duì)比，對(duì)3種模型的水相滲透率結(jié)果進(jìn)行了歸一化處理。

表2 不同滲透率計(jì)算模型的計(jì)算公式和參數(shù)含義Table 2 Formulas and parameters employed in different permeability prediction models

圖9 基于不同滲透率預(yù)測(cè)模型得到的水合物生成過程中水相滲透率計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation results of water-phase permeability during the formation of hydrate obtained from different permeability prediction models

依據(jù)不同預(yù)測(cè)模型得到的水相滲透率計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖可知，3種方法預(yù)測(cè)的水相滲透率隨水合物飽和度的變化趨勢(shì)基本一致：隨著水合物飽和度的增加，水相滲透率逐漸減??；水合物生成初期，水相滲透率迅速下降，水合物生成后期，水相滲透率減小逐漸變緩。不同之處在于，基于SDR模型和分形模型的水相滲透率預(yù)測(cè)結(jié)果在水合物生成前期的下降速率明顯小于KC模型；KC模型在水合物飽和度0～20%范圍內(nèi)下降更為明顯，隨后基本保持不變。3組樣品的計(jì)算結(jié)果在SDR模型和KC模型中區(qū)別不大，而在分形模型中，樣品3的水相滲透率在水合物生成前期下降速率更快，樣品1的水相滲透率在水合物生成后期下降速率更慢，3組樣品的歸一化水相滲透率具有明顯差別。從模型對(duì)比角度來看，分形模型更能體現(xiàn)不同樣品中孔隙結(jié)構(gòu)演化的差別。而在SDR模型和KC模型中，水合物生成過程中的孔隙結(jié)構(gòu)變化主要通過T2特征譜的對(duì)數(shù)平均值和平均有效孔隙度來體現(xiàn)，這種處理不可避免地會(huì)引起孔隙結(jié)構(gòu)因素對(duì)滲透率的影響被過度簡(jiǎn)化。因而，通過LFNMR手段獲取含水合物沉積物的孔隙結(jié)構(gòu)特征，并利用分形方法進(jìn)行相滲透率計(jì)算，在水合物儲(chǔ)層的滲透率預(yù)測(cè)中可能具有更好的適用性。

3.4 存在的問題及建議

本研究利用LFNMR方法對(duì)氙氣水合物的生成過程進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，并分析了該過程中沉積物的孔隙結(jié)構(gòu)和水相滲透率的演化規(guī)律。但由于LFNMR方法無法區(qū)分沉積物體系中的氣體相和水合物相，研究?jī)H能得到被水占據(jù)孔隙空間的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，并推測(cè)氣相和水合物相的整體含量變化。從這個(gè)意義上來說，本文的研究尚不完整?；诂F(xiàn)有認(rèn)識(shí)，筆者提出以下建議，以期為領(lǐng)域內(nèi)其他學(xué)者的研究提供參考和幫助。

（1）采用LFNMR和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）聯(lián)合測(cè)量的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)含水合物沉積物中各相的區(qū)分，并可對(duì)水合物的賦存形態(tài)特征進(jìn)行描述，彌補(bǔ)單一測(cè)量方法的不足。

（2）在考慮沉積物有效孔隙的結(jié)構(gòu)特征變化的基礎(chǔ)上，建立能夠體現(xiàn)沉積物中氣相、水相的流動(dòng)表現(xiàn)的兩相滲透率模型，對(duì)水合物資源的高效開發(fā)有更直接的指導(dǎo)意義。

（3）本研究中發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下小孔隙中的水很難參與水合物的生成，并通過公式（1）估算得到該水合物生成孔隙下限約為1 μm；但在天然地質(zhì)條件下具有更小孔隙半徑的泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層也可以作為水合物賦存的重要介質(zhì)[43-44]。這兩者之間的矛盾可能與小孔隙對(duì)孔隙水的束縛作用以及水合物形成的時(shí)間尺度有關(guān)，相關(guān)研究還有待進(jìn)一步開展。

（4）此外，本研究在基于T2譜進(jìn)行物性特征反演時(shí)，沉積物固體界面的表面弛豫率設(shè)定為均一值，而在真實(shí)情況下水合物-水界面的表面弛豫率與砂-水界面的表面弛豫率可能并不相同[25]。但純水合物-水界面的表面弛豫率很難直接通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。在未來的工作中，基于更準(zhǔn)確的含水合物沉積物界面表面弛豫率表征能夠得到更好的物性分析結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）水合物不同生成階段的水合物生成速率具有明顯差別：生成前期水合物生成速率較快，后期逐漸減慢。粒度分布不同的樣品中的水合物生成速率變化有所差別。水合物生成過程中，水合物飽和度和含水飽和度變化明顯，氣相飽和度變化不大。水合物的生成位置主要為沉積物中較大孔隙，半徑較小的孔隙中很難生成水合物。

（2）水合物在孔隙中的非均質(zhì)生長(zhǎng)行為，造成沉積物最大孔隙半徑和平均孔隙半徑隨水合物含量增加而減小，同時(shí)引起孔隙尺寸分布規(guī)律的變化。依據(jù)T2譜確定的沉積物孔隙分形系數(shù)結(jié)果表明，分形系數(shù)隨水合物含量的增加而增大。

（3）沉積物孔隙尺寸和分布的變化進(jìn)一步導(dǎo)致沉積物滲透率的變化，水相滲透率隨水合物飽和度的增加呈現(xiàn)先迅速下降后緩慢下降。相較于SDR模型和KC模型，分形模型在含水合物沉積物的滲透率預(yù)測(cè)方面更能體現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)水相滲透率的影響。