沉积物中天然气水合物生成过程的二维电阻层析成像观测

李彦龙 孙海亮 孟庆国 刘昌岭 陈 强 邢兰昌

1. 自然资源部天然气水合物重点实验室·青岛海洋地质研究所 2. 青岛海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室3. 中国地质大学（武汉） 工程学院 4.中国石油大学（华东）信息与控制工程学院

0 引言

通过室内模拟实验模拟储层中天然气水合物（以下简称水合物）的合成—分解过程及其物性演化规律，是揭示野外实际水合物储层响应规律的重要途径[1-2]。针对水合物成藏—开采过程中储层物性参数的实时在线监测逐渐成为水合物室内模拟的重要研究方向之一[3]。其中，电阻率是指示储层中水合物赋存位置、估算水合物资源潜力的重要参数之一[4-9]。目前基于电阻率参数评价沉积物体系中水合物生成/分解规律的通常做法如下：①在沉积物内部安装测量电极，通过电极测量的局部电阻率近似表示整个沉积物内部的平均电阻率变化规律[10-12]；②在沉积物内部多点设置测量电极，基于多点电极测量结果，应用数学插值法近似计算沉积物内部不同区域的电阻率，从而获取沉积物内部的电阻率场分布规律[13-14]。

上述方法已在水合物合成—电阻率参数响应机理研究方面取得了突出成效，但是其测量结果仍然受制于以下两种因素的制约：①内置于沉积物内部的电学参数测量探头或多或少对沉积物产生干涉，因而测量结果受干扰程度较大；②内置式多点电阻率测点独立工作，采用多点测量结合数学插值方式近似反演沉积物内部电场变化规律需要大量的测点内置，然而这在实际有限的反应釜尺寸条件下是不可能的。电阻层析成像（ERT）技术作为一种无损、非侵入式的在线观测手段，可以有效弥补上述测量扰动[15-16]，因而在水合物合成、分解过程在线指示方面具有独特的优势[17-19]。Walsh[20]在无沉积物、气—水流动条件下初步验证ERT技术能够定性识别反应釜内水合物的生成与否；德国亥姆霍兹波茨坦中心基于SUGER计划初步建立了能够应用于沉积物中水合物空间分布观测的ERT观测装备及方法[21-22]，并开展了水合物空间分布观测实验，但详细的数据反演方法与具体实验数据未见报道。

笔者利用天然海滩砂为沉积物介质，引入ITS电阻层析成像测试仪，通过自主研发配套的高压低温控制系统，模拟初始饱和盐水沉积物中水合物的合成过程，通过电阻层析成像测试结果观测水合物在沉积物截面上的生成位置和非均质性，以期为岩心尺度的沉积物介质中水合物分布规律在线监测提供新的技术手段，并为水合物成藏过程模拟提供支撑。

1 实验过程

1.1 实验装置及材料

图1 水合物电阻层析成像模拟装置流程图

水合物电阻层析成像原位监测实验装置的基本流程图如图1所示。基于ITS层析成像仪，研发了水合物模拟实验专用高压反应釜、气体供给系统、温控系统及测量系统。气体供给系统主要由高压甲烷气瓶、增压泵、质量流量控制器等组成，用于向高压反应釜中注入合成水合物所需的甲烷气体；高压反应釜本体由耐压尼龙制成，在耐压尼龙反应釜内壁的同一高度安装16个金属测量电极，其均匀分布构成电阻层析成像测量电极组件。反应釜外围包裹真空保温层并封装测量系统所需的ITS测量电极，反应釜内部规格为 Ø50 mm×360 mm，耐压 15 MРa。

该装置中ITS测量电极组件安装在反应釜内壁高程2/3的位置，是主要的测量单元，测量系统通过16芯高压低温电缆与ITS层析成像采集仪及相应的数据处理单元连接。实际测量过程中，利用相邻2个电极注入电流，然后测量其他14个电极每相邻2个电极之间的感应电压值，因此1次激励能够获得电极所在平面不同位置处的104个电压值。利用不同位置处的电压换算得到不同位置的电导率分布值，利用线性反投影算法[23-24]获取电阻层析成像测量电极所在截面的二维电导率分布图像，进而通过相关的地球物理模型推断水合物在沉积物截面上的生长和分布规律。

本实验采用纯度为99.99%的甲烷气体合成水合物，采用天然海砂模拟水合物赋存介质，沉积物粒径为0.05～0.85 mm，其中以中细砂（粒径为0.1～0.5 mm）为主（比例超过93%），粒度中值D50=0.31 mm。手动压实条件下测算松散沉积物孔隙度为41%[25]，采用质量浓度为2.5%的NaCl溶液模拟孔隙水。

1.2 实验步骤

1）试漏、安装仪器，然后称量900 g经过洗净、烘干处理的沉积物样品；加入质量浓度为2.5%的NaCl溶液饱和，溶液中不添加任何水合物生成促进剂/抑制剂。将沉积物与盐水溶液充分混合搅拌后，在过饱和状态下装入反应釜内部并适当压实，密闭静置24 h，用针管抽取沉积物上部析出的盐水溶液，使起始条件下沉积物含水饱和度为100%；沉积物填装过程中保证其上端面距反应釜上端盖内壁面保留4 cm的气相空间。

2）开启温控系统降温，设置系统温度为1 ℃，同时记录饱和盐水沉积物平均电阻率（电阻率层析成像电极测量结果的平均值）随温度的变化规律，待沉积物内部温度降低至1 ℃时，持续控温稳定6 h，使沉积物内部温度尽可能均匀分布。

3）开启反应釜下部注气口，缓慢注气，使沉积物内部形成由下向上的气体渗流通路并排出气相空间的残留空气，缓慢向反应釜增压至8 MРa；关断供气管路，在静置状态下观察水合物的生成过程。

4）与步骤3）同步调整ITS测量系统层析成像参数（在本实验中，根据调试结果设置层析成像系统注入电流值为15.08 mA），采集系统温度、压力、电导率参数并通过计算机实时再现。

5）当压力降低到某一恒定值并维持恒定时，表明该温、压、盐度条件已不足以进一步生成水合物，再次向反应釜中注入甲烷气体至8 MРa；当反应釜内部压力远高于水合物相平衡压力且维持长期（10 h）不变时，认为水合物生成完毕，结束实验。

2 实验结果与讨论

2.1 初始实验条件

水合物合成过程中设置温控系统的温度为1 ℃，向反应釜加压至8 MРa。为验证试验结果的可靠性，开展多组重复试验，取其中1组进行分析。在降温阶段，实验观察到a—a截面的电导率分布规律基本一致且不断降低（电阻率升高）。降低至设定温度值（1 ℃）稳定6 h（常压），按实验步骤3）注气至8 MРa，注气前后a—a截面的电导率分布规律见图2。由图2可知，注气前沉积物内部电导率均匀分布，再次证明ITS系统测量参数的可靠性。注气后，a—a截面电导率分布图像出现明显的不均匀分布。这是因为气体从反应釜下端盖中央的注气口注入沉积物的过程中，釜内气体沿沉积物中央气体通道向上渗漏，并逐步发生径向扩散，推动沉积物孔隙中的盐水向上排出至沉积物上部气相空间，导致沉积物电导率整体降低。注气结束后气—水不均匀分布导致沉积物内部电导率场非均质分布，气体主要分布在中央气体渗流通道。图2-b中注气结束时刻沉积物内部的气—水分布规律即为整个实验的起始条件，是识别后期实验过程中水合物在沉积物中生长规律的基础。

图2 注气前后沉积物a—a截面上的电导率分布图像

2.2 沉积物平均电阻率响应规律

水合物生成过程中反应釜内部平均水合物饱和度、平均压力、a—a截面平均电阻率及NaCL质量分数为2.5%条件下甲烷水合物的相平衡压力曲线如图3所示。根据实验过程中压力变化趋势，可将整个实验过程划分为A～Н共8个时间子区间。在第一注气阶段（A～D）：经过短暂诱导期（A区间，0＜t≤4 h）后沉积物内部气压开始平缓下降（B区间，4＜t≤147 h），沉积物内部逐步有水合物生成，水合物生成速率较慢；进入子区间C（147＜t≤165 h）后压力下降速率明显增大，最后当釜内压力逼近水合物生成的相平衡压力条件时趋于稳定（子区间D，165＜t≤175 h）。在第二注气阶段，压力变化规律呈现出明显的“快速下降—缓慢下降—快速下降—稳定”的双台阶式下降趋势。

图3 水合物合成过程中反应釜内平均物性参数变化曲线图

随着水合物的生成，沉积物体系平均电阻率呈上升趋势，但不同时刻的上升幅度差异巨大，尤其是在子区间C后期平均电阻率快速震荡抬升。这说明含水合物沉积物平均电阻率的变化取决于水合物合成的排盐效应和水合物生成两个方面。排盐效应导致沉积物电阻率降低，而水合物生成则导致沉积物电阻率升高。因此在水合物生成前期，平均电阻率波动较小可能受水合物合成速率的影响：假设平均电阻率的变化量是单位时间内水合物生成导致的电阻率升高值（dρh）与因排盐效应导致的电阻率降低值（dρs）共同作用的结果，那么在水合物生成速率较低条件下，dρh≈dρs，因此沉积物平均电阻率波动幅度不大，这与李小森等[13]基于去离子水观察到的实验结果不同，却正好验证了水合物生成及其排盐效应对沉积物电学参数的双重控制作用。水合物生成速率对平均电阻率的影响也可以从第二注气阶段（E～Н）得到验证。

在第二注气阶段（E～Н），反应釜内部压力出现双台阶下降模式（多次试验均观察到类似现象），即在E区间（175＜t≤192 h）、 G区间（219＜t≤228 h）釜内压力出现2次大幅下降，伴随着沉积物平均电阻率的快速升高；而在压力快速下降（E区间）末期或压力平稳阶段（F区间，192＜t≤219 h）初期，平均电阻率则表现出一定量的回落趋势，然后维持稳定。造成上述现象的原因可能是：水合物在沉积物中非均匀生成，在快速生成阶段消耗了局部孔隙水，局部孔隙水盐度迅速升高，导致局部相平衡压力上升，因此无法继续快速合成水合物，从而使沉积物内部压力降低速率减缓（如子区间F）；在沉积物内部盐度差、水饱和度差异作用下孔隙水重新分布，造成沉积物内部孔隙水盐度重新分布，达到相平衡条件后，再次进入快速生成阶段（G区间）；最后当孔隙水消耗量增大到不足以稀释局部孔隙水时，无法继续合成水合物，反应釜内部压力维持长期恒定（Н区间，228 ＜ t≤ 270 h）。

特别地，在图3所示的D、F、Н区间初期，虽然反应釜内压力没有明显变化（即此阶段无水合物生成），但是a—a截面的平均电阻率却在发生实时变化。这说明与水合物合成过程相比，沉积物内部的排盐效应表现在电阻率变化上有一定的滞后性。在水合物快速生成阶段，沉积物局部孔隙中的气—水结合生成水合物，盐离子析出，但析出的盐离子只有在沉积物内部孔隙水重新分布后才会对沉积物整体电阻率产生影响。即：水合物快速生成消耗了a—a截面的孔隙水，电阻率增大，而盐离子结晶析出并留在原位，随着时间的推移，其他低盐度部位的孔隙水向a—a截面扩散，溶解a—a截面的盐离子，导致a—a截面的电阻率下降。因此，这种表观上的“滞后效应”是沉积物内部盐离子、孔隙水传质过程的滞后所引起的。

下文将通过水合物合成过程中沉积物体系截面电导率层析成像规律进一步验证上述结论。

2.3 沉积物内部水合物非均质分布规律

由上述可知，尽管受排盐效应的影响，沉积物平均电阻率在水合物合成过程中会有一定的波动，但总体呈上升趋势，即当前盐度条件下沉积物体系的总体电阻率值受水合物合成本身的绝对控制，电阻率与水合物饱和度呈一定的正相关关系[26]。因此，实验过程中某一时刻的电导率场图相对于起始条件下沉积物体系电导率场图（图2-b）的偏差，一方面可以用于指示水合物生成位置，另一方面可用于识别压力稳定阶段沉积物内部的传质过程。为此，分别截取A～Н等8个时间区间典型时刻a—a平面的电导率层析成像分布结果，计算该时刻电导率图像相对于图2-b所示的起始条件的偏移程度（图4），其中正偏移量越大，指示局部水合物生成量越多。

整体而言，随着水合物生成量的增大（时间的延长），a—a平面的电导率趋于降低。但不同区域的电导率变化幅度表现出明显的非均质性，这表明水合物在沉积物内部的生成过程具有明显的非均质性：在时间子区间A，电导率异常区沿气体径向扩散外围呈明显的斑点状随机分布特征，一方面指示沉积物中水合物优先成核区域受气—水分布的影响，优先在气水接触面形成，另一方面说明气水分布规律一致的沉积物中水合物成核具有一定的随机性。在B～C区间（4＜t≤165 h），a—a平面整体电导率始终降低，且电导率偏移量较大的位置集中在优先成核区域周围，并在压力降低末期（图4，t＝164 h）发生电导率偏移位置的转移，这表明在第一注气阶段，尽管水合物的优先成核区域沿气—水接触面呈现随机分布特征，但是压力消耗过程中水合物的生长位置在发生实时的转移，再次证明排盐效应导致的盐离子浓度差异对水合物合成过程具有明显的影响。

在D区间，沉积物体系平均压力维持稳定，但a—a截面电导率值总体不降反增，此即前文所述的排盐效应对沉积物体系平均电阻率影响的滞后效应：在压力降低阶段，水合物合成过程与排盐效应同步进行，导致局部区域盐度升高，抑制水合物的进一步生成，盐离子浓度差异导致水合物生成位置发生转移； 在压力稳定阶段初期，水合物合成过程停止，但沉积物体系内部仍然在进行实时的物质传输过程，即沉积物体系内部孔隙水在盐度差作用下的重新分布及盐离子的析出—再溶解过程。另外，子区间D末期电导率层析结果正偏移位置发生改变，是由于在174.0～174.5 h区间再次向反应釜内注入甲烷气体，引起孔隙中气—水分布规律改变造成的。上述现象在t＝228 h和t＝273 h时刻电导率偏移量分布图的对比中表现得尤为突出，说明沉积物中水合物饱和度越高，水合物生成对盐离子运移通道的阻塞作用更加突出，导致压力稳定后盐离子的重新分布速率变缓。

图4 典型时刻a—a截面电导率场相对于起始条件的偏移量分布图

虽然排盐效应促使沉积物中水合物生长位置不断发生改变，但从水合物饱和度分布规律的角度分析，截面整体电导率正偏移量呈现出明显的环状分布特征，指示水合物在沉积物截面中的环带状分布特征。结合图2-b所指示的起始气—水分布规律及t＝4 h时沉积物截面水合物成核区域的分布特征，说明沉积物中气—水非均质分布特征是沉积物中最终水合物饱和度非均质分布的决定因素，水合物在气—水接触面大量生成并富集，然后逐渐向储层外围扩展。

此外，从图4的电导率场偏移量分布图中可以，在正偏移量最大的局部区域周围，始终存在围绕该区域的电导率负偏移区域或正偏移量极小区域。导致这种正偏移量梯度的主要原因可能是：局部水合物快速合成过程中，排出孔隙中的盐离子，导致盐离子在水合物快速生成区域外围富集，导致电导率负偏移区域或极小正偏移区域的存在。当压力稳定时间足够长时，盐离子和孔隙水重新分布，负偏移区域（或极小正偏移区域）逐渐消失（如t＝273 h）。

3 结论

1）水合物合成过程中，沉积物体系平均电阻率的变化受排盐速率和水合物生成速率2个因素的影响。当水合物生成速率较低时，沉积物排盐效应造成的电阻率降低值与水合物合成造成的电阻率升高值相抵消，电阻率波动幅度较小；当水合物生成速率较高时，相较于水合物合成，沉积物内部排盐效应对沉积物体系平均电阻率的影响存在明显的滞后效应，这主要是由于沉积物中的孔隙水、盐离子重新分布滞后效应造成的。特别是当水合物饱和度较高时，水合物的继续生成会阻塞盐离子迁移通道，增强排盐效应对平均电阻率变化影响的滞后程度。

2）水合物合成过程中不同区域的电导率偏移量变化幅度表现出明显的非均质性，指示水合物在沉积物内部的生成过程具有明显的非均质特征。起始条件下沉积物中气—水非均质分布特征是导致沉积物中最终水合物饱和度非均质分布的决定因素，而水合物合成过程中排盐效应导致的沉积物内部盐离子浓度空间分布差异是促进水合物大量合成的局部位置不断改变的控制因素。

3）本研究在二维电阻层析成像条件下初步证明，电阻率层析成像技术在指示沉积物体系中水合物合成位置、生成量及其伴随的孔隙内部传质过程中具有良好的优势，可为水合物成藏过程的可视化评价提供支撑。针对不同类型水合物成藏过程的测试要求和特点，探索大尺寸全三维电阻层析成像测试技术，是提高水合物成藏过程可视化描述精细程度、揭示多类型水合物成藏机理的重要发展方向。