气体水合物生成实验过程动态监测：一种新的ERT方法及其效果分析

刘 洋，陈 强，邹长春，赵金环，彭 诚，孙建业，刘昌岭，伍操为

(1.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266071；3.青岛海洋地质研究所自然资源部天然气水合物重点实验室, 山东 青岛 266071)

0 引 言

天然气水合物是由甲烷、乙烷等低分子质量的烃类气体与水在适宜的温压条件下形成的笼形晶体包络物[1]。自然界中天然气水合物广泛分布于海底沉积物，少部分位于陆域冻土带[2]。与常规化石燃料(煤、石油、天然气)相比，天然气水合物蕴藏巨大能量，逐渐受到世界各国的高度关注。现阶段，天然气水合物的开采面临诸多风险，如地质灾害、工程事故和环境破坏等[3-5]。实时监测水合物开采过程是保障生产安全必不可少的工作。作为一种无损的电学监测技术，电阻率层析成像(Electrical Resistivity Tomography，ERT)通过各种方式获取电压数据，重建监测区域内的电阻率分布图像。目前，ERT技术在水文地质、环境监测、工程勘探和矿产资源勘查等领域已经取得成功应用[6-10]。

实验室内模拟研究水合物生成和分解过程是揭示实际水合物储层演化规律的重要途径[11-14]。近年来，天然气水合物的电学特性研究已有诸多进展。在室内开展水合物模拟实验时，常采用一维电学响应特征解释水合物沉积体系的变化规律。水合物生成过程中成核初期电阻率减小，随着水合物不断生成电阻率不断增大直到稳定[15-17]。水合物分解时沉积体系电阻率整体减小，局部受到温度变化或流体流动的干扰使电阻率产生异常变化[18-20]。利用传统方法测量的电学特征结果仅仅反映测点周围的电学响应变化，并不能精确表征水合物的分布情况[21-22]。ERT作为一种新兴的成像技术，打破了传统单点测量的限制，能够更好地反映水合物在生成和分解过程中空间尺度的变化，提供实时的水合物分布信息。

ERT技术因具有低成本、高效率、无辐射等突出优点，在水合物监测中展现出良好的应用前景。目前，该技术已被应用于监测水合物的演化过程[23-26]。为了监测水合物生成和分解过程中空间分布和相态变化，Priegnitz等设计了一个圆柱状ERT阵列，其中375个电极排列在25个圆环上，每个圆环上等间距布置15个电极[23]。该研究初步表明了ERT监测水合物演化过程的可行性，但仍处在探索阶段，需要更深入、全面的研究。

本研究研发了一套新的ERT阵列对水合物分布进行动态监测，通过物理模拟实验来检验水合物动态监测实验装置的稳定性，分析ERT监测方法的准确性以及在水合物监测方面的应用效果，尝试建立一种新的水合物模拟实验动态监测方法，为现场天然气水合物监测技术研发提供新途径。

1 动态监测实验装置与方法

天然气水合物生成和分解过程中沉积体系内部变化的可视化已逐渐成为研究热点[27]。中国地质大学(北京)和青岛海洋地质研究所将ERT方法引入到水合物储层模拟实验装置并研发了一套新的ERT阵列，实现含水合物沉积物电阻率分布的实时可视化。

1.1 动态监测实验装置

水合物动态监测模拟实验装置的主要功能是通过提供合适的温度和压力条件，模拟天然气水合物在沉积物中生成和分解过程，并监测实验过程中沉积体系的温度、压力和电阻率的变化。该装置主要由ERT电极阵列、高压反应釜、容器内筒、恒温水浴槽、温度和压力传感器、甲烷气瓶、数据采集与处理系统等组成，ERT阵列由48个电极竖直排列在两个电极系上，每个电极系24个电极(图1)。

高压反应釜的外形为圆柱状，内径为300 mm，高度为300 mm，最大工作压力为20 MPa，精度±0.1%；工作温度范围为-5 ℃至室温，精度±0.5%。温度条件的控制由恒温水浴槽实现，其控温范围为-20～90 ℃。高压反应釜的内部压力通过上方安装的压力传感器进行记录，用于观察水合物生成和分解过程中的压力变化，其量程为0～25 MPa，精度±0.1%。反应釜内壁的上下各安装有1个Pt100热电阻温度传感器，用于监测水合物实验过程中温度的变化。温度和压力是重要的过程参数，不仅能够用来判断水合物是否完成生成和分解过程，还参与水合物饱和度计算。

容器内筒用于放置松散的沉积物样品，由绝缘和耐腐蚀材料制成，有利于屏蔽干扰信号，其外径为280 mm，内径为250 mm，高度为250 mm。内筒四周和底部均有透气通道，便于气体的扩散，从而有助于实现水合物快速合成和均匀分布。ERT电极阵列由两组独立平行的垂向电极阵列组成，每组电极阵列有24个环形电极，电极间距8 mm。实验中，将两组电极阵列垂直于内筒底部安装，二者之间距离可调节。根据实际容器内筒的尺寸，经过正反演模拟理论计算，优化获取两组电极阵列之间的距离并采用100 mm。相比于圆柱状ERT阵列，本文提出的新ERT阵列不仅可以针对不同尺度的水合物监测模拟实验装置，采用数值模拟的方法，灵活配置ERT阵列电极系参数(电极系间距、电极间距、电极数量)，获取任意区域的水合物电阻率分布图像，还可以为海底实际水合物储层设计电极系。数据采集与处理系统由数据采集控制箱、数字电桥仪和计算机组成，控制电极的通断，从而实现对含水合物沉积体系的温度、压力、电阻等数据的自动化采集，并利用处理软件对数据进行处理、显示和保存等操作。

1.2 ERT动态监测方法

在水合物生成和分解实验过程中，水合物的相态变化引起沉积物内部结构发生改变，从而导致整体的电性能变化。当水合物大量生成和分解时，含水合物沉积物的电阻率发生明显变化。因此，通过监测水合物生成和分解过程中电阻率变化，能够实现对水合物饱和度空间分布的监测。

本装置的ERT方法通过“透射对穿”的采集方式获取观测数据，进行实时处理，其主要用途是在水合物模拟实验中进行实时监测数据采集并对监测数据进行实时处理和建立沉积体系的电阻率分布图像，将沉积体系中水合物的分布情况可视化。

前人的ERT方法采用15个电极的圆形布局，并利用四极采集方式获得180个数据点(图2(a))。在前人[23]的基础上，本研究建立了一套适用于水合物动态监测模拟实验装置的新ERT方法，采用48个电极的竖直排列布局，同样利用四极采集方式获得2 160个数据点(图2(b))。新的电极布局可以模拟两组电极阵列垂向空间之间的电阻率变化，并对电阻率变化开展三维监测，相比于圆形布局可以获得更多的数据并且可以灵活地应用于实际水合物储层监测。

通过电流注入电极与电压测量电极左右交替并向下移动进行数据采集。如图2(b)所示，图中圆点代表电流注入和电压测量电极。供电电极A、B和测量电极M、N都分别位于不同电极系上。固定一对A、B电极注入电流，电压测量电极按照左右交替并向下移动的方式进行数据采集，直到所有电压测量电极完成工作后，再移动电流注入电极，重复电压测量。一共进行48次电流注入，每次将会获得45个数据点，总共可获取2 160个数据点。

1.3 数据处理方法

采集获得的原始数据需要进行处理加工，才能得到预期的电阻率分布图。数据处理需要经过仪器标定、数据校正、反演处理、二维成图四个过程。

(1)仪器标定。

在测量过程中，仪器受到各种因素的影响，使得测量数据不准确。为了减小这些影响，可以对仪器进行标定，从而使仪器测量数据的精度提高。在标定过程中，运用线性标定公式计算仪器标定参数。

(2)数据校正。

测量得到的实际数据存在波动的现象，因此，需要对测量数据进行校正，以减小测量带来的系统误差。通过ERT电极阵列的标定后，可以得到每个电极的标定系数；再利用标定得到的系数对实测数据进行线性校正，即V校正后=kV校正前+b。

(3)反演处理。

本文采用高斯牛顿迭代反演算法求解电阻率分布。由于ERT属于非线性的不适定反问题，需要利用正则化技术来获得稳定解。ERT反问题可以用下式表示：

min {||V-U(ρ)||2+α||Lρ||2}→0

(1)

式中：ρ是电阻率，U(ρ)是电压与电阻率关系函数，L是正则化矩阵，α是正则化参数。

对于上式的解，可以使用牛顿型方法表示递归：

ρi+1=ρi+Δρi

(2)

其中：

Δρi=-H-1▽Φ=(JTJ+αLTL)-1·

[JT(V-U(ρi))-αLTLρi]

(3)

Φ(ρ)=||V-U(ρ)||2+α||Lρ||2

(4)

式中：H是高斯-牛顿近似Φ(ρi)的Hessian矩阵，▽Φ是Φ(ρi)函数的梯度，J是雅可比矩阵。

(4)二维成图。

采用高斯-牛顿迭代反演算法计算得到每个网格的电阻率值，再利用电阻率值与颜色建立一一对应关系，最后重建电阻率图像。

2 物理模拟实验

2.1 稳定性验证

为验证实验装置的稳定性和重复性，开展多组重复实验，量化分析测量数据的波动性。设计0.12% NaCl溶液和3.50% NaCl溶液与沉积物混合介质的两种模型，并每隔2个小时重复测量一次(总共测量了10次)，具体参数见表1。在重复采集过程中，保持温度、压力稳定在常温、常压，以确保测量结果不会发生重大变化。

表1 重复测量实验参数

图3显示了在10次数据测量运行期间进行的所有测量值(2 160个)的标准偏差。观察到两种模型大部分数据的标准偏差小于5%，此结果令人满意。第一种模型显示标准偏差小于5%的数据占总数据的99.40%，小于3%的占总数据的96.11%(图3(a))。第二种模型显示标准偏差小于5%的数据占总数据的92.36%，小于3%的占总数据的83.75%(图3(b))。两组方案的平均标准偏差分别为0.75%和1.77%。这些说明测量数据的波动性较小，表明数据采集具有较高的稳定性和较好的重复性，可用于水合物生成和分解模拟实验。

2.2 高阻介质模拟实验

为了验证数据处理方法的准确性和适用性，需要开展不同温度和压力环境下的实验，对比分析成像结果。在实际地层中，天然气水合物存在于低温高压环境，呈现高阻特征。相应的，在实验室内研究水合物生成和分解过程也需要模拟低温高压环境，这导致该过程无法用肉眼进行水合物分布的直接观察，故笔者利用圆柱状高阻介质代替水合物进行实验。在实验中，使用高纯度的氮气、质量浓度为3.5%的NaCl溶液、粒径为500～1 000 μm的天然海砂、1个高阻圆柱体(直径50 mm，高度155 mm)等材料模拟水合物储层的生成和分解，利用ERT阵列进行数据采集，其过程中压力可变范围为0.1～8.0 MPa，温度可变范围为0～23 ℃。具体的实验采用3种环境(表2)对监测方法进行准确性和适用性验证。

表2 物理实验模拟参数

3种环境的高阻介质模拟实验步骤如下：

(1)将12.27 L经过洗涤、烘干处理的海沙填入容器内筒中作为沉积物；加入大约5 L质量浓度为3.5%的氯化钠溶液使沉积物处于过饱和状态；期间，将1个高阻圆柱体水平放置在左侧最上部的7个电极附近。

(2)适当压实并静置24 h，用针筒吸取上方多余的氯化钠溶液；同时开启数据采集与处理系统，采集和处理温度、压力和电阻率信息并通过计算机显示和保存。

(3)密封反应釜并关闭排气通道，从注气通道向反应釜持续注入氮气，使反应釜内压力从标准大气压(0.1 MPa)逐渐增加至8.0 MPa。

(4)静置6 h后，开启数据采集与处理系统，采集和处理温度、压力和电阻率信息并通过计算机显示和保存。

(5)调节恒温水浴槽温度至0 ℃并继续保持压力为8.0 MPa，静置6 h 后，开启数据采集与处理系统，采集和处理温度、压力和电阻率信息并通过计算机显示和保存。

在3种环境下，阵列ERT监测方法对高阻介质具有良好的反映，其位置、形态和大小等方面与实际物理模型相符合(图4)。在实验过程中，压力的变化对电阻率的影响较小，可忽略不计；而温度的变化对电阻率的影响较大，需以常温为参考值对测量数据进行温度校正。无论是常温常压、常温高压、还是低温高压情况，均能从图4中较为容易地分辨出圆柱状的高阻介质。随着反应釜内环境的改变，反演计算的高阻介质视电阻率略有增大，形态上存在微小的变形。通过阿尔奇公式计算出常温下饱含水的沉积物电阻率大约为1.13 Ω·m，其中水为3.5%氯化钠溶液，电阻率为0.18 Ω·m，松散沉积物孔隙度大约为40%，经验参数a、m分别取1和2。除了高阻介质以外部分，沉积物的视电阻率均在1 Ω·m左右与阿尔奇公式计算得到的沉积物电阻率基本一致。但局部可能由于气体流动或温度变化等干扰影响导致假异常出现。这些假异常对解释没有造成太大的影响，表明电阻率成像方法的正确性。通过对不同环境的物理模型下的实测数据进行成像处理，证明了数据处理方法具有较好的适用性和正确性，为进一步开展水合物生成与分解监测实验提供了技术保障。

2.3 水合物生成模拟实验

在上述高阻介质实验验证之后，开展了多次水合物生成模拟实验，实时采集了温度、压力、电阻率数据。在实验中，使用纯度为99.99%的甲烷气体合成水合物，质量浓度为3.5%的氯化钠溶液模拟孔隙水，粒径为500～1 000 μm的天然海沙模拟多孔介质，期间压力变化范围为0.1～8.0 MPa，温度变化范围为0～20 ℃。

2.3.1 实验步骤

实验进行的具体步骤如下：

(1)量取12.27 L经过洗涤、烘干处理的天然海砂作为沉积物；加入大约5 L质量浓度为3.5%的氯化钠溶液(不添加任何水合物生成促进剂)使沉积物处于过饱和状态。将沉积物与氯化钠溶液充分混合搅拌，在此状态下装入容器内筒中并适当压实。静置24 h，用针筒吸取上方析出的多余氯化钠溶液。

(2)密封反应釜并开启注气通道，从注气通道向反应釜内缓慢注入甲烷气体，使反应釜内压力逐渐从标准大气压增加至8.0 MPa，断开注气通道，静置约2 h，使沉积物内部压力尽可能处于平衡状态。同时记录温度、压力随时间的变化。

(3)开启恒温水浴槽，设置循环温度为4 ℃，在静置状态下通过电阻率图像观察水合物的生成过程。同时，开启数据采集与处理系统，采用ERT阵列进行数据采集，每隔2～3 h采集和处理电阻率信息并实时通过计算机显示和保存。

2.3.2 结果分析

在水合物生成过程中，反应釜内温度、压力随时间的变化规律如图5所示。整个过程花费约15 h，反应釜内的压力由初始压力8.00 MPa下降至6.83 MPa，温度除一次显著下滑外无明显的变化(图5)。随着时间的推移，压力曲线呈现先快速下降后平缓下降的变化趋势。压力的快速下降可能是由温度降低和水合物的缓慢生成两个方面的因素导致。当温度降至并保持约4 ℃时，压力开始逐渐缓慢下降，随后压力下降速度有明显的增大，说明经过短暂诱导期后沉积物内部逐渐并持续有水合物生成，其生成速率也表现出先慢后快的特征。

随着甲烷气体的注入，饱含水的沉积物电阻率受气体流动的影响产生一定波动。注气前后电阻率分布发生较为明显的改变(图6)。注入甲烷气体前(t=0 h)电阻率均匀分布，大约为1 Ω·m，与阿尔奇公式计算得到的饱含水的沉积物电阻率基本吻合，此结果再次证明了成像结果的正确性。注入甲烷气体后(t=2 h)电阻率出现不均匀分布，中心上方电阻率略有增大，增长幅度约为0.5 Ω·m，这是因为上方未封闭且与气体接触充分；反应釜内气体主要沿着垂直方向向下扩散，推动沉积物孔隙中的盐水溶液向下渗流，导致整个沉积体系的平均电阻率减小。前人研究中出现过此现象[26]，说明该动态监测方法对水合物监测具有良好的效果。

随着温度的降低，水合物逐渐生成，其生成量逐渐增加，平均电阻率也呈现增大的趋势，从0.95 Ω·m增大至1.95 Ω·m。水合物的不断生成导致沉积体系的电阻率增大，但是不同区域的电阻率增大幅度不同，表现出水合物分布具有明显的不均匀性(图6)。在边界区域(内筒壁附近及上方)，电阻率增大幅度明显大于其他区域，表明水合物生成量较多。这是由于边界区域的导热速率较快且气源供应较为充足导致水合物生成较快，在其他相关实验中也出现过同样的现象，此现象称为“爬壁效应”[28]。水合物最先在内筒上方的沉积物中生成，因为内筒上方的沉积物直接与气体接触，接触面积较大，而且传热速率也比内筒壁快。随后，内筒壁温度逐渐下降，其附近开始逐渐生成水合物，这表明水合物纵向生长速率大于横向。中心区域电阻率几乎无明显变化，基本无水合物生成，这可能是由于内筒上方水合物导致沉积物中的通道堵塞和内筒壁气体供给通道太小。由于排盐效应的影响，水合物生长位置发生改变，在t=10 h和t=13 h时有所体现。上述这些现象在其他相关水合物实验中也出现过[17]，再次证明了ERT方法在水合物动态监测中具有良好的效果。虽然水合物生成过程中电阻率的变化间接反映水合物饱和度的变化，但是水合物电阻率和饱和度之间关系还是需要开展进一步研究。

需要指出的是，新的ERT方法可以可靠地监测两组电极阵列之间有效监测范围内的电阻率变化，本文的研究可以等效为两组电极阵列是置于相距100 mm的两口井中完成的实验，研究结果可对未来水合物开采过程中实施井间电阻率成像监测提供技术参考；据此，在下一步研究中将逐步开展针对实际海域天然气水合物分布监测的井间电阻率成像技术和设备研发。

3 结 论

(1)研发出一套新的ERT监测方法用于水合物模拟实验装置。通过开展多组重复实验，经数学统计分析，92%以上的数据标准偏差小于5%，表明动态监测实验装置可获得较高质量的电学数据资料。

(2)通过高阻介质模拟实验，发现本研究研发的ERT监测方法对高阻物体的识别是行之有效的，而且其应用不受环境条件(温度和压力)改变的限制。

(3)利用新的ERT方法，监测了水合物生成过程中电阻率的分布，证明该方法在水合物分布监测中具有良好的效果，有助于实现水合物饱和度分布的动态监测，为将来开展不同沉积物介质、不同环境条件下水合物生成和分解模拟实验中监测水合物动态分布提供理论和技术支撑，也为下一步研发水合物开采过程中实施井间电阻率成像动态监测设备提供技术支持。