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课题组2020年主要工作
一、成果概述
在承接2019年工作的基础上，继续推进了天然气水合物、页岩气和地热资源安全高效可控开采研究工作。
在综述方面，宁伏龙等主要综述中国区域水合物储层特征及出砂防砂现状与存在的问题，罗强等总结了现有水合物微观力学测试装置研究现状和测试结果。
在数值计算方面，程万等构建了水合物动力学分解的多场耦合的井壁稳定模型和激发压裂模型。贺仲金等：初步揭示了海洋沉积物中水合物形成过程，李芷等研究了流体注入引起的诱导地震在实验室尺度模拟的理论模型及天然气水合物多场耦合模型与数值计算及机器学习，黄满等揭示了超临界N2O流体开发干热岩地热特性并发展了水射流技术，孙嘉鑫、毛佩筱等：形成了复杂水合物储层建模技术，厘清了渗透率各向异性对III类粉砂质黏土水合物储层开采产能的影响，方彬等：揭示了表面活性剂在流动保障过程中抑制液烃相中水合物颗粒聚集过程的微观作用机制。
在实验模拟方面，张凌等初步研究了钻井液常用处理剂单组分体系降温过程的温度场变化特征与室温下的吸光度变化特征；刘志超等形成了基于声波的水合物饱和度预测和分布模式识别理论体系；李彦龙等提出了泥质粉砂水合物储层出砂调控精度设计方法及产气平稳度调控方法；彭力等研发了原子力显微镜水合物测试系统；毛佩筱等厘清了渗透率各向异性对I类粉砂质黏土水合物储层开采产能的影响，发现了不同井型下天然气水合物开采的产气产水特征；王冬冬等利用水合物共振柱系统，结合实际水合物储层条件，系统刻画了含水合物沉积物在小应变条件的动力学特性；张准等阐明了含水合物沉积物孔隙结构参数演化规律，构建了含水合物沉积物渗透率与电阻率分形理论模型；郭东东等利用共聚焦显微拉曼光谱研究了油-水-气体系中水合物的形成和分解；罗强等总结了现有水合物微观力学测试装置研究现状和测试结果，测量了颗粒间水合物切向力和液桥力；方翔宇等总结了水合物储层开采出砂与防砂现状，揭示了不同储层因素对砂质与泥质粉砂水合物储层降压开采出砂的影响，提出了基于上述因素的砂质储层降压开采出砂预测模型。
二、具体工作
进展1 宁伏龙等：总结了中国区域水合物储层特征及出砂防砂现状与存在的问题
地质-工程-环境一体化是安全高效开发海域天然气水合物的必然选择。为了给地质—工程—环境一体化开发水合物提供准确的基础地质数据，我们分别从构造与沉积、地温、热流、地球化学、地球物理响应、赋存类型、孔渗、力学强度、饱和度等9个方面对比分析了我国陆域和海域水合物在分布规律与赋存特征上的差异性。我们认为后续应重点突破海域水合物甜点识别与评价技术，重点攻关水合物储层精细表征技术和富集矿体—储层系统的精细刻画技术，这也是综合解决开采出砂问题的基础和关键。我国海域典型水合物储层属于弱固结的低渗泥质粉砂储层，其面临的防砂控泥与增产矛盾较为突出。厘清不同水合物储层和开采条件下的井眼出砂规律并揭示其机理,进而制定科学合理的防砂控泥措施以实现产能最大化是解决上述矛盾的途径所在。因此，我们又从理论分析、数值模拟、室内实验和现场试采4个角度总结了世界范围内已开展的水合物出砂防砂情况，探讨了水合物储层出砂影响因素及出砂机理，最后指出了目前出砂研究存在的问题和挑战，并给出了相应的建议。上述工作为水合物储层流固产出规律认识及其调控技术研究奠定了坚实的基础。
参见论文：
宁伏龙,梁金强,吴能友,祝有海,吴时国,刘昌岭,韦昌富,王冬冬,张准,徐猛,刘志超,李晶,孙嘉鑫,欧文佳.中国天然气水合物赋存特征[J].天然气工业,2020,40(08):1-24.
宁伏龙,窦晓峰,孙嘉鑫,刘志超,李彦龙,李晓东,赵颖杰,刘昌岭,陆红锋,于彦江,李芷,罗强,曹鑫鑫.水合物开采储层出砂数值模拟研究进展[J].石油科学通报,2020,5(02):182-203.
宁伏龙,方翔宇,李彦龙,窦晓峰,王林杰,刘志超,罗强,孙嘉鑫,赵颖杰,张准,刘天乐,张凌,蒋国盛.天然气水合物开采储层出砂研究进展与思考[J].地质科技通报,2020,39(01):137-148.
进展2 刘天乐等：初步实现了含水合物沉积物微生物加固防砂
出砂是海域天然气水合物开采过程中面临的主要问题之一，如何防砂是相关生产企业和科研院所亟待攻克的关键技术。本项目提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）来提高含水合物沉积物的结构稳定性，从而协助防砂。围绕微生物固砂防砂技术的研究，2020年取得了以下几方面的进展：（1）从中国南海海底沉积物中成功提取、筛选和驯化了产脲酶成矿微生物。经过一年的艰苦驯化选育，当前所用微生物可在4~45℃、0~20MPa、缺氧环境下快速生长发挥作用且可稳定存活24h以上，并且将诱导期缩短。（2）建立了成本较低的驯化后产脲酶微生物快速生长促进技术。促生长因子只需添加0.4wt %，即可在20小时以内实现微生物快速生长（对数期），且在30小时以内可实现微生物浓度的最高值。（3）开发了基于CT的微生物注浆加固水合物储层模拟实验装置。该装置可实现含水合物沉积物的原位加固、原位力学和渗流性质测试、原位孔隙结构无损扫描测试等实验。（4）初步实现了南海海底沉积物骨架颗粒的微生物成矿胶结。经微生物成矿胶结7d后，松散沉积物的抗压强度由原先近乎为零增加到0.5MPa左右，还需还将继续提高。上述工作表明，利用MICP技术来实现含水合物松散沉积物中砂土颗粒的胶结强化，是完全可行且行之有效的，为后续的深入研究奠定了良好的基础。
进展3 张凌等：初步研究了钻井液常用处理剂单组分体系降温过程的温度场变化特征与室温下的吸光度变化特征
在海洋水合物地层钻进过程中，由于井下复杂情况或恶劣天气等原因而导致的长时间关井停钻，会使井内因形成水合物而面临较大的堵塞风险。为此，考虑我国南海海面海水、海底泥线与水合物储层的温度，针对海洋钻井液常用环保处理剂配制而成的单组分体系，利用水合物综合模拟系统进行了相应的静态降温与升温模拟实验研究，初步揭示了这些体系内部温度场随时间的变化特征，其中相对比较剧烈的传热过程主要都发生在反应釜内壁与1/2半径之间的环状空间。同时，考虑到这些处理剂的抑制机理往往与其中某些官能团的表面吸附作用密切相关，而溶液中这些官能团之间的相互作用与相应的空间分布特征又为处理剂的组分类型与浓度所影响与决定，且它们在官能团吸光能力上有所影响与体现。因此，同样针对上述体系，利用液体吸光度实验系统进行了相应的室温下吸光度实验研究，初步揭示了组分类型及其浓度对体系吸光度的影响规律，体系的最大吸收峰总体上均随浓度呈线性增加，基本都偏离朗伯-比尔定律，而添加NaCl会对体系的吸光度产生较大影响。上述研究为后续进一步从介微观传热传质角度揭示钻井液中水合物的形成机理奠定了基础。
进展4 程万等：构建了水合物动力学分解的多场耦合的井壁稳定模型和激发压裂模型。
南海神弧海域首次直井试采和二次水平井试采均出现了井壁漏失和坍塌行为，井壁失稳问题亟待解决。针对钻井时泥浆在管柱中的循环过程，构建了泥浆温度剖面计算模型，并结合水合物动力学分解和多孔多相渗流理论，构建了流固热耦合的井壁稳定力学模型，并开发了MATLAB程序模块，为预测井周储层温压规律和力学稳定性提供了可靠方法。
我国海域水合物储层渗透率低，采用高温海水压裂和砂砾充填裂缝，形成高效导流通道是一种值得探索的储层改造方法。结合水合物动力学分解和多孔多相渗流理论，构建了海水热激发压裂水合物储层的力学模型，并开发了MATLAB程序模块，为预测海水压裂裂缝形态提供了可靠方法。
井周温压和饱和度分布规律
海水热压裂裂缝周围温压和饱和度分布规律
进展5 贺仲金等：初步揭示了海洋沉积物中水合物形成过程
厘清海洋沉积物中水合物的形成过程，对于阐明海域水合物成藏过程至关重要，且对水合物资源开采提供理论参考。运用分子动力学模拟的方法，模拟甲烷溶液在温和过冷度下(285 K和50 MPa)，在金属有机框架材料(MOF) MIL-101 中的两种笼子结构(直径分别为3.4和2.9 nm)构建简单的沉积物多孔结构中形成过程。结果表明在温和过冷度下，体系中存在两种相互竞争的过程，即甲烷相分离形成气泡与水合物形成；水合物只在MIL-101笼子外面形成水合物，而且倾向于形成有序的水合物晶体结构。基于分子动力学模拟，模拟了二氧化碳/水两相体系在疏水石墨表面和羟基化的亲水二氧化硅表面来构建的沉积物狭缝孔。模拟结果显示，沉积物表面亲疏水性质对二氧化碳水合物的形成有较大影响。亲水的二氧化硅表面狭缝孔中，二氧化碳在水相的浓度几乎和无表面时一样，水合物成核起始于本体相中，而在二氧化硅界面附近，有许多二氧化碳分子被表面羟基以及界面水分子之间形成的氢键网络(半笼)所包裹。疏水的石墨表面大量吸附二氧化碳分子并被其覆盖，使得水相二氧化碳浓度显著降低，从而无法观察到水合物形成。这些工作将有助于理解沉积物水合物的形成机理。
进展6 刘志超：形成了基于声波的水合物饱和度预测和分布模式识别理论体系
水合物沉积物地球物理特性，如声波波速和衰减，不仅可用于水合物饱和度预测和分布识别，还可用于储层安全性监测和评估。目前水合物储层地球物理基础信息的获取源于现场地震和声波测井方法，但针对基础信息室内反演解释技术的发展限制了对水合物储层物性的深入了解。基于此，我们采用水合物沉积物共振柱实验获取水合物储层基础信息与声波波速和衰减等物性参数间的关系，为现场测试的反演解释提供依据。研究揭示了水合物沉积物波速随有效应力呈指数增加（V = α × σβ），但水合物饱和度达临界值后，分布模式的变化使沉积物波速对应力的依赖性逐渐减弱。总结了水合物沉积物应力敏感性参数遵循不同于常规岩土材料的半对数关系式β = 0.61 – 0.2 log[α/(m/s)]。同时，基于提出的岩石物理模型理论值与共振柱实验实测值对比拟合方法，分析水合物引起的波速差进一步证实了沉积物内存在多种水合物分布模式并发生动态转化。此外，类似于Mallik和Nankai Trough现场测井结果，提出了水合物沉积物声波衰减随水合物饱和度异常增加的理论公式QS-1 = 0.015+ 0.17 Sh。结合上述声波波速和衰减系数演化关系，综合形成了水合物饱和度预测和分布模式识别的理论体系，将极大促进水合物储层基础物性的表征与认识，服务于水合物勘探与开发。
参见论文：
Liu Zhichao, Ning Fulong, Hu Gaowei, Liu Lele, Liu Changling, Peng Li, Wang Dongdong, Hu Wei, Zhang Zhun. (2020). Characterization of seismic wave velocity and attenuation and interpretation of tetrahydrofuran hydrate-bearing sand using resonant column testing. Marine and Petroleum Geology, 122: 104620. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2020.104620
进展7 李芷等：流体注入引起的诱导地震在实验室尺度模拟的理论模型
流体注入在地层变化及大尺度的时空条件下会导致不同震级的微震、地震，在自然系统中这一诱因有季节性的流体变化与储水层的水位升降，在石油工程、地热开发、废弃水封存、CO2 封存等过程中流体注入则是诱导地震的重要因素。由于流体压力升高、扩散导致的诱导地震在地热系统开法、页岩气开发中所造成的潜在风险是非常重要的研究课题。通过对实验室尺度注入流体对岩石试样变形、损伤、断裂等影响的研究增进对于诱发地震机制的理解，揭示花岗岩受热后的宏观连续力学行为与细观尺度物质特性及多物理场的回归关系，并且得到临界应力状态条件以及声发射在应力应变全曲线的特征，在此基础上厘清流体在裂缝缝网中的流动对于渗透率与裂缝扩展的影响以及对大裂缝的活化作用，通过试验数据得到流体注入与裂纹密度、渗透率之间形成的非线性关系以及阈值的范围，预测流体对于试样裂纹扩展与破坏的时间尺度，结合声发射与体积应变之间的关系，为干热岩高效安全开采中破坏形成的时间效应断层活化行为、断层开采方法、诱导地震风险分析提供有力的机理研究基础。
参见论文：
Zhi Li, Jérôme Fortin, Aurélien Nicolas, Yves Guéguen, Keurfon-Luu, Alexandrine Gesret, Marc Noble. Fluid Injection Induced Rupture on Thermally Cracked Andesite at Laboratory Scale: an experimental based theory model. Under Review, Rock Mechanics and Rock Engineering.
进展8 李芷等：天然气水合物多场耦合模型与数值计算及机器学习初探
我国南海领域天然气资源蕴藏丰富，储层普遍具有低渗弱固结（沉积物粒径总体低于20μm，储层原位测试渗透率低于10mD）的特点，实现安全高效可控开采是当前南海海域水合物开采产业化面临的最大挑战。在低渗弱固结的泥质粉砂沉积物中进行水合物勘探及开采，由水合物的分解所引起的储层力学性质变化可诱发井壁失稳、储层出砂沉降、以及地质灾害如滑坡、海啸以及环境问题；
天然气水合物的开发涉及多相多组分多物理场之前复杂的交互作用，需要在分子、孔隙、岩心及现场等不同的尺度进行多尺度综合的研究。储层的力学特性对温度、压力等物理场的变化具有较高的敏感性，这与其颗粒粒径、组分变化、水合物相态变化等紧密相关，本项目基于宏观尺度的连续介质力学框架进行本构模型描述和数值仿真平台搭建。基于所构建的本构关系，形成多场影响参数及多组分控制参数下的变形刚度矩阵和强度判断参数，将刚度矩阵嵌入到有限元多场耦合分析软件计算模块中，开发出针对水合物开采过程力学分析的的定制化软件模块。平台搭建完成后，探讨水合物安全高效开采中关心的问题，包括开采中井壁力学变形模拟及稳定性探讨，开采中储层沉降的模拟，开采过程的优化模拟。
通过神经网络的构建与优化学习，可以建立储层细观特性与宏观连续力学特性的映射关系，由此可在连续介质力学框架的材料本构关系、渗透率、饱和度等描述中引入储层细观特性的影响，开发针对特定储层的多场耦合有限元分析模型。在此过程拟解决的关键点包括：(a)基于已有的储层样品细观特性数据预测其宏观变形、强度、渗透率等参数并进行校正；(b)在每一个计算步实时获取温度场、孔隙压力场、应力场、应变场的数据并通过人工神经网络预测相关本构及强度参数；(c)实时构造力学变形计算所需的刚度矩阵并嵌入到循环计算模块中。
进展9 孙嘉鑫、毛佩筱等：形成了复杂水合物储层建模技术，厘清了渗透率各向异性对III类粉砂质黏土水合物储层开采产能的影响
由于实际水合物储层地形凹凸起伏，因此需要更加准确的储层建模技术用于开采产能的准确评价。以此为依托，开发了水合物储层产能预测软件TOUGH+HYDRATE中复杂地质体模型初始化和结果可视化软件，形成了复杂水合物储层建模技术。并以此为依托，基于中国南海SH2站位的实际地质参数，建立了III类水合物储层开采模型，揭示了渗透率各向异性对水合物分解行为及分解后流体运移和传热传质过程的影响规律。研究发现渗透率各向异性对水合物分解和产气具有较大影响。在1-100mD的水合物储层中，储层的横向渗透率越大，越利于提高产气。但在1-10mD的储层中，渗透率各向异性反而不利于提高产气效率。因此，我们认为进行水合物开采模拟时，需要考虑渗透率各向异性对开采产能的影响。针对10-100 mD水合物储层，应选择横向渗透率更大的储层。针对1-10 mD水合物储层，应选择渗透率各向同性的储层。在实际生产中，可以通过一些增产技术尽可能地提高中渗水合物储层的横向渗透率，从而提高水合物开采产能。此外，研究还发现利用均质地层模型进行渗透率各向异性对水合物开采影响的研究虽可揭示其规律，但会导致预测结果偏高。因此，在今后的产能预测研究中，应考虑采用非均质性储层进行水合物开采模拟，以提高预测的准确性。研究结果有助于明确储层物性对天然气水合物分解过程的影响，为今后的现场试验和生产提供参考。
参见以下软件著作权和论文：
孙嘉鑫，刘天乐，宁伏龙，蒋国盛. TOUGH+HYDRATE中复杂地质体模型初始化和结果可视化软件V1.0. 2020SR1560167.
Mao PX, Sun JX, Ning FL*, Hu GW, Wan YZ, Cao XX, Wu NY*. 2020. Effect of permeability anisotropy on depressurization-induced gas production from hydrate reservoirs in the South China Sea. Energy Science & Engineering. 8: 2690–2707.
进展10 黄满等：揭示了超临界N2O流体开发干热岩地热特性并发展了水射流技术
干热岩地热是重要的非常规地质能源。为了提高干热岩地热的开发效率，我们研究了新型采热流体N2O在热储层内的渗流采热特性，分别从生产温度、热功率、采收率、等方面分析了N2O增强地热系统的采热性能，并与H2O增强型地热系统和CO2增强型地热系统的采热性能进行了对比。此外，根据水射流的特性，我们发明了电截断式高压脉冲水射流，相对于传统的机械截断式水射流，电截断式高压脉冲水射流利用电火花击穿射流束形成间断射流，其运动部件少、可靠性高。后续，我们会在水射流割缝改造水合物储层方面开展研究工作，评估水射流割缝诱导的井周储层力学响应，并研究割缝井筒产气特性。
参考资料：
论文：Numerical investigation on heat extraction performance of an enhanced geothermal system with supercritical N2O as working fluid
发明专利：一种电截断式高压脉冲水射流发生装置
进展11 李彦龙等：提出了泥质粉砂水合物储层出砂调控精度设计方法及产气平稳度调控方法
南海北部水合物储层具有超高泥质含量、地层砂不均匀性强等特点，水合物开采过程中的潜在出砂风险大、控砂介质泥堵几率高，如何权衡泥质堵塞风险与控砂之间的矛盾，成为该类水合物开采控砂方案设计的关键。我们提出将水合物地层泥砂划分为粗组分、细组分，并针对粗、细组分分别采取不同的调控策略，即“防粗疏细”，由此建立了水合物储层控砂精度设计模型，进而形成了长井段开采井分层分段控砂精度设计的思路及具体分层方法。另外，与常规油气高含泥质储层相比，水合物开采过程中面临严峻的水合物二次生成堵塞风险，可能在近井地层、控砂筛管中形成二次水合物堵塞（即冰堵），冰堵效应与泥堵效应联合，加剧了控砂筛管失效风险，严重威胁平稳产气。为此，我们发明了水合物控砂介质堵塞工况模拟方法，通过物模实验摸清了冰堵导致控砂介质渗透率下降的基本规律，厘清了控砂介质冰堵风险的主控因素，提出了采用小功率电加热或细管回注手段以延缓或阻止冰堵发生及加剧的开采调控策略；同时，该现象的发现将为后续产业化开采过程中控砂介质材料、结构优选提供重要的参考依据。
参见论文：
Li Y, Ning F, Wu N, Chen Q, Nouri A, Hu G, et al. Protocol for sand control screen design of production wells for clayey silt hydrate reservoirs: A case study. Energy Science & Engineering. 2020;8(5):1438-49. doi: 10.1002/ese3.602.
Li Y, Wu N, Ning F, Gao D, Hao X, Chen Q, et al. Hydrate-induced clogging of sand-control screen and its implication on hydrate production operation. Energy. 2020;206:118030. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118030.
进展12 彭力等：研发了原子力显微镜水合物测试系统
国内外学者对水合物沉积物宏观力学行为取得比较全面的认识，但对力学行为的微观机理研究还很薄弱,更多聚焦水合物“量”的影响,而忽略了水合物本身“质”的作用,特别是水合物自身表面和力学性质以及水合物与骨架颗粒间的相互作用，而这些问题直接影响孔隙尺度下沉积物变形和储层出砂等问题。项目组联合德国Bruker公司和美国INSTEC公司历时四年合作研发了低温原子力显微镜系统，该系统采用超低温冷台技术、精密压力控制技术和综合除湿技术，是全球第一台超低温可用于水合物的原子力显微镜测试系统。运用该装置对水合物表面特性及微观力学进行了系统的研究，首次实现了微纳尺度下对水合物表面形貌、粗糙度、液膜和力学行为的精细表征；掌握了SiO2微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物间的粘附力；证实了水合物相变增强了其塑性软化行为，发现了水合物屈服应力存在阈值，这可能是含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一；阐明了THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因。该研究发现对揭示开采中水合物沉积物粘附力学行为以及储层出砂机理具有重要作用。
参见论文和专利：
彭力，李维，宁伏龙*，刘志超，张准，欧文佳，张凌，孙嘉鑫，蒋国盛，程万，田红. 基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试[J]. 中国科学：技术科学，2020，50（1）：31-40.
Fulong Ning, Li Peng, Wei Li, Dongdong Wang, Wenjia Ou, Zhichao Liu, Jiaxin Sun, Wan Cheng, Guosheng Jiang, Ling Zhang. Testing device and method for measuring adhesion force between gas hydrate and mineral particles[P]. 美国发明专利，US10775406B2，2020-09-15.
宁伏龙，彭力，李维，王冬冬，欧文佳，刘志超，孙嘉鑫. 一种气体水合物与矿物间粘附力的测试装置及方法[P]. 中国发明专利，ZL201811457122.8，2020-06-26.
进展13 毛佩筱等：厘清了渗透率各向异性对I类粉砂质黏土水合物储层开采产能的影响
渗透率对水合物的分解行为及分解后的流体运移和传热传质过程有着重要的影响。基于中国南海W19站位的实际地质参数，利用TOUGH+HYDRATE软件，建立了I类水合物储层模型。通过数值模拟的手段，进行了渗透率各向异性和渗透率值对黏土质粉砂储层水合物开采产能的影响研究。结果发现下伏游离气层的初始气体饱和度对产能具有明显的影响。下伏游离气层的气体饱和度越高，产能越好，但储层的分解率会降低，且水合物层下部生成的二次水合物越多。因此，应将初始气体饱和度作为生产评价的关键敏感参数。对于初始气体饱和度较低的储层，增加水合物层绝对渗透率，尤其是其水平渗透率，可提高产能，但水平渗透率的增加会显著增加二次水合物形成的风险。当水合物层的渗透率增加5倍以上时，二次水合物的形成对水合物分解率的影响显著。对于初始气体饱和度高的储层，增加水合物层或气层的渗透率有利于提高天然气采收率，尤其是提高水平渗透率，更有利于提高长期开采产能。但水平渗透率越大，形成的二次水合物越多，对水合物的分解率的负面影响更显著。因此，我们认为水合物分解率也是影响I类水合物储层产气动态的一个重要因素。研究成果可为I类水合物储层的天然气采收率评估和生产工艺优化提供参考。
参见论文：
Mao PX, Wu NY* Sun JX*, Ning FL, Lin Chen, Wan YZ, Hu GW, Cao XX. 2020. Numerical simulations of depressurization-induced gas production from hydrate reservoirs at site GMGS3-W19 with different free gas saturations in the northern South China Sea. Energy Science & Engineering.（修回）
进展14 毛佩筱等：发现了不同井型下天然气水合物开采的产气产水特征
如何实现天然气水合物资源安全高效开采是目前水合物产业化发展面临的主要技术难点。利用自制的天然气水合物复杂结构井模拟实验装置，分别开展了垂直井、水平二分支井（夹角90°）开采甲烷水合物的模拟实验，据此分析了不同开采条件下各井型产气产水规律。实验结果表明：1. 垂直井与分支井开采中，降压幅度是控制前期产气速率的主要因素；后期环境温度对水合物分解量的影响逐渐加强。2. 井型对水合物开采产能有明显的控制作用：垂直井开采降压幅度越大，产气情况越好，但实验尺度下累计产水量相差不大；水平二分支井（夹角90°）开采过程中，产气速率比射孔面积相同的垂直井更高，波动较小，但初始阶段产水明显。3. 降压-热激联合作用更利于天然气水合物分解和稳定产气。在降压-热激联合作用下，水平二分支井（夹角90°）比垂直井更利于长期稳产。研究获得了不同开采条件、不同井型对水合物开采的影响规律，可为多分支井在水合物开采中的应用提供试验数据和工程依据。
参见论文：
毛佩筱，吴能友，宁伏龙，胡高伟，孙嘉鑫，陈强，郭洋，卜庆涛，万义钊. 不同井型下的天然气水合物降压开采产气产水规律[J]. 天然气工业，2020，11(40): 114-125.
进展15 方彬等：揭示了表面活性剂在流动保障过程中抑制液烃相中水合物颗粒聚集过程的微观作用机制。
天然气水合物在海洋石油传输管道中的形成和聚集会导致严重的安全、环境问题以及油气工业中大量的经济损失。为有效解决这一问题，部分表面活性剂可作为抗凝聚剂用于海上石油管道中天然气水合物堵塞风险管理，但抗凝聚剂对于水合物聚集过程的抑制机理至今尚未完全认识清楚。我们选取防聚效果较好的多环芳香苯环酸类表面活性剂分子，采用分子动力学模拟手段，理论分析出该防聚过程可分为两个基本过程：首先是表面活性剂自发吸附于水合物颗粒表面，水合物表面由亲水性向亲油性转变，二是表面活性剂分子可弱化水合物颗粒间液桥的强度，在流体的作用下，有利于水合物颗粒的疏散。同时，表面活性剂的作用效果与分子官能团存在巨大联系。此外，该表面活性剂的吸附可有效减缓水合物颗粒的生长速率，存在动力学方面的影响，因此我们也将这类分子定义为类动力学型-防聚剂。本研究给出了表面活性剂分子在分子水平上的抗团聚机理图像，有助于实际应用中具有最佳抗团聚性能天然或商业防聚剂的开发。
参见论文：
Bin Fang, Fulong Ning*, Sijia Hu, Dongdong Guo, Wenjia Ou, Cunfang Wang, Jiang Wen, Jiaxin Sun, Zhichao Liu, Carolyn A. Koh*. The Effect of Surfactants on Hydrate Particle Agglomeration in Liquid Hydrocarbon Continuous Systems: A Molecular Dynamics Simulation Study. RSC advances, 10, 31027.
进展16 王冬冬等：利用水合物共振柱系统，结合实际水合物储层条件，系统刻画了含水合物沉积物在小应变条件的动力学特性。
天然气水合物钻探、试开采和相关模拟研究均表明，水合物开采极易诱发井壁失稳、储层出砂、地层沉降、气体泄漏、滑坡乃至地质灾害等问题，这将严重的制约水合物的产业化进程。而导致这些问题的总根源是：水合物开采导致水合物地层力学特性的改变。为了模拟研究水合物储层中不同空间位置的水合物沉积物在小应变试验条件下的动力学性质和动态响应，我们利用水合物共振柱测试了不同饱和度、孔隙度水合物沉积物试样，在不同围压、剪切应变条件下的主要动力学参数；系统地分析了剪切模量、阻尼比与围压、应变的动态响应关系；孔隙度、饱和度和水合物含量对剪切模量应力（围压）敏感指数的影响；剪切模量衰减曲线的变化规律；通过Berryman的预测公式，利用水合物沉积物的波速分析了水合物的分布特征；并探讨了不同分布模式下，剪切模量(波速)和 剪切模量的应力（围压）敏感指数随孔隙度和饱和度变化的规律和原因；对影响水合物沉积物阻尼比（衰减系数）的实质性因素—水合物和沉积物颗粒之间的未转化水进行了探讨，并提出了适用于粉砂质水合物储层衰减系数预测的计算公式。上述工作为全面掌握水合物储层的动力学特性提供了依据，对安全、高效和可持续开发天然气水合物具有重要意义。
参见论文
DongdongWang, Zhichao Liu, Fulong Ning*, Wei Hu, Li Peng, Gaowei Hu, Zhun Zhang, Qiang Luo, Xiaodong Li, Xiaofeng Dou, Lele Liu, Yanlong Li, Changling Liu*. Dynamic responses of THF hydrate- bearing sediments under small strain: Resonance column test. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2020，81: 103399.
进展17 张准等：阐明了含水合物沉积物孔隙结构参数演化规律，构建了含水合物沉积物渗透率与电阻率分形理论模型。
孔隙微观结构的探测与表征是深入理解并合理预测含水合物沉积物基础物性的重要基础。我们开发了一套低场核磁共振（NMR）和计算机断层扫描（X-CT）联合观测天然气水合物细粒储层微观结构新技术，建立了含水合物沉积物横向弛豫率标定方法，实现了含水合物沉积物多尺度孔隙结构表征。我们基于X-CT与NMR孔隙结构微观测试结果，从含水合物沉积物有效孔隙的分形特征出发，编制了一套含水合物沉积物孔隙空间三维分形维数计算软件，实现了X-CT、NMR、分形理论三位一体的含水合物沉积物孔隙结构与定量表征，进一步阐述了水合物含量及其赋存状态对沉积物有效孔隙参数的影响规律，构建了含水合物沉积物水力学和电学等基础物性参数的跨尺度关联模型，可为海洋天然气水合物资源勘探与开发提供理论参考。
参见论文专利：
Zhang, Z., Liu, L., Li, C., Meng, Q., Liu, C., et al. Fractal analyses on electrical properties of hydrate-bearing porous media and a guide for the proper selection of saturation exponent values in Archie's law. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2020. doi.org/10.1016/j.petrol.2020.107642
Zhang, Z., Li, C., Ning, F., Liu, L., Cai, J., Liu, C., et al. (2020). Pore fractal characteristics of hydrate‐bearing sands and implications to the saturated water permeability. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2020,125(03). doi: 10.1029/2019JB018721
张准,宁伏龙,刘志超,张凌,方彬,方彬,王冬冬,孙嘉鑫. 联合X-CT技术的水合物沉积物NMR弛豫信号量标定装置和方法. ZL 2018 1 0955350.1
含水合物沉积物孔隙空间分形维数计算软件V1.0, 2020SR0862167.
进展18 郭东东等：利用共聚焦显微拉曼光谱研究了油-水-气体系中水合物的形成和分解
深入了解油基钻井液和原油等以油相为主的乳液体系的稳定性，对于控制油水乳液体系中天然气水合物形成和分解时的风险管理具有重要意义。因此我们利用共聚焦显微拉曼光谱研究了油-水-气体系中水合物的形成和分解。结果表明，油相的存在会改变甲烷在体系中的浓度分布。同时也证实了水合物的形成和快速分解会破坏油水界面（WOI），甚至产生油滴链、水合物聚集、分散相合并、乳液反转等，从而破坏乳液的稳定性（图1）。水合物形成和分解导致乳状液不稳定的主要原因是水合物的形成改变了体系中甲烷的浓度，从而产生了较高的化学势梯度和WOI界面张力梯度（Marangoni不稳定性）。同时，实验中水合物的激发位置也会影响驱动力的大小。乳液的类型影响水合物形成过程中CH4的传质方向，从而影响驱动力的方向，导致水合物形成和分解对W/O和O/W乳状液稳定性的影响不同。根据乳状液类型和含水率的不同，提出了一个新的简单的水合物诱导乳液体系失稳模型，阐明了O-W乳状液水合物形成和团聚行为的影响。在深水油基钻井和油气输送过程中，由于水合物的快速生成和分解，在靠近钻井管道和输送管道内壁的区域，水合物引起乳化液不稳定性和水合物聚集的风险较高。我们的工作将为油基钻井液中水合物抑制剂的开发、寻找更有效的乳化剂、深水油气钻井和冻土水合物钻井的安全实施以及多相输送管道的设计和安全运行提供支撑。
参见论文：
Dongdong Guo, Wenjia Ou, Fulong Ning, Bin Fang, Shahab Ud Din, Xiangyu Fang, Wanjun Lu, Ling Zhang, Zhongjin He. The Effects of Hydrate Formation and Dissociation on the Water-Oil Interface: Insight into the Stability of an Emulsion [J]. Fuel. Volume 266, 15 April 2020, 116980. IF=5.578.
进展19 方翔宇等：总结了水合物储层开采出砂与防砂现状
出砂是制约水合物安全高效开采的瓶颈问题之一，从日本对海域砂质水合物储层进行的两次试采可以发现出砂问题较为严重。我国海域典型水合物储层属于弱固结的低渗泥质粉砂储层，其面临的防砂控泥与增产矛盾较为突出。厘清不同水合物储层和开采条件下的井眼出砂规律并揭示其机理,进而制定科学合理的防砂控泥措施以实现产能最大化是解决上述矛盾的途径所在。通过阅读国内外已有的关于水合物出砂方面的文献（结合研究内容，更加侧重于水合物出砂实验），我们从理论分析、数值模拟、室内实验和现场试采4个角度总结了世界范围内已开展的水合物出砂防砂情况，探讨了水合物储层出砂影响因素及出砂机理，最后指出了目前出砂研究存在的问题和挑战，并给出了相应的建议。上述工作为水合物储层流固产出规律认识及其调控技术研究奠定了坚实的基础。同时在阅读已有的出砂实验的文献基础上，通过仔细研究已有的国内外关于水合物出砂的实验装置，结合一些生产的实际，自行设计出一些水合物出砂装置与实验方法，并且均申请了专利，目前都中了实用新型专利，发明专利均进行实质审查阶段。
参见论文与专利：
宁伏龙,方翔宇,李彦龙,窦晓峰,王林杰,刘志超,罗强,孙嘉鑫,赵颖杰,张准,刘天乐,张凌,蒋国盛.天然气水合物开采储层出砂研究进展与思考[J].地质科技通报,2020,39(01):137-148.
宁伏龙, 方翔宇, 王林杰, 等. 评价水合物开采过程中水平井内出砂与防砂的装置[P], 2020.
方翔宇, 宁伏龙, 张凌, 等.评价CO2/N2置换法开采水合物时井筒出砂与防砂的装置[P], 2020.
方翔宇, 宁伏龙, 王林杰,等. 评价基于超声波与防砂筛网开采水合物产出的装置[P], 2020.
进展20 方翔宇等：揭示了不同储层因素对砂质与泥质粉砂水合物储层降压开采出砂的影响，提出了基于上述因素的砂质储层降压开采出砂预测模型
出砂是水合物开采面临的难点问题之一，不同的储层因素、开采因素以及完井因素等对水合物开采出砂都会产生影响。世界范围内的水合物储层主要为砂质与泥质粉砂，本年度主要利用水合物储层出砂与防砂实验设备，研究不同储层因素（水合物饱和度、上覆地层应力、储层中值粒径以及储层温度）下砂质与泥质粉砂两大类水合物储层降压开采时的出砂规律。同时还做了泥质含量对粉砂质水合物储层的开采出砂影响。通过一系列实验我们得出如下规律：对于砂质水合物储层：（1）出砂量随着水合物饱和度增加呈现逐渐增加的趋势，当水合物饱和度超过40%时出砂量增加明显；（2）随着上覆地层应力的增加，出砂量呈现出先增加后减少的趋势；（3）随着储层中值粒径的减小，出砂量逐渐增加；（4）储层初始温度对出砂量影响不大。对于泥质粉砂水合物储层：（1）出砂量随着水合物饱和度的增加呈现出先增加后减少的趋势；（2）出砂量随着上覆地层应力的增加而逐渐减少；（3）随着储层中值粒径的减小，出砂量逐渐增加；（4）随着储层初始温度的增加，出砂量减少。另外还发现泥质粉砂型水合物储层中随着泥质含量的增加出砂量呈现出先增加后减少的趋势。
在砂质水合物储层开采过程中，水合物分解中与分解后均会面临出砂风险，而泥质粉砂水合物储层出砂主要集中在水合物分解初始阶段。引起这一区别的主要原因在于两大类水合物储层的砂颗粒介质不同进而导致防砂筛网处形成的挡砂介质存在差异，从而诱发不同的出砂现象。我们的工作形成了两大类水合物储层在4个不同储层因素下开采时的出砂行为这一体系，为水合物储层开采过程中出砂量预测以及防砂方案选择奠定了一定的基础。
进展21 罗强等：总结了现有水合物微观力学测试装置研究现状和测试结果，测量了颗粒间水合物切向力和液桥力
基于2019年度的水合物微观力学测试装置研发项目内容，对国外最早的常压水合物微观力学测试装置，到现阶段的高压环境的测试装置进行了归纳总结。包括常压气相环境（空气、氮气、环戊烷气态等）、液态环境（正葵烷、环戊烷液态、各类添加剂等）、高压气相环境（二氧化碳、甲乙烷混合气、甲烷气等）。厘清了不同环境下测试结果的力值范围。这对我们自己开展实验，拟定实验计划，分析实验结果起到很好的参考作用。（论文整理中）
在常压空气环境下，以四氢呋喃溶液为材料进行了水合物颗粒间，以及水合物颗粒与泥砂颗粒间的切向力测试。在不同法向力条件下测得的切向力值符合摩尔库伦强度准则。摩擦角在一个比较稳定的范围内变化，切向力值随着法向力增加而变大。（论文整理中）
另外颗粒与水滴接触时的初始力值与拉开液桥时的最大拉力值基本一致。测试力值结果与颗粒的材质不同以及表面性质有关。（论文整理中）对电动位移台电缆进行了改造，实现了带压条件下的电动位移台动作。配合恒温循环浴的温度控制，使滴定在探针上的液滴在甲烷气条件下形成了甲烷水合物颗粒。根据检测的氧气浓度和可燃气体爆炸极限，保证在安全条件下进行测试。