清华新闻网3月25日电 天然气水合物（可燃冰）是一种尚未开发、资源潜力巨大的非常规天然气资源，仅我国南海北部陆坡的资源量就达数百亿吨油当量，是保障我国未来能源安全的重要战略接替资源。其中，I类天然气水合物储层展现出极强的商业化开发潜力。受实验装置技术瓶颈限制，现有实验室内研究多聚焦于结构简单的III类储层，而I、II类储层因难以精准模拟原位地热梯度与层间相互作用，相关实验验证匮乏，成为制约天然气水合物安全、经济、规模化商业开采的关键科学与技术瓶颈。
图1.南海天然气水合物储层分布与特征：（a）（b）CMGS6-SH02井与SHSC-4井的区域地质背景、井位及测井结果综合直方图。（c）I类储层开采示意图。（d）反应釜内的I类储层。（e）天然气水合物储层分类（H：水合物；W：水；G：气体）
近日，清华大学深圳国际研究生院訾牧聪副教授团队针对上述难题，自主研发了新型360°可旋转分段控温高压反应釜系统，在实验室尺度实现了I、II、III类天然气水合物储层的精准模拟，系统阐明了三类储层降压开采过程中的差异化产气特性与作用机制，为我国南海天然气水合物商业化开采方案优化提供了关键的实验支撑与理论依据。
图2.I类天然气水合物储层合成与开采过程示意图：（a）-（f）实验步骤
团队通过系统的室内实验与理论分析，取得了一系列突破。首先，团队创新研发了新型实验模拟系统与样品制备方法，突破了储层模拟技术瓶颈。研究团队自主设计了一套带双独立水浴夹套的360°可旋转高压反应釜，配套建立了“水合物合成—旋转—降压开采”的全流程实验方法，攻克了传统实验装置无法同步模拟储层原位地热梯度、水合物层与下伏层间相互作用的行业难题。该装置可精准控制I类储层，使得水合物层温压条件处于相平衡曲线内、游离气层处于相平衡曲线上，完美还原南海原位海洋沉积储层特征。同时，研究团队创新采用了氮气示踪技术，实现了游离气与水合物分解气的实时精准区分，明确了不同气源对产气的贡献占比，为水合物开采领域数值模拟模型提供了关键的实验校准与验证依据。
其次，研究系统揭示了三类典型水合物储层差异化产气规律，明确I类储层开发优势。团队研究发现，在水合物总量恒定的控制条件下，I类储层呈现显著的“两阶段产气”特征：开采早期以下伏游离气层产气为主；开采后期水合物分解气成为主导。研究同时阐明了三类储层的核心产气差异：I类储层的游离气层可显著加速压力传递，通过强对流作用向上补给水合物分解的吸热损耗，实现产气的持续稳定；II类储层的下伏水层虽能提供显热缓冲，抑制水合物层过度降温，但水锁效应会严重阻碍层间热流传递，导致产气效率最低、产水量最高；III类储层均质的水合物分布使其初始分解速率快、累计产气达到90%所需时间最短，但缺乏可动流体的能量与物质支撑，后期产能快速衰减，稳产能力不足。
图3.全工况核心开采指标统计：（a）累计产气90%耗时（t90）与气水比（RGW）。（b）天然气采收率与水产收率（RG、RW）
最后，研究团队明确了量化关键参数影响机制，为现场开采优化提供核心实验依据。研究团队针对I类储层，系统开展了初始温度、水合物饱和度、井筒开采压力等关键参数的敏感性分析，明确了各参数对开采效率的调控机制。研究表明，储层低温会削弱水合物分解驱动力、增加流体渗流阻力，显著延长开采周期；低水合物饱和度会降低总产气潜力，但可有效提升储层渗透率，加快压力传播与产气进程；高开采压力会削弱分解驱动力，但可大幅降低累计产水量，实现气水比的优化提升。同时，研究发现，过度降压会增加储层局部水合物二次生成与冰堵风险，为现场开采的井筒压力调控、防堵工艺设计提供了重要的实验参考。
针对该领域未来发展，团队提出了下一步重点研究方向：聚焦水合物层与游离气层界面处的三相共存区，开展精细化表征；厘清开采过程中下伏气体窜流对上覆水合物储层稳定性的干扰机制；结合分布式温压声传感、同位素示踪等先进技术，精准刻画储层物性的时空演化规律，最终构建完善的天然气水合物商业化开采理论与技术体系。
研究成果以“实验室合成的I、II、III类水合物储层的差异化产气特性：一种新型热分段可旋转方法”（Distinct gas production characteristics from laboratory-synthesized Class I, II, and III hydrate reservoirs: A novel thermally-segmented rotatable approach）为题，于3月19日发表于《国际矿业科学技术学报》（International Journal of Mining Science and Technology）。
清华大学深圳国际研究生院副教授訾牧聪为论文通讯作者，清华大学深圳国际研究生院2023级博士生叶鸿宇为论文第一作者。论文共同作者包括清华大学深圳国际研究生院教授陈道毅、2025级博士生李杰、2025届博士毕业生姚远欣、2023级博士生段军，福州大学研究员吴学震，中国石油大学（华东）教授李大勇。研究得到国家自然科学基金、深圳市科技计划项目、广东省海洋经济发展（六大海洋产业）专项资金等的资助。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095268626000029
供稿：深圳国际研究生院
编辑：李华山
审核：郭玲
