天然氣水合物是全球非常規油氣資源勘探開發的熱點。我國南海可燃冰儲量約為680億噸油當量，但多屬於富含細顆粒粉砂和膨脹性黏土的泥質粉砂型水合物藏，開采難度大。細顆粒黏土分布在砂質孔隙之內，黏土的膨脹作用、孔隙水運移特性和轉化規律對孔隙內甲烷水合物動力學的影響尚不明晰。針對儲層中黏土礦物作用下氣體水合物生成和分解相變動力學及其引起的孔隙結構動態演化規律研究仍然較少。孔隙尺度下，黏土細顆粒對於泥質粉砂型水合物藏開發過程的氣-水-砂產出規律等尚不明晰。以上問題亟待開展研究。

蒙脫土存在下甲烷水合物生成和分解造成孔隙水運移與孔隙結構變化示意圖

　　近日，清華大學深圳國際研究生院海洋工程研究院殷振元助理教授團隊利用自主搭建的原位低場核磁共振儀，從孔隙尺度揭示了泥質粉砂型水合物儲層中膨脹性黏土礦物-蒙脫土存在下甲烷水合物動力學、黏土膨脹與收縮效應、孔隙結構演化以及孔隙水的動態演化過程。研究提出了一種壓汞與核磁共振聯用標定孔隙尺寸方法，定量表征了T2譜與孔隙尺寸分布間的關係，並獲得水合物生成分解過程中孔隙演化特性。研究發現，鈉基蒙脫土在水合物生成初期，促進甲烷水合物生成並引起黏土束縛水的消耗；然而，蒙脫土的存在減慢了甲烷水合物生成速率，導致黏土束縛水轉化率較低，僅為砂質孔隙水的三分之一。在生成過程中，研究團隊在泥質粉砂和石英砂兩種多孔介質中均觀察到T2譜右移現象，表明固相水合物填充孔隙空間造成孔隙比表麵積逐漸減小。

　　在降壓分解過程中，研究團隊發現，水合物首先在砂質大孔隙中分解，之後在黏土質小孔隙中分解。分解過程伴隨著分解產出水的運移和轉化：從砂質大孔隙（約150微米）向黏土小孔隙（約2微米）運移並轉化為黏土束縛水，過程中黏土發生水化膨脹引起孔隙結構改變。該研究揭示了小粒徑黏土礦物影響下，甲烷水合物生成與分解對泥質粉砂多孔介質孔隙結構與孔隙水運移的作用機理。研究結果為後續安全高效開采泥質粉砂型天然氣水合物提供了基礎實驗數據和理論指導。

　　相關研究成果以“孔隙尺度泥質粉砂型甲烷水合物動力學的低場核磁共振研究”（Pore-scale investigation of CH4 hydrate kinetics in clayey silty sediments by Low-Field NMR）為題，作為封麵論文發表於期刊《能源與燃料》（Energy & Fuels）。論文第一作者為清華大學深圳國際研究生院2021級博士生任俊傑，論文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院殷振元助理教授。論文作者還包括中海油研究總院水合物與海洋資源戰略研究中心李清平博士、蘇州紐邁分析儀器股份有限公司吳飛博士、清華大學深圳國際研究生院陳道毅教授、中國石油大學（華東）李淑霞教授。該研究得到國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃、深圳市科創委等部門的資助。