针对天然气水合物储层低渗透性,盖层不成岩的特点,本文提出一种基于二氧化碳水合物原理的储层改造方法,将天然气水合物储层改造/开采与二氧化碳封存结合起来。本论文通过成藏模拟实验,掌握了水合物储层特征,如水合物产状、储层渗透性、储层强度等;进行了模拟开采研究,掌握了开采过程中的产气规律以及储层内部流体运移分布特征,确定了影响开采效率的关键因素;进行了二氧化碳水合物生长动力学研究,给出了适于“储层改造”的二氧化碳注入参数;进行改造-开采模拟实验,研究了二氧化碳水合物盖层对天然气水合物开采效率的影响,并证明了该技术方案的可行性。主要研究内容如下:通过将含甲烷盐溶液的运移速率以及溶液中甲烷的过饱和度降至很低的水平,获得了一个预期的低水合物生成速率(0.37%孔隙体积/天)。水合物生成过程中,沉积物内存在一个水合物的动态演化过程:结晶-运移-聚集-重结晶,该动态演化过程使得局部水合物饱和度增加。沉积物中水合物老化对孔隙的连通性以及沉积物的强度有显著的影响。老化后水合物的最终形态为骨架支撑型和补丁型。但是补丁型水合物可能只存在于高水合物饱和度区。水合物形态转变导致基于孔隙连通性的预测模型反演得到水合物饱和度偏高,如本章中电阻率反演结果。因此,数据反演应该基于孔隙形态分析来选择合适的模型。水合物的空间分布主要受温度场、甲烷浓度场、流动场的影响。本章中实验结果表明当成藏环境中甲烷很难获取以及温度梯度很小的时候,水合物分布不连续,这种不连续性会影响到水合物的开采效率,所以在实验研究以及数值模拟研究中应该更多的关注。研究了水合物分布的不连续性以及外部水侵对水合物藏降压开采产气过程的影响。降压过程中含水合物沉积物的电阻率主要由气相饱和度和水合物饱和度共同决定,而与温度以及孔隙水盐度变化的相关性相对较弱。水合物分解过程中引起的水相和气相重新分布是沉积物电阻率发生变化的主要原因。当水合物储层不封闭与外部水层接触且水合物分布不连续时,受―水锁‖和―水侵‖的持续影响,开采初始阶段以产水为主,部分产出气体被封闭在沉积物中持续累积,后续的快速产气阶段持续时间短且不连续,气体运输通道始终被限制在很窄的范围内,整体开采效率不高。水合物饱和度高的区域内分解过程受水侵的影响相对较弱;在水合物饱和度低的区域内易受水侵的影响。距离采出口较远的区域“水锁效应”更加突出,释放的气体大量存留于孔隙当中。研究了多个变量对沉积物中二氧化碳水合物生长动力学过程的影响。实验发现:一定条件下,水合物初始生成速率随着温度的降低而加快,但是高过冷度(低环境温度)条件下,水合物初始生成速率受传质阻力增加的影响反而变慢。但是最终的实验结果表明温度越低水合物转化率越高。低压气态二氧化碳生成水合物的速率远小于高压液态二氧化碳条件下的值,而且高压条件下水转化率更高。随着含水率的降低二氧化碳水合物生成的初始速率更快,而且最终的转化率更高。颗粒粒径越小,二氧化碳水合物初始生长速率越快,但是在大颗粒床层中水转化率略高。过高的推动力以及过快的水合物生长速率会导致二氧化碳水合物开始生成后的一段时间内传质阻力增加限制水合物的进一步生长。在低压条件下,低浓度抑制剂的加入对水合物的生长过程有明显的抑制作用,而且随着水合物反应的进行抑制效果更加明显。但是高压条件下,需增加抑制剂浓度才能产生明显的抑制效果。进行了天然气水合物储层改造实验:前期实验证明注二氧化碳改造法能够构造出适宜降压开采的封闭储层环境,提高甲烷水合物的产气速率和产气比。当没有人工盖层时,降压过程诱使储层上覆海水不断侵入到水合物储层当中,使得降压操作失败。这种情况下,产气过程伴随着大量的产水,整个开采过程气水比极低,直接降压法失效。在可渗盖层内注入液态二氧化碳后,成功在天然气水合物储层上方形成了一个低渗人工二氧化碳水合物盖层,为降压开采构建了一个封闭的环境。二氧化碳水合物盖层能维持足够长时间的力学稳定性直到降压操作结束。在二氧化碳水合物盖层的保护下,降压过程的产气效率极大提高,产水量显著降低。实验过程中发现了盖层在降压过程中经历了三阶段的动态演化过程:增厚-退化-失稳。基于分形理论,建立了含水合物沉积物渗透性预测模型。模型考察了水合物形态、分布、孔隙结构、水合物生成方法等因素对沉积物渗透率的影响。研究结果表明,水合物均匀分布模型仅在低饱和度条件下有较好的预测结果,水合物饱和度增加,预测误差增大。非均匀分布模型中的大孔填充模型对自然中的取芯样品以及过量水制备的水合物样品的渗透性预测较好,大孔包裹模型则对由自由气生成的水合物样品的渗透性预测较好。大孔包裹模型准确预测到了包裹型水合物随着饱和度增加发生形态转变的过程。