基于水合物降压开采的孔隙水变化对细粒土的表征及压—渗性影响研究

Study on the Influence of Pore Water Change on the Characterization and Compressibility-Permeability of Fine-Grained Sediment During Hydrate Depressurization Mining

摘要

探讨了细粒沉积物在天然气水合物分解过程中对储层性质演化的影响，特别是孔隙流体化学变化对沉积物土层宏微观性质的作用。通过压缩及渗透性试验、高压反应釜中水合物的分解试验，分析了不同代表性细粒土（黏土—蒙脱土和非黏性土—硅藻土）的电化学敏感度及其对水合物分解行为的影响。试验结果显示，硅藻土具有较高塑性，中等偏低电化学敏感度，蒙脱土则具有高电化学敏感度。硅藻土的压缩性在非极性流体中最大，但在去离子水中最小，蒙脱土则相反。此外，在去离子水作用下，水合物在硅藻土中分解时间较长，而在盐水中则较短，表明盐水条件促进硅藻土中水合物的分解。研究揭示了孔隙流体化学性质对颗粒组构及沉积物储层压缩性和渗透性的影响，以及细粒土电化学敏感度对水合物分解行为的重要性。

Abstract

Fine-grained sediments are integral to the evolution of reservoir properties during the depres-surization and decomposition of unconventional clean energy sources，such as gas hydrates.As gas migrates from the dissociated hydrate to the production well，it releases substantial amounts of fresh water and induces chemical alterations in the pore fluid.The diminutive size and distinctive properties of fine particles render them particularly sensitive to changes in the electrical forces between particles，which are modulated by variations in pore water composition.Consequently，it is imperative to consider the impact of changes in pore fluid chemistry on the macro- and micro-properties of reservoirs during hydrate exploitation.This study seeks to predict alterations in sediment compressibility and permeability resulting from chemical changes in the pore fluid by analyzing the electrical sensitivity index of various representative fine-grained soils（such as cohesive clay-montmorillonite with a particle size of ≤75 μm and non-cohesive soillike diatom）.Additionally，it investigates the behavior of fine-grained sediments during hydrate decomposition under diverse pore fluid conditions.The findings indicate that diatom exhibits significant plasticity but possesses moderate to low electrical sensitivity，whereas montmorillonite displays high electrical sensitivity.The compressibility of diatom，ranked from highest to lowest：Is observed in non-polar representative fluid（kerosene），seawater representative fluid（brine），and deionized water. Owing to its distinctive internal structure，diatom demonstrates both high compressibility and elevated hydraulic conductivity.Conversely，the compressibility of montmorillonite is ordered as follows：Deionized water，brine，and kerosene.Moreover，diatom consistently exhibits greater compressibility than montmorillonite across all pore fluids.Additionally，under deionized water conditions，the hydrate within diatom requires a longer decomposition time compared to montmorillonite. However，under brine conditions，the opposite trend is observed，with brine facilitating a more rapid decomposition of hydrate in diatom. This study further elucidates that the chemistry of pore fluids can influence particle fabric，thereby affecting the compressibility and permeability of sedimentary reservoirs. Furthermore，the electrical sensitivity of fine-grained soils can also impact the behavior of hydrate dissociation.

Graphical abstract

关键词

细粒土 / 电化学敏感度指数 / 压缩性 / 渗透性 / 水合物 / 降压分解

Key words

fine-grained sediments / electrical sensitivity / compressibility / permeability / hydrate / depres-surization

天然气水合物是一种具有广阔前景的非常规清洁能源，广泛分布于海底沉积物和极地冻土带（Hassanpouryouzband et al.，2020；He et al.，2024；Li et al.，2024a）。然而，天然气水合物开采过程可能引发储层的地质力学响应，如降压开采导致的孔压降低和瞬时有效应力增加，以及孔隙流体变化引起的土层压缩性和渗透性改变。研究表明，南海原位沉积物的渗透性随孔隙流体盐浓度的增加而增强，但受应力影响则减弱（宋德坤等，2024）。水合物的存在通过改变孔隙结构影响沉积物中水的相对渗透率（王自豪等，2022），而储层中多孔介质的粒径和轴向压力变化也会影响渗透率（曾家明等，2021）。通过对粉质储层中不同水合物饱和度的CH₄和CO₂水合物粉质沉积物进行一系列各向同性固结试验和剪切试验，结果表明，水合物的存在降低了粉质沉积物的压缩和膨胀指数（Luo et al.，2020）。在减压产气条件下，砂—黏土互层含气水合物矿床的地质力学响应表现为无水合物黏土层渗透率增强和储层压实程度加大（Sohn et al.，2024）。储层渗透率的增加会导致井底降压幅度的增加，从而进一步导致沉降速率和沉降量的增加（万义钊等，2018）。研究还指出，水合物分解尺度对海底地质稳定性具有显著影响，大规模分解可能导致海底下沉甚至滑坡，降压开采过程中海底沉降发生率可达20%（Song et al.，2019）。

细粒沉积物几乎普遍存在于各类天然气水合物储层中，在天然气水合物开采过程中不同类型的细粒沉积物对储层性质的影响亦不相同（Russell et al.，2017；Liu et al.，2019；Li et al.，2024b）。在大多数情况下，孔隙流体化学变化对细粒沉积物行为的影响较粗粒沉积物更显著。例如，降压法开采水合物过程中，气体从解离的水合物流向生产井的同时会释放出大量的淡水，从而改变孔隙流体的性质（Wu et al.，2008；Jang et al.，2016；Cao et al.，2019）。某些细粉颗粒表面带有电荷，原位水的高离子含量原本会抵消一些细粉颗粒的表面电荷，从而减少可以束缚颗粒本身的流体层（Weitemeyer et al.，2006；张东旭等，2024），然而，随着水合物分解释放出大量淡水，使得原位水的离子浓度降低（释放出的淡水虽然有极性但不包含额外的自由离子水），但不会抵消细粉颗粒的表面电荷，此外，额外的水层还将束缚在细粉颗粒周围并增强颗粒间距，使颗粒之间形成更加分散的织物，这意味着细粒膨胀的效果可能会更好（张炜等，2022；Liu et al.，2023a）。由于很多天然气水合物都是储存在细粒沉积物中或以细粒沉积物作为封闭介质（Zeinijahromi et al.，2016；Prempeh et al.，2020；Zhang et al.，2022），孔隙流体化学变化对含天然气水合物细粒储层的性质会产生一定的影响（Chen et al.，2023；Guan et al.，2023），但并非所有细粒对孔隙水化学性质的变化都表现出相同的敏感性。因此，探索不同细颗粒的电化学敏感度，并明确不同孔隙流体化学性质变化对储层压缩性和渗透性变化的影响是有必要的（Wang et al.，2024）。为了有效地预测孔隙流体化学变化对细粒沉积物性质的影响程度，Jang et al.（2016）生成了电化学敏感度的定量描述，提出了矿物电化学敏感度指数（S_E），以明确细粒变化与孔隙流体化学之间的关系（Jang et al.，2016；Liu et al.，2023b）。

综上所述，目前大部分研究集中在开采过程中粗砂颗粒以及水合物相变等自身性质对沉积物储层压缩性及渗透性的影响，缺乏从细粒沉积物本身及其对孔隙流体性质变化敏感程度的角度，分析水合物对储层性质影响的研究。鉴于此，本研究尝试从细粒沉积物的角度出发，确立电化学敏感度指数（S_E）与常见代表性细粒黏性土（蒙脱土）和非黏土（硅藻土）压缩性及渗透性的关联关系，明确孔隙流体化学与应力变化的关联机制；通过水合物高压反应釜，实时观察水合物分解过程中不同孔隙流体化学对代表性细粒黏性土（蒙脱土）及非黏性土（硅藻土）表征行为的影响，验证了水合物生成及分解过程中孔隙流体化学对含水合物黏性土和非黏性土的作用存在差别，可为水合物开采预测建模过程，提供将沉积物特征数据转化为可预估储层压缩性和渗透率变化的理论基础。

1 试验部分

1.1 材料

为广泛且有针对性地说明孔隙流体在不同沉积层中的电化学敏感度以及在不同颗粒形状和粒径范围内的电化学作用，根据实际天然气水合物成藏区域特点（Cao et al.，2016；Ye et al.，2020），选择水合物成藏区域常见细粒沉积物（粒径小于等于75 μm）端元矿物中2种代表性黏性土（蒙脱土）及非黏性土（硅藻土—硅质微化石）作为研究对象，相关参数见表1（Bahk et al.，2013；Sun et al.，2014；Egawa et al.，2015；Zhou et al.，2019）。除此之外，2种端元矿物分别代表了高、低程度的电化学敏感度，而不同电化学敏感度的细粒土对水合物的生成和分解具有不同的影响。蒙脱土通常具备高电化学敏感度指数且易膨胀（Ren et al.，2023），硅藻土则是水合物成藏区域常见的一种细粒土，具备独特多孔和中空内部结构，且这2种细粒土在水合物储层矿物表征测量过程中常常出现测量不准确的实际问题（Tanaka et al.，1999；Jung et al.，2011；Jung et al.，2019）。本试验研究使用的孔隙水包括去离子水（DW）、NaCl盐水（2 mol/L）和煤油。其中，前2种流体代表了地下孔隙流体变化过程中可能出现的流体，煤油则是非极性和低介电常数的代表性流体（Jang et al.，2016）。试验时分别测试2种端元细粒土分别针对每种孔隙流体的电敏感性，从而评估细粒之间的电相互作用随流体介电常数和离子浓度的变化。

1.2 试验方案

为研究水合物降压分解过程中孔隙水变化对细粒土压缩性和渗透性的影响，基于2种土的电化学敏感度，在去离子水、2 mol/L盐水和煤油这3种孔隙流体中对蒙脱土和硅藻土细粒土进行高压反应釜水合物分解试验以及压缩性和渗透性试验。高压反应釜试验中初始温度设为2 ℃，初始压力设为4 MPa，配置650 mL悬浮液，搅拌均匀使其液面位于可视窗中间位置（75~80 mm）。通过采用相同细粒土和孔隙流体开展固结试验，量化了孔隙流体离子浓度和介电常数对沉积物可压缩性的影响，并根据在沉积物中观察到的电化学敏感度和颗粒行为对细粒土压缩性和渗透性结果进行分析。

1.3 试验方法

（1）压缩及渗透性试验

采用6.35 cm固结仪（Geotac），按照《土壤单向固结性能的标准试验方法》（ASTM D-2435-02）（ASTM，2011）规范，对含有3种不同孔隙流体的饱和细粒土进行一维压缩和渗透性试验。本试验使用的孔隙流体包括去离子水和NaCl盐水（2 mol/L），并使用低介电常数流体（煤油）来表征去离子水和盐水中细粒之间的电灵敏度差异（Jang et al.，2016）。

试验采用增量加载固结法研究了饱和细粒土在不同孔隙流体作用下的压缩性和渗透性。样品采用相同干重量（100 g）的硅藻土和蒙脱土制备，并将细粒沉积物端元矿物含水量确定为细粒土所测量的液体极限（LL）的1.2倍。在压缩性试验过程中垂直应力首先分8个步骤从20 kPa加载至1 280 kPa，每一步加载量加倍，加载结束后再卸载至640，160，40 kPa，最后再从80 kPa加载至1 280 kPa，每步加载应力再次加倍。每步加载应力允许一直加载，直至位移曲线出现平台为止。试验测试装置如图1所示。进行固结试验时，首先将试验样品在80 ℃的烤箱中烘干，然后分别与3种孔隙流体混合并稳定24 h，再放置在高度为19.05 mm、直径为63.5 mm的刚性固结环中，在固结试验过程中，样品应完全浸没在相应的孔隙流体中。

根据指定的加载力学变化，对该试验结果进行了计算和分析，以突出不同孔隙流体对细粒材料的影响，计算参数包括渗透系数（k）变化、固结系数（C_v）变化、压缩指数（C_c）及回弹指数（C_r）变化（Terzaghi，1943）。除体积变化系数（m_v）之外，还采用Taylor法计算固结系数（C_v）。然后，根据孔隙流体的单位重量（γ_f）计算渗透系数（k）（ASTM， 2011）。

（2）水合物分解高压可视化反应釜试验

本次研究采用自主研发的高压低温水合物反应釜系统（碳氢科技保定有限公司）对含有不同孔隙流体的饱和细粒土进行仿真试验研究（图2）。在试验开始之前，需要对试验管路系统进行气密性检测，并利用去离子水对反应釜进行彻底清洁后烘干。利用去离子水和所需土颗粒分别制备650 mL悬浮液（土含水率及饱和度大于100%），搅拌均匀，并放入反应釜中。为了便于观察气—液接触面反应情况，使悬浮液面与可视窗中间位置齐平（反应釜内壁高度为150 mm，视窗中间位置为75~80 mm）。使用CO₂模拟水合物生成及分解过程，试验中打开CO₂气瓶使釜内充满气体，同时打开排气阀，将反应釜内的空气排出；打开水浴装置，使釜内温度稳定在15 ℃，用CO₂气体在室温状态下将反应釜加压至2.5 MPa，并保持稳定1 h，对釜内悬浮液进行CO₂饱和操作。接着打开CO₂气瓶将反应釜加压至4 MPa，并调节水浴装置将反应釜冷却至试验所需温度（2 ℃），在此过程中诱导水合物的生成。水合物形成的标志是压力曲线的突然下降和温度曲线的骤增，并伴随着肉眼可见的水合物颗粒的出现。当反应釜内压力值一段时间内基本保持不变时，视为水合物已完全生成。反应过程中釜内的压力和温度可通过数据采集软件进行实时监测和记录。水合物和土颗粒的形貌可通过显微镜（韧跃高清工业显微镜）和摄像机（青视工业相机）进行实时观测。随后打开排气阀，以恒定速率对反应釜内水合物进行降压分解观测，分解过程中记录温压变化和水合物分解变化过程。

2 结果与讨论

2.1 压缩性及渗透性试验

本研究开展了2种含水合物储层代表性细颗土（黏性土—蒙脱土和非黏性土—硅藻土—硅质微化石）对孔隙流体化学性质和应力变化的响应，分析了不同孔隙流体条件下这些细颗粒的行为特征。通过固结仪开展压缩性和渗透性试验，评估了细颗粒沉积物的地质力学性质（如压缩性和渗透性）对孔隙流体化学的依赖性，分析了孔隙流体化学性质对端元细粒土膨胀性、压缩性和渗透系数的影响。

图3所示为蒙脱土和硅藻土在不同孔隙流体化学作用下的压缩特性。由图3可知，在不同孔隙流体条件下，硅藻土的初始孔隙比变化趋势相似，且煤油可以导致最高的初始孔隙比。由于颗粒表面的电化学相互作用，盐水中硅藻土的初始孔隙度高于去离子水中的硅藻土。由于蒙脱土的膨胀性，其在去离子水中表现出明显的高初始孔隙比。

（1）电化学敏感度指数与压缩性

电化学敏感度指数（S_E）采用含相对液限（LL）参数来定义（Jang et al.，2016），是分析细颗粒对孔隙流体化学变化的反应能力，计算公式如下：

S_{\mathrm{E}}=\sqrt[]{{\left(\frac{L{L}_{\mathrm{D}\mathrm{W}}}{L{L}_{\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{e}}}\left|-\mathrm{1}\right.\right)}^{\mathrm{2}}+{\left(\frac{L{L}_{\mathrm{k}\mathrm{e}\mathrm{r}}}{L{L}_{\mathrm{b}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{e}}}\left|-\mathrm{1}\right.\right)}^{\mathrm{2}}}（1）

式中：LL_DW、LL_brine和LL_ker分别为在去离子水、盐水和煤油中测量的液限。

根据以往研究（Jang et al.，2016），细粒土可根据电化学敏感度划分为低敏感、中等敏感和高敏感。根据细粒沉积物的塑性，将它们分类为无、低、中或高塑性。如表1所示，硅藻土的塑限（PL）高于蒙脱土，但塑性指数（PI=LL-PL）远低于蒙脱土。因此，硅藻土被认为是具有较高塑性的测试材料，这是由于硅藻土独特的多孔结构使得沉积物可以饱含额外的水分。硅藻土具有中—低电化学敏感度指数，因为在去离子水和盐水中硅藻土的液限相似，但对介电常数（煤油）的变化（LL_ker/LL_brine）反应较为敏感。相比之下，蒙脱土颗粒小且表面多余电荷较多，对孔隙水化学中离子浓度（盐水）和介电常数（煤油）的变化均表现出强烈的响应，因此，蒙脱土是所有测试的细颗粒沉积物中具有最高的电化学敏感度的细粒。当细粒沉积物对孔隙流体变化极其敏感时，岩土沉积层中细粒物质组成和孔隙流体性质的变化均对水合物储层性能起着至关重要的作用，这些细颗粒的变化可能会损害或增强地层的地质力学性质。因此，探索与地质力学参数（如压缩性、渗透率和储层强度等）相关的细粒土电化学敏感度是必要的。

本研究通过固结试验确定了细粒土（硅藻土和蒙脱土）在不同孔隙流体中的压缩指数C_c和回弹指数C_r，如表2所示。这些指数表示由于有效应力变化而引起的孔隙比变化（李广信，2016）。根据压缩曲线（图3），压缩指数C_c和回弹指数C_r可表示为

\begin{array}{l}{C}_{\mathrm{c}}\mathrm{o}\mathrm{r}{C}_{\mathrm{r}}=\frac{e_{\mathrm{100}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}}-e_{\mathrm{1000}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}}}{\mathrm{l}\mathrm{g}\left(\mathrm{1000}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}/\mathrm{100}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\right)}\\ =e_{\mathrm{100}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}}-e_{\mathrm{1000}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}}\end{array}（2）

式中：e_{\mathrm{100}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}}和e_{\mathrm{1000}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}}分别为100 kPa和1 000 kPa垂直有效应力下的孔隙比。

固结试验结果表明，细粒土孔隙流体对细沉积物的可压缩性具有重要影响，孔隙流体的化学性质影响重塑样的孔隙结构和初始孔隙比。压缩性指数C_c和C_r对电灵敏度的依赖性如图4所示。由图4可知，重塑样品细颗粒沉积物的压缩性取决于孔隙水性质，孔隙水化学影响重塑细颗粒沉积物的组构和初始孔隙比（Burland，1990；Cerato et al.，2004；Shipton et al.，2012）。

由图4可知，对于具有低等至中等电化学敏感度指数的细粒土（硅藻土），其分离沉降性导致其在去离子水中的可压缩性较低。这是因为在压缩试验中，去离子水中的较小颗粒可以保持悬浮并漂浮在自由孔隙空间中，不会被较大颗粒吸引。而盐水允许更多的小颗粒移动并靠近大颗粒，使得可压缩性增强。在煤油中，由于颗粒表面上存在不平衡电荷，使得这些颗粒呈现絮凝织物。另外，较小颗粒随着较大颗粒沉降并存在于较大颗粒的孔隙空间中，使得煤油的压缩性在3种孔隙流体中最高。相反，对于具有高电化学敏感度指数的细粒土（蒙脱土）来说，由于膨胀效应，该类细粒土在去离子水中的压缩性比在盐水中高。盐水溶液降低了黏土材料的双电层厚度，使颗粒更加紧密，压缩性降低。在煤油溶液中，蒙脱土也表现出絮凝组构，因此其在煤油溶液中的可压缩性为3种孔隙流体中最高。而高电敏感性材料蒙脱土受扩散双电层影响较大，其在3种流体中的可压缩性由大到小依次为去离子水、盐水和煤油。总体而言，不同细粒土的压缩性存在明显差异。无论孔隙水的影响如何，硅藻土均表现出相对较高的可压缩性。由于硅藻土具有特殊的内部结构，可以通过颗粒间的静电力和重力来发展高压缩性。

（2）电化学敏感度指数与固结及渗透性

基于泰勒法的固结系数（C_V）是随着竖向固结应力变化的函数，如图5所示。由图5可知，对于非黏性土（硅藻土），随着垂直应力的增加，固结系数在不同孔隙流体作用下几乎不变（虚线），而对于黏性土（蒙脱土），其固结系数（实线）表现出较大的差异。由于受到孔隙流体不同作用的影响，蒙脱土的固结系数随着去离子水和盐水中的垂直应力引起的孔隙水压力的增大而增大。对于非极性孔隙水煤油，2种端元细粒土的固结系数值相近且恒定，说明煤油对所有细粒材料的固结系数影响较小。

固结过程伴随着孔隙比的减小，从而导致细粒土渗透性的减小。渗透系数（k）表示细颗粒对孔隙流体的渗透能力，其值取决于流体含量和孔隙流体压力。渗透系数（k）计算公式（Terzaghi，1943）为

k=m_{\mathrm{V}}\times C_{\mathrm{V}}\times {\gamma }_{\mathrm{f}}（3）

式中：m_{\mathrm{V}}、C_{\mathrm{V}}和{\gamma }_{\mathrm{f}}分别为土样体积变化系数、土样固结系数和孔隙流体的单位重度。

渗透系数（k）随不同孔隙流体（去离子水、盐水和煤油）的垂直应力变化趋势如图5所示，由图5可知，非黏性土与黏性土之间的极性流体渗透率差异很明显。非黏性土（硅藻土）的渗透系数较高，黏性土（蒙脱土）的渗透系数相对较低。双电层对蒙脱土的影响很大，因此蒙脱土在盐水中比在去离子水中表现出更高渗透性。与固结系数相似，非极性流体（煤油）对所有细粒材料的渗透系数影响较小。

压缩性及渗透性试验结果表明，电化学相互作用不仅控制细颗粒的结构，还控制其可压缩性和渗透性。含有重力控制的大颗粒和电荷控制的小颗粒的细沉积物，在盐水中的可压缩性可能比淡水中更高。对于低电化学敏感度颗粒岩土材料（如硅藻土），其在淡水或去离子水中可以保持原有结构，并表现出与在盐水中相似的渗透性，但总体沉积物的可压缩性低于在盐水中的表现。对于高电化学敏感度的细颗粒岩土材料（如蒙脱土），其在淡水或去离子水中会形成较高孔隙比的结构，因双电层（DDL）形成的结构对重新压缩和水力传导性更加敏感。非极性流体（煤油）对硅藻土等非黏性细颗粒岩土材料表现出较高的可压缩性，煤油对非黏土类细颗粒的渗透性几乎无影响，但对黏性土类细颗粒表现出显著增强的渗透性，原因主要是絮凝结构的形成引起。

2.2 水合物分解高压可视化反应釜试验

（1）去离子水和盐水中水合物的降压分解

高压反应釜试验选取去离子水和2 mol/L盐水2种孔隙流体，比较蒙脱土与硅藻土中水合物的分解过程。设置4组试验的初始条件相同，即压力为4 MPa，温度为6 ℃，然后开始降低水浴温度，进入水合物的成核诱导期，水合物的成核是以温度的突然上升和压力骤降为标志，宏观角度上当通过反应釜视窗内首次观察到明显的水合物颗粒时可以确定水合物成核。本次试验中，当反应釜中压力值降为0 MPa时认为完全分解，并延续一段时间以保持釜内的分解状态稳定。水合物的降压分解行为演变过程如图6所示，其中，0 s均代表水合物开始分解前的初始状态。细粒土端元矿物在去离子水和盐水中水合物分解的压力温度对比见表3。

由表3可知，去离子水组硅藻土中压力降低范围较大，意味着消耗了更多的CO₂气体，且硅藻土的分解时间大约是蒙脱土的1.74倍，意味着硅藻土中的水合物稳定性更佳，需要更长的时间分解。此外，由图6可知，蒙脱土和硅藻土在去离子水环境中分解后土体体积有明显改变（变小）趋势，即水合物分解后离开原位土层导致土层体积发生变化。

对于盐水组，情况则恰恰相反。蒙脱土中的水合物分解时间更长，且比硅藻土中消耗了更多的CO₂气体。此外，盐水环境中水合物分解过后产生的淡水导致孔隙水发生变化，由于蒙脱土的高电化学敏感度指数在一定程度上影响了其双电层厚度，从而相较于淡水环境下，在可视窗中未观察到明显的蒙脱土体积变化。同时，盐水环境中未见水合物分解释放的淡水明显影响硅藻土土体积现象。图6中盐水条件下2种土中的水合物均呈现透明的类冰状，与去离子水中的白色丝状水合物不同，且水合物数量肉眼可见的减少。由表3可知，盐水组蒙脱土中水合物的生成比去离子水组需要更低的温度，且分解时间延长至去离子水中的2倍，说明盐水条件下会一定程度上抑制蒙脱土中CO₂水合物的分解过程。盐水条件下的硅藻土生成条件未发生剧烈改变，但是分解时间远远小于去离子水组，表明盐水条件对硅藻土中水合物的分解过程表现出促进作用。

（2）电化学敏感度对水合物降压分解的影响

电化学敏感度高的细粒土通常表面带有过量不平衡的电荷，对孔隙流体化学的改变产生较为剧烈的影响，不平衡的表面电荷可使细颗粒易受到颗粒之间电化学相互作用的影响。

蒙脱土具有极高的电化学敏感度，水合物分解过程中释放出大量的淡水，原位盐水的高离子含量会抵消一些细粉颗粒的表面电荷，从而减少可以束缚颗粒本身的流体层。淡水虽然是有极性的，但不包含额外的自由离子，也不会抵消蒙脱土的表面电荷，因而额外的水层将束缚在蒙脱土周围并增强颗粒间距，同时某些蒙脱土细颗粒团簇和颗粒织物会发生沉降行为，或附着于粗粒颗粒表面形成包裹着水合物的细粒沉积物密封单元，减少暴露于孔隙流体中的水合物，从而抑制水合物的分解过程。

硅藻土的电化学敏感度相比蒙脱土低，且其表面存在一层薄双电层，使得硅藻土对于离子浓度的变化并未产生剧烈的响应。由于盐水中的氯离子是水合物生成的抑制剂，说明其对水合物分解是相对友好的，因此盐水条件下硅藻土中水合物分解时间的减少是由电化学敏感度对离子浓度的响应行为和最终的水合物总量共同影响的。

3 结论

基于含水合物沉积物代表性细粒土的电化学敏感性质，研究了降压开采过程中（即地层有效应力变化）孔隙流体的变化（水合物分解释放淡水）对细粒沉积物的压缩性和渗透性产生的影响，并通过水合物分解过程中孔隙流体化学变化对2种细粒土（蒙脱土和硅藻土）的表征行为来验证其对含水合物黏性土及非黏土的作用差别。本研究结论适用于如降压开采水合物或自然岩土沉积物因人类活动而被扰动的情境。

基于电化学敏感度与基本岩土性质的联系，孔隙流体化学变化对含水合物细粒沉积物性质的影响可以通过以下3个方面来预测：

（1）孔隙流体的化学性质会影响颗粒的组构。粒子间电的相互作用不仅控制了细粒的组构，而且控制着细粒的压缩性和渗透率。细沉积物含有重力控制的大颗粒与电控小颗粒混合，在盐水中比在去离子水中更易压缩。

（2）非极性流体（煤油）对如硅藻土类的细粒均具有很高的可压缩性。煤油对非黏性土细粒的渗透系数影响很小，但由于絮凝织物的存在，黏性土细粒的渗透率显著提高。孔隙流体的化学性质可能直接影响细颗粒作为团簇聚集的能力。盐水溶液中，对于较大的细颗粒簇，细颗粒更容易形成团簇，而对于较小的细颗粒簇，细颗粒团簇相对困难。

（3）细粒土的电化学敏感度会影响水合物的分解行为。去离子水中硅藻土比蒙脱土需要更长的分解时间，盐水中则相反。由于盐水中的氯离子是水合物生成的抑制剂，间接导致盐水环境下硅藻土中水合物的分解时间减少。

参考文献

[1] ASTM，2011. Standard test methods for one-dimensional consolidation properties of soils using incremental loading：D2435-11 ［S］.West Conshohocken， PA：ASTM International.

[2] Bahk J J， Kim D H， Chun J H，et al，2013.Gas hydrate occurrences and their relation to host sediment properties：Results from Second Ulleung Basin Gas Hydrate Drilling Expedition，East Sea［J］.Marine and Petroleum Geology，47：21-29.

[3] Burland J B，1990.On the compressibility and shear strength of natural clays［J］.Geotechnique，40（3）：329-378.

[4] Cao S C， Dai S， Jung J，2016.Supercritical CO₂ and brine displacement in geological carbon sequestration：Micromodel and pore network simulation studies［J］.International Journal of Greenhouse Gas Control，44：104-114.

[5] Cao S C， Jang J， Jung J，et al，2019.2D micromodel study of clogging behavior of fine-grained particles associated with gas hydrate production in NGHP-02 gas hydrate reservoir sediments［J］.Marine and Petroleum Geology，108：714-730.

[6] Cao S C， Yuan Y L， Jung J，et al，2024.Effects of end-member sediments on CO₂ hydrate formation：Implications for geological carbon storage［J］.Advances in Geo-Energy Research，14（3）：224-237.

[7] Cerato A B， Lutenegger A J，2004.Determining intrinsic compressibility of fine-grained soils［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，130（8）：872-877.

[8] Chen H D， Luo M， Jiang D L，et al，2023.Research on the formation and plugging risk of gas hydrate in a deepwater drilling wellbore：A case study［J］.Processes，11（2）：488.

[9] Egawa K， Nishimura O， Izumi S，et al，2015.Bulk sediment mineralogy of gas hydrate reservoir at the East Nankai offshore production test site［J］.Marine and Petroleum Geology，66：379-387.

[10] Guan D W， Qu A X， Wang Z F，et al，2023.Fluid flow-induced fine particle migration and its effects on gas and water production behavior from gas hydrate reservoir［J］.Applied Energy，331：120327.

[11] Hassanpouryouzband A， Joonaki E， Vasheghani Farahani M，et al，2020.Gas hydrates in sustainable chemistry［J］.Che-mical Society Reviews，49（15）：5225-5309.

[12] He J， Huang X， Cao P，2024.Fine particle migration in a gas hydrate sand：Single- and two-phase fluid using a device for observation at the pore scale［J］.Journal of Marine Science and Engineering，12（1）：109.

[13] Jang J， Carlos Santamarina J，2016.Fines classification based on sensitivity to pore-fluid chemistry［J］.Journal of Geotechni-cal and Geoenvironmental Engineering，142（4）：06015018.

[14] Jung J， Kang H， Cao S C，et al，2019.Effects of fine-grained particles’ migration and clogging in porous media on gas production from hydrate-bearing sediments［J］.Geofluids，（1）：5061216.

[15] Jung J， Wan J，2011.Wettability alteration upon reaction with scCO ₂：Silica，mica，and calcite［C］//AGU Fall Meeting Abstracts.Washington：American Geophysical Union.

[16] Li Guangxin，2016.Advanced Soil Mochanics［M］.2ed.Beijing：Tsinghua University Press.

[17] Li L J， Li X S， Wang Y，et al，2024a.Study on the settlement characteristics of hydrate bearing sediment caused by gas production with the depressurization method［J］.Energy and Fuels，38（7）：5810-5821.

[18] Li R R， Han Z H， Zhang L Q，et al，2024b.Numerical determination of anisotropic permeability for unconsolidated hydrate reservoir：A DEM-CFD coupling method［J］.Journal of Marine Science and Engineering，12（8）：1447.

[19] Liu Q， Zhao B， Santamarina J C，2019.Particle migration and clogging in porous media：A convergent flow microfluidics study［J］.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，124（9）：9495-9504.

[20] Liu Y J， Wang L Z， Hong Y，et al，2023b.Coupled thermo-hydro-mechanical-chemical modeling of fines migration in hydrate-bearing sediments with CFD-DEM［J］.Canadian Geo-technical Journal，60（5）：701-717.

[21] Liu Y W， Fu M L， Wang C Q，et al，2023a.The damage caused by particle migration to low-permeability reservoirs and its effect on the seepage capacity after CO₂ flooding［J］.Processes，11（12）：3279.

[22] Luo T T， Li Y H， Madhusudhan B N，et al，2020.Comparative analysis of the consolidation and shear behaviors of CH₄ and CO₂ hydrate-bearing silty sediments［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，75：103157.

[23] Prempeh K O K， Chequer L， Badalyan A，et al，2020.Effects of the capillary-entrapped phase on fines migration in porous media［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，73：103047.

[24] Ren J J， Zeng S Y， Chen D Y，et al，2023.Roles of montmorillonite clay on the kinetics and morphology of CO₂ hydrate in hydrate-based CO₂ sequestration［J］.Applied Energy，340：120997.

[25] Russell T， Pham D， Neishaboor M T，et al，2017.Effects of kaolinite in rocks on fines migration［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，45：243-255.

[26] Santamarina J C， Klein K A， Wang Y H，et al，2002.Specific surface：Determination and relevance［J］.Canadian Geotechnical Journal，39（1）：233-241.

[27] Shipton B， Coop M R，2012.On the compression behaviour of reconstituted soils［J］.Soils and Foundations，52（4）：668-681.

[28] Sohn Y， Park T， Kwon T H，2024.Geomechanical responses of sand-clay interbedded gas hydrate-bearing deposits under depressurization-driven gas production at site UBGH2-6 in Ulleung Basin，offshore Korea［J］.Gas Science and Engine-ering，126：205337.

[29] Song B J， Cheng Y F， Yan C L，et al，2019.Seafloor subsidence response and submarine slope stability evaluation in response to hydrate dissociation［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，65：197-211.

[30] Song Dekun， Liu Lele， Wang Dong，2024.Experimental study on the sensitivity of hydraulic permeability of fine-grained sediments sampled from a gas hydrate distribution area in the northern South China Sea［J］.Earth Science Frontiers，31（6）：405-414.

[31] Sun X L， Turchyn A V，2014.Significant contribution of authigenic carbonate to marine carbon burial［J］.Nature Geoscience，7（3）：201-204.

[32] Tanaka H， Locat J，1999.A microstructural investigation of Osaka Bay clay：The impact of microfossils on its mechanical behaviour［J］.Canadian Geotechnical Journal，36（3）：493-508.

[33] Terzaghi K，1943.Theoretical Soil Mechanics［M］.New York：Wiley.

[34] Wan Yizhao， Wu Nengyou， Hu Gaowei，et al，2018.Reservoir stability in the process of natural gas hydrate production by depressurization in the Shenhu area of the South China Sea［J］.Natural Gas Industry，38（4）：117-128.

[35] Wang T， Fan Z Y， Sun L J，et al，2024.Pore-scale behaviors of CO₂ hydrate formation and dissociation in the presence of swelling clay：Implication for geologic carbon sequestration［J］.Energy，308：132678.

[36] Wang Zihao， Wan Yizhao， Liu Lele，et al，2022.Research advan-ces in gas-water relative permeability of hydrate-bearing sediments［J］.Marine Geology Frontiers，38（2）：14-29.

[37] Weitemeyer K， Constable S， Key K，2006.Marine EM techniques for gas-hydrate detection and hazard mitigation［J］.The Leading Edge，25（5）：629-632.

[38] Wu N Y， Yang S X， Zhang H Q，et al，2008.Preliminary discussion on gas hydrate reservoir system of Shenhu Area，North Slope of South China Sea［C］//Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates（ICGH 2008），Vancouver，BritishColumbia，Canada，July 6-10，2008.

[39] Ye J L， Qin X W， Xie W W，et al，2020.The second natural gas hydrate production test in the South China Sea［J］.China Geology，3（2）：197-209.

[40] Zeinijahromi A， Farajzadeh R， Hans Bruining J，et al，2016.Effect of fines migration on oil-water relative permeability during two-phase flow in porous media［J］.Fuel，176：222-236.

[41] Zeng Jiaming， Li Dongliang， Liang Deqing，et al，2021.Experimental study on permeability of hydrate sediments［J］.Advances in New and Renewable Energy，9（3）：232-238.

[42] Zhang Dongxu， Liu Cheng， Song Lechun，et al，2024.Nucleation process of gas hydrates in the emulsion system：A review［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，43（6）：3007-3020.

[43] Zhang P W， Zhou Y X， Liu B G，et al，2022.Multiphase flow model coupled with fine particle migration for applications in offshore gas hydrate extraction［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，102：104586.

[44] Zhang Wei， Li Haoyang， Xu Chungang，et al，2022.Research progress on the microscopic mechanism and analytical methods of gas hydrate formation［J］.CIESC Journal，73（9）：3815-3827.

[45] Zhou Z Q， Ranjith P G， Yang W M，et al，2019.A new set of scaling relationships for DEM-CFD simulations of fluid-solid coupling problems in saturated and cohesiveless granular soils［J］.Computational Particle Mechanics，6（4）：657-669.

[46] 曾家明，李栋梁，梁德青，等，2021.含水合物沉积物的渗透率实验研究［J］.新能源进展，9（3）：232-238.

[47] 李广信，2016.高等土力学［M］.2版.北京：清华大学出版社.

[48] 宋德坤，刘乐乐，王栋，2024.南海北部天然气水合物赋存区沉积物渗透性敏感规律试验研究［J］.地学前缘，31（6）：405-414.

[49] 万义钊，吴能友，胡高伟，等，2018.南海神狐海域天然气水合物降压开采过程中储层的稳定性［J］.天然气工业，38（4）：117-128.

[50] 王自豪，万义钊，刘乐乐，等，2022.含水合物沉积物相对渗透率研究进展［J］.海洋地质前沿，38（2）：14-29.

[51] 张东旭，刘成，宋乐春，等，2024.乳状液体系中气体水合物成核过程研究进展［J］.化工进展，43（6）：3007-3020.

[52] 张炜，李昊阳，徐纯刚，等，2022.气体水合物生成微观机理及分析方法研究进展［J］.化工学报，73（9）：3815-3827.

基金资助

国家自然科学基金青年基金项目“水合物分解过程中储层细粒沉积物运移机理及压缩/渗透性响应研究”(42306234)

江苏省基础研究计划自然科学基金青年基金“天然气水合物储层细粒沉积物运移演化机理研究”(SBK2023044900)

常州大学高层次人才引进项目“海洋细粒沉积物水合物储层演化行为机理研究”(ZMF22020035)

江苏省研究生科研与实践创新计划项目“含水合物细粒沉积物运移行为机理研究”(KYCX24_3178)