储层损害效应：表皮效应对天然气水合物开采潜力的影响机制研究

《Applied Surface Science》：Reservoir damage: the impact of skin effect on gas hydrate production potential

本研究针对天然气水合物(NGH)开采过程中数值模拟与现场试验的产气率差异，通过引入动态演化的表皮效应概念，系统分析了近井地带表皮因子(S)对NGH开采性能的影响。研究人员采用TOUGH+HYDRATE数值模拟软件，基于日本南海海槽AT1站点的地质数据构建均质水合物模型(HHM)和分层水合物模型(SHM)，揭示正表皮(S>0)可使产气量降低高达59%，而负表皮(S<0)仅能有限提升产能。敏感性分析表明表皮渗透率(ks)和厚度(rs)是控制产能的关键参数，历史拟合证实动态表皮演化是准确预测现场产气量的必要条件。该研究为NGH开采数值模型的优化提供了重要理论依据。

　　

天然气水合物（Natural Gas Hydrates, NGH）作为潜力巨大的非常规能源资源，其储量相当于全球已知化石燃料总量的两倍以上。这种在高压低温条件下形成的冰状晶体化合物，主要赋存于海底沉积物和永久冻土带中。尽管全球多个国家已开展试采工程，但天然气水合物的商业化开采仍面临严峻挑战——数值模拟预测的产气率往往呈现理想化的持续上升曲线，而实际试采数据却显示出令人困惑的下降趋势。

这种理论与实践的矛盾在日本南海海槽2013年和2017年的试采中尤为明显。传统数值模型无法解释为何在实际开采过程中，产气率会出现波动性下降。研究人员逐渐意识到，近井地带的"表皮效应"可能是破解这一谜题的关键。表皮效应是指钻井和开采过程中，井筒周围地层渗透性发生改变的物理现象，这种现象在常规油气开采中已被广泛认知，但在水合物开采领域却长期被忽视。

为了揭示表皮效应对天然气水合物开采的具体影响机制，中国科学技术大学能源科学与工程系的研究团队开展了系统性的数值模拟研究。他们基于南海海槽AT1站点的真实地质数据，采用国际通用的TOUGH+HYDRATE模拟软件，构建了均质水合物模型（HHM）和分层水合物模型（SHM），首次将动态演化的表皮效应纳入水合物开采模拟体系。

在技术方法层面，研究团队主要运用了三大关键技术：首先是基于南海海槽实际地质参数的数值模型构建，包括地层结构、渗透率分布和温压条件；其次是表皮效应的数学表征，通过表皮因子(S)公式S=(k-k_s)/k_s·ln(r_s/r_w)量化近井地带渗透性变化；第三是动态演化模拟技术，通过线性下降子程序实现表皮渗透率的时变特征。这些方法的结合使得研究能够准确捕捉开采过程中的复杂物理化学变化。

正负表皮对产能的差异化影响

研究表明，正表皮（S>0）会严重阻碍流体流动，导致产气量最高降低59%。这种损害主要来源于微粒迁移、地层压实或防砂失效等因素。相反，负表皮（S<0）虽然能提升产能，但改善幅度有限，且难以达到显著的负值范围。当表皮因子绝对值相同时，正负表皮对产能的影响程度相近，但实际工程中正表皮更容易达到较高数值，这使得储层损害成为制约开采效率的主要瓶颈。

关键参数敏感性分析

表皮渗透率(k_s)和厚度(r_s)被证实是控制产能的关键因素。当k_s低于地层渗透率(k)时，流动阻力急剧增加；而当k_s高于k时，表皮厚度成为主导因素。特别值得注意的是，对于正表皮情景，渗透率降低至50mD时可使产气量下降59%；而对于负表皮，厚度增加至50cm能提升产气量37%，但继续增加厚度则改善效果递减。

多物理场耦合响应机制

正表皮会限制压力传播范围，减小水合物分解区域，导致温度降幅减小。相反，负表皮能扩大低压区范围，加速水合物分解，但同时也加剧了热量的消耗。这种温度-压力-相变的多场耦合效应，解释了为什么表皮效应会对产能产生如此显著的影响。

动态演化的历史匹配验证

通过分层水合物模型（SHM）与现场生产数据的匹配，研究发现表皮渗透率在开采过程中呈现三阶段下降特征：2-3.5天内快速降至175mD，3.5-7.7天内逐渐降至100mD，之后缓慢下降。这种动态演化成功再现了现场观测到的产气率波动现象，证实了表皮效应的时变特性是准确预测产能的关键。

工程监测指标识别

研究指出，压力恢复、温度回升以及产气率下降是表皮形成的重要指示信号。在GHBS₁层位57m深度、距生产井5m处的监测点数据显示，表皮发育会导致该点压力显著升高，温度恢复速度快于无表皮情景，这些现象均可作为现场监测的早期预警指标。

该研究的结论部分强调，将表皮效应纳入数值模型是提高天然气水合物开采预测精度的必要条件。正表皮造成的储层损害对产能的抑制作用远大于负表皮带来的改善效果，这使得近井地带保护成为工程实践中的优先考虑因素。动态表皮演化模型的建立，不仅解释了历史试采数据中的异常波动，更为未来长期开采过程中的实时调控提供了理论指导。

这项发表于《Applied Surface Science》的研究，首次系统揭示了表皮效应在天然气水合物开采中的关键作用，建立了从微观机理到宏观产能的完整预测模型。其重要意义在于将传统油气开采中的表皮理论成功拓展到水合物领域，为解决数值模拟与现场实践的脱节问题提供了有效工具，对推动天然气水合物的商业化开发具有里程碑式的贡献。