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第52卷第1期力学学报V ol.52，No.1 2020年1月Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics Jan.，2020生物、工程及交叉力学含水合物沉积物多相渗流特性研究进展1)蔡建超∗,†,2)夏宇轩†徐赛∗∗田海涛†∗(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249)†(中国地质大学地球物理与空间信息学院，武汉430074)∗∗(中国地质大学资源学院，武汉430074)摘要天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注.近20年来，中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测.2017年，中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题，其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型，对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法，简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展，总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段，展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.关键词天然气水合物，渗流模型，多相流，开发模拟中图分类号：TE312文献标识码：A doi：10.6052/0459-1879-19-362ADV ANCES IN MULTIPHASE SEEPAGE CHARACTERISTICS OF NATURAL GASHYDRATE SEDIMENTS1)Cai Jianchao∗,†,2)Xia Yuxuan†Xu Sai∗∗Tian Haitao†∗(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing102249，China)†(Institute of Geophysics and Geomatics，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)∗∗(School of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)Abstract Natural gas hydrate,as a kind of clean and environmental-friendly energy,has large reserves and attract great attention in recent years.In the past20years,exploration and reserves prediction for natural gas hydrate reservoirs have been widely conducted within mainland and offshore areas in China.In2017,China Geological Survey carried out the tentative production for natural gas hydrate based on depressurizing seepage theory in Shenhu Area of the South China Sea.In worldwide,the hydrate tentative production are faced with the typical problems like low gas production and sand production.One of the main reasons is that the complex mechnisams of multiphaseflow in sediments during development are still unclear.In this paper,we review parallel capillary model and Kozeny particle model which are widely used in seepage analysis during natural gas hydrate development.Then we analyze the multiscale simulation methods for hydrate2019–12–20收稿，2020–01–08录用，2020–01–09网络版发表.1)国家自然科学基金(41722403)和中央高校基本科研业务费专项资金(2462019YJRC011)资助项目.2)蔡建超，教授，主要研究方向：多孔介质表征与输运物理.E-mail:*************.cn引用格式：蔡建超，夏宇轩，徐赛，田海涛.含水合物沉积物多相渗流特性研究进展.力学学报，2020，52(1)：208-223 Cai Jianchao,Xia Yuxuan,Xu Sai,Tian Haitao.Advances in multiphase seepage characteristics of natural gas hydrate sediments.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2020，52(1)：208-223第1期蔡建超等：含水合物沉积物多相渗流特性研究进展209seepage and briefly describe experimental advances in terms of permeability measuremnts,evolutionary process for phys-ical properties of sedimens during seepage and laboratory production simulation for hydrate production.Afterwards,we summarize the numerical simulation methods for gas production during the exploitation of gas hydrate reservoirs at the field scale.Future works and challenges are proposed for multiphase seepage model,in situ testing of hydrate samples, evolutionary process for structural and physical properties,field scale numerical simulation and horizontal well fracturing technology applications.Key words gas hydrate,seepage model,multiphaseflow,development simulation引言天然气水合物是气体分子与水在低温、高压条件下形成的类冰状的非化学计量的笼型结晶水合物，外形如冰雪状，通常呈现白色，遇火即可燃烧，俗称“可燃冰”.天然气水合物全球范围内主要存在于深水大陆架的浅层沉积物及陆上冻土中[1-2].作为一种资源量丰富的高效清洁能源，天然气水合物具有潜在的巨大经济效益，对于世界能源格局、全球气候环境以及自然灾害防治等一系列问题有重要的影响，是近些年来世界范围内大量水合物研究和开发项目蓬勃发展的驱动力[3-6].全球当前已探明水合物藏主要分布在日本海、印度洋、墨西哥湾、中国南海、白令海峡、韩国海域、特立尼达岛和多巴哥岛等海域及阿拉斯加、麦肯齐三角洲、西伯利亚和青藏高原冻土区[7-9].20世纪60年代末，苏联西伯利亚西北部的麦索亚哈气田进行商业性开采，气田上方存在天然气水合物储层，后进行降压法开采[10-11].20世纪80年代到90年代，美国开展对墨西哥湾北部天然气水合物研究工作[12]；2013年，日本对南海海槽进行甲烷水合物第一次生产测试[13].中国地质调查局于2007年4月在神狐海域首次获得分散状天然气水合物样品[14-15].2017年，基于近20年来对南海储层特征的系统研究，中国地质调查局在南海神狐海域进行首次天然气水合物试采，历时60天，产气量3.09×105m3，是世界上产气连续时间最长、累计产气量最大的水合物试采工程[16].天然气水合物对世界能源需求的贡献取决于开采技术与成本，因此合理的开采方法尤为重要.目前可行的天然气水合物开采方式主要有降压开采法、注热开采法、化学抑制法、二氧化碳置换法以及多种方法联合开采等[17-23].水合物开发过程是多组分多相流的动态过程，水合物分解过程中会导致储层力学、热学及物性等参数发生变化.钻井开发过程中由于地层水合物发生分解，井壁周围地层压力和温度发生变化，容易引起井壁失稳、井壁坍塌等井眼稳定性问题，造成生产井出砂，影响水合物开采过程[24-27].因此，阐明水合物开采过程中水合物分解及气水渗流特性有助于生产开发措施的进一步完善.水合物开采过程中，流体输运过程决定生产效率.水合物储层渗流过程伴随水合物分解引起的气体释放及液体生成引起的储层物性改变.准确刻画水合物开采过程中的渗流特性成为当前研究热点之一，国内外许多专家学者对含水合物多孔介质渗流过程进行了理论、实验及数值模拟等相关研究[28-32].研究含水合物沉积物渗流特性，正确认识开发过程中沉积物内复杂流动规律，对我国天然气水合物开采具有重要的理论价值和实际意义.本文系统归纳了水合物渗流平行毛细管模型、Kozeny颗粒模型等理论模型，阐述含水合物沉积物有效渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟实验研究成果，总结水合物渗流多尺度数值模拟研究及水合物产气预测模拟最新进展，从理论建模到数值模拟，从室内实验到大尺度开发，多个角度为水合物储层渗流特性研究提供思路与展望.1基础渗流理论含水合物沉积物绝对渗透率及孔隙流体相对渗透率是多相渗流效应的关键参数，它们影响沉积物中气体、水及其中溶解气与盐的含量，又反过来控制水合物的合成、分解以及气体生产的过程.特别地，由于水合物在孔隙空间中的增长而导致的渗透率降低对与这些过程相关的时间尺度具有重要的控制作用[33-34].这种效应通常用归一化渗透率k r来定量表示，其定义为含水合物沉积物的渗透率与不含水合物的沉积物初始渗透率之比.含水合物沉积物渗透率的降低，是由沉积物孔隙内水合物的生长改变了孔隙形状、大小及连通性导致的.水合物呈膜状附着于孔隙壁面时，对沉积物210力学学报2020年第52卷渗透率影响较小；当水合物生长于孔隙中心时，对沉积物渗透率影响较大，且可能造成孔隙堵塞.目前国内外学者建立了很多含水合物沉积物渗透率与水合物饱和度的理论模型，这些渗透率模型在水合物藏开发模拟中发挥了重要作用.其中最简化的模型是将含水合物沉积物的孔隙假设为理想的圆管或者球形颗粒堆积形成的粒间孔，然后根据水合物在孔隙中的分布模式来建立的函数关系式，通常主要认为有颗粒包裹型和孔隙填充型(图1).图1沉积物中水合物分布模式示意图Fig.1Schematic diagrams of natural gas hydrate distribution insediments1.1平行毛细管模型假设沉积物孔隙空间为等径平行毛细管，当毛管半径为a，长度为L，毛管数量为n时，流体总流量表示为q=nπa4∆p8µL(1)式中，µ为流体黏度，∆p/L为压力梯度.考虑孔隙度φ与单位横截面积毛管数之间的关系(φ=nπa2),不含水合物的多孔介质的渗透率为k0=φa28(2)Kleinberg等[35]在此基础上，分别推导了水合物生长于孔隙壁面和孔隙中心两种情况的含水合物沉积物渗透率模型.当假设水合物均匀生长于孔隙壁面时，毛管半径减小至a r，则含水合物沉积物渗透率为k(S h)=φa4r8a2(3)式中，毛管半径与水合物饱和度S h的关系为a2r=a2(1−S h)(4)故水合物饱和度为S h的沉积物渗透率模型为k(S h)=φa2(1−S h)28(5)此时含水合物沉积物归一化渗透率为k r=k(S h)k0=(1−S h)2(6)当生成的水合物占据在毛细管中心呈圆柱状分布时，孔隙中的流动空间变为环状，其中水合物半径为b，单根毛管中的流量公式为[36]Q=π∆p8µLa4−b4−(a2−b2)2lg a−lg b(7)考虑水合物饱和度S h与a，b的关系S h=ba2,于是该类型含水合物沉积物渗透率为k(S h)=φa281−S2h+2(1−S h)2lg S h(8)故归一化渗透率为k r=1−S2h+2(1−S h)2lg S h(9)Masuda[37]推广了水合物生长于毛管壁面的平行毛细管模型，提出含水合物沉积物渗透率与水合物饱和度的指数关系模型(常被称为Tokyo模型)k r=k(S h)k0=(1−S h)N(10)式中指数N是变化的，当考虑水合物在孔喉处生长时，应适当增大N的值.在其数值模拟中指数N定义为10或15，但具体原因不明确[38].1.2Kozeny颗粒模型实际含水合物沉积物骨架是由颗粒组成，由于其孔隙空间的不规则性，导致流体实际流动路径L a比定义压力梯度的直线距离L更长.因此颗粒介质的渗透率预测要比简单管道介质的渗透率预测要困难得多.Kleinberg等[35]基于Kozeny-Carman(KC)方程率先提出了Kozeny颗粒模型，模型中做了如下假设：(1)沉积物的电迂曲度可以代替水力迂曲度；(2)形状因子不随水合物饱和度变化；(3)沉积物孔隙可视为毛细管.推导过程基于的KC方程表示为k=φV2pυτA2(11)式中，υ为形状因子，A为孔隙表面积，V p为孔隙体积，τ为迂曲度，τ=(L a/L)2.Hearst[39]指出迂曲度与地层因子和孔隙度之间的关系为τ=Fφ.Spangenberg[40]详细讨论了不同水合物生长模式下的电传导问题，水合物饱和度为第1期蔡建超等：含水合物沉积物多相渗流特性研究进展211S h的多孔介质地层因子F(S h)与饱和水的多孔介质地层因子F0间存在以下关系F(S h)F0=(1−S h)−n(12)式中，n为阿尔奇饱和度指数.故含水合物饱和度为S h时沉积物的归一化渗透率为k r=(1−S h)n+2A0A(S h)2(13)式中，A0与A(S h)分别为不含水合物和含水合物的沉积物孔隙表面积.Kleinberg等[35]基于水合物生成于沉积物颗粒壁面和孔隙中心两种情况，推导了含水合物沉积物中水的归一化渗透率模型.若生成的水合物包裹在沉积物颗粒上，假设沉积物孔隙为圆管，初始被水填充的孔隙表面积随着水合物饱和度的增大而减小.若不含水合物时孔隙半径为a，水合物饱和度为S h时孔隙半径为a r，故沉积物归一化渗透率为k r=(1−S h)n+1(14)对于该模型，当0<S h<0.8时，指数n为1.5；当S h>0.8时，指数n变化较大，但此时渗透率已经很小，指数n的变化对其只有很小的影响[40].若生成的水合物占据孔隙中心，孔隙表面积随着水合物饱和度的增大而增大，其与水合物饱和度具有如下关系A(S h) A0=1+S h(15)故含水合物沉积物的归一化渗透率变为k r=(1−S h)n+2(1+√S h)2(16)式中饱和度指数n=0.7S h+0.3[40].Dai和Seol[41]基于数值模拟结果，提出了KC方程修正模型来描述含水合物沉积物归一化渗透率与水合物饱和度之间的关系k r=(1−S h)3(1+2S h)2(17)上述模拟过程中考虑了沉积物孔隙的非均质性以及水合物生长的随机性，该模型不对水合物生长模式进行假设，综合了水合物生长引起的孔隙空间和迂曲度的变化，不含其它经验参数，具有一定的普适性，与实验结果吻合较好.Katagiri等[42]基于KC方程，分别假设沉积物颗粒为圆柱形立方堆积、球形立方堆积和球形随机堆积3种方式，推导了水合物生长于颗粒壁面和孔隙中心时的渗透率模型.对于颗粒为圆柱形立方堆积的沉积物，当水合物生长于壁面时，归一化渗透率为k r=π(1−S h)n+24−(4−π)(1−S h)(18)当水合物生长于孔隙中心时，含水合物沉积物归一化渗透率为k r=(1−S h)n+21+(4−π)S hπ2(19)考虑到随饱和度的增大，水合物会与沉积物颗粒发生重叠，因此上式仅适用于a r/a<√3−1时，即S h< 0.628.对于颗粒为球形立方堆积的沉积物，当水合物生长于壁面时，归一化渗透率为k r=(1−S h)n+2[1+(6−π)S h/π]43(20)当水合物生长于孔隙中心时，含水合物沉积物归一化渗透率为k r=(1−S h)n+21+[(6−π)S h/π]232(21)对于颗粒为球形随机堆积的沉积物，当水合物生长于壁面时，归一化渗透率为k r=(1−S h)n+2(1+eS h)43(22)式中，e为孔隙比例，与孔隙度φ的关系为e=φ/(1−φ).当水合物生长于孔隙中心时，含水合物沉积物归一化渗透率为k r=(1−S h)n+2(1+C p eS h)2(23)式中，C p为沉积物颗粒半径与水合物半径之比.1.3其他模型美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的EOSHYDR/ TOUGH2模拟器[43]应用非饱和土van Genuchten(vG)模型[44]作为含水合物沉积物归一化渗透率模型k rw=S nw1−(1−mS nw)m2(24)212力学学报2020年第52卷式中S nw=S w−S wr1−S wr，S wr是束缚水饱和度，对于砂、粉砂和砂岩，指数m=0.46[45].Delli和Grozic[46]综合考虑含水合物沉积物中水合物的两种生长模式，基于权重推导了综合的归一化渗透率模型k r=S Nhk pf r+(1−S h)M k gc r(25)式中，k pf r和k gc r分别为孔隙填充型和颗粒包裹型含水合物沉积物归一化渗透率，S Nh与(1−S h)M是对应这两种模式的权重系数，N和M的值可根据具体情况进行调整.刘乐乐等[47]从定量描述沉积物有效孔隙结构演化过程出发，采用分形分析方法，提出含水合物沉积物渗透率理论模型.Daigle[48]基于含水合物沉积物孔隙分布的分形特征，采用关键路径法提出含水合物沉积物渗透率理论模型.Ning等[49]基于分形迂曲毛细管束模型，分析含水合物沉积物渗透率随水合物生长的演化过程，研究气相渗透率和水相渗透率的变化规律.Singh等[30]结合含水合物沉积物中气水渗流的Navier-Stokes方程稳态形式与动量守恒方程，提出了含水合物多孔介质的气水两相渗透率解析模型.颗粒包裹型含水合物沉积物气水相渗模型为[30]k rgGC=r2gR22α1−r2wr2g−1τ(φ,1−S h−S wr)τ(φ,S g)(26)(k rw)GC=(r2w−r2g)2R2(r2w−r2g)τ(φ,1−S h−S wr)τ(φ,S w)(27)孔隙填充型含水合物沉积物气水相渗模型(k ri)PF形式过于复杂，此处不作展示，详细内容参考文献[30].当综合考虑两种水合物生长模式时，含水合物沉积物相渗模型为(k ri)eff=(k ri)PFβ2xPF(k ri)GCβ21−xPF(28)式(26)∼式(28)中，R为孔隙半径，r g和r w分别为孔隙内供气体和水流动空间的半径，α为气水黏度比，τ(φ,1−S h−S wr)为孔隙管道内可流动空间的迂曲度，τ(φ,S w)与τ(φ,S g)分别为孔隙内水和气流动路径的迂曲度，β为孔隙形状校正系数.该模型综合考虑孔隙形状、平均孔径、孔隙度、束缚水饱和度、水合物饱和度等岩石特性，气、水饱和度和黏度等流体特性以及水合物生长模式.可利用该模型分析孔隙形状、孔径、润湿性和水合物生长模式等对气水渗流的影响，反过来也可以根据气水相渗曲线评价岩石物性.考虑毛管力对气水两相渗流的影响，Singh等[50]推导了含水合物沉积物气水两相渗流模型，该模型中引入了4个经验参数(气、水每相各两个参数)，这4个参数只需要根据任一给定的水合物饱和度下的实验参数拟合求取一次，便可在其他水合物饱和度下预测含水合物沉积物气水渗透率k ri=µi q i,pmA i k pmβi Sηii∆P(29)k pm=R28φ(S h)τ(φ,1−S h−S wr)(30)式中，k ri为气体或水的相对渗透率，k pm为水合物饱和度为S h时沉积物的绝对渗透率，βi与ηi为经验参数.表1对上述主要模型做了简要的总结，分析了各模型的优缺点.2数值模拟研究国内外学者已将孔隙网络、格子玻尔兹曼、分子动力学等数值方法应用于含水合物沉积物渗流模拟研究，不同的模拟方法适用于不同研究尺度及条件.孔隙网络模拟方法致力于孔隙尺度下构建复杂多孔介质孔隙结构，结合CT扫描等实验手段获取岩心孔隙网络以模拟多相流体流动，进一步对多孔介质渗流性质进行预测；格子玻尔兹曼方法是针对介观尺度下广泛使用的动力学方法，可以描述含水合物多孔介质的内部流场以表征多相流体渗透率变化，研究多孔介质中多相流动规律.分子动力学模拟方法针对微观尺度下天然气水合物成核、生长及分解过程，从微观分子的角度模拟开采过程的产气效率.除此之外，通过求解控制方程的有限元与离散元等数值方法，也被用于含水合物沉积物渗透率与饱和度等参数间规律关系的研究.第1期蔡建超等：含水合物沉积物多相渗流特性研究进展213表1含水合物沉积物归一化渗透率模型对比Table1Comparison of normalized permeability models of hydrate sediments Model Equation Description Advantages and disadvantagesKleinberg et al.[35]Grain-coatingk r=k(S h)k0=(1−S h)2Pore-fillingk r=1−S2h+2(1−S h)2lg(S h)Assuming the pore space of thesediment is equal diameter par-allel capillary and the hydratesgrow on the pore wall or in thepore centerConsidering the pore structure of sedimentsand hydrate growth pattern;but a little ide-alisticMasuda[37]k r=k(S h)k0=(1−S h)NExponentialfitting equation Simple form;but the pore structure of sedi-ments and hydrate growth pattern were notconsideredKleinberg et al.[35]Grain-coatingk r=(1−S h)n+1Pore-fillingk r=(1−S h)n+2(1+√S h)2Assuming the sediment particlesare round and the hydrates growon the surface of the particles ofin the center of the poresSimple form and considering the pore struc-ture of sediments and hydrate growth pat-tern;but containing empirical parametersKatagiri et al.[42]Grain-coatingk r=π(1−S h)n+24−(4−π)(1−S h)Pore-fillingk r=(1−S h)n+21+(4−π)S hπ2Assuming the sediment particlesare cylindrical,and the hydratesgrow on the surface of the parti-cles or in the center of the poresConsidering the pore structure of sedimentsand hydrate growth pattern;but containingempirical parametersGrain-coatingk r=(1−S h)n+2[1+(6−π)S h/π]43Pore-fillingk r=(1−S h)n+21+[(6−π)S h/π]232Assuming the sediment particlesare spherical cubic deposits,andthe hydrates grow on the surfaceof the particles or in the center ofthe poresConsidering the pore structure of sedimentsand hydrate growth pattern;but containingempirical parametersGrain-coatingk r=(1−S h)n+2(1+eS h)43Pore-fillingk r=(1−S h)n+2(1+C p eS h)2Assuming the sediment parti-cles are spherical and randomlystacked,and the hydrates grow onthe surface of the particles or thecenter of the poresSimple form,but containing empirical pa-rametersvan Genuchten[44]k rw=√S w1−(1−m√S w)m2Initially used in unsaturated soils Simple form and generally known;but con-taining empirical parametersDelli and Grozic[46]k r=S Nh k pf r+(1−S h)M k gc rA model of the weight of twogrowth patterns of hydrate in sed-imentsConsidering two hydrates growth patterns,but containing empirical parameters andcomplicated calculationsDai and Seol[41]k r=(1−S h)3(1+2S h)2KC modified model based on nu-merical simulation resultsBased on numerical simulation results;butmay not apply to all the real sedimentsSingh et al.[30]k r i=µi q i,pmA i k pmβi Sηii∆PGas-water two-phase permeabil-ity model considering capillaryforceConsidering capillary force and two-phaseflow;but a little difficult to apply214力学学报2020年第52卷2.1孔隙网络模拟Liang等[51]采用孔隙网络模拟方法研究水合物形成过程中的渗透率变化.模拟过程针对两个关联问题展开：一是考虑水合物形成过程中相平衡条件的转化与孔隙分布参数之间的关系；二是考虑水合物生长习惯对于渗透率变化的影响.Dai和Seol[41]从孔隙尺度水合物生长模式与介观尺度非均质性两方面，对不同含水饱和度下水相渗透率和本征渗透率的比值与水合物饱和度之间存在的规律关系进行研究，利用孔隙网络模型对水合物分解过程中迂曲度和比表面积变化进行表征，通过修正KC模型提出孔隙度变化模型.Mahabadi和Jang[52]采用孔隙网络模型模拟气体膨胀过程计算气水相对渗透率.基于数值模拟得到的气水相渗结果提出了修正Stone方程的拟合参数.车雯等[53]基于孔隙网络模型模拟水合物生成于孔隙壁面与中心两种方式下多孔介质渗流特性变化，结果表明水合物生成于孔隙中心时绝对渗透率小于生成于壁面时的值，水合物饱和度相同时多孔介质孔径越大渗透率越大，水合物生成于孔隙中心时两相相对渗透率等渗点低于生成于壁面的情况，当水合物饱和度变化时两相相对渗透率几乎不变.Mahabadidi等[54]采用CT与孔隙网络模型相结合的方法，从水合物沉积物CT图像中提取孔隙网络，进一步模拟气体侵入、水合物分解、气体膨胀过程以及气水渗透率变化，达到确定相渗模型中拟合参数取值的目的.Wang等[55]利用CT结合孔隙网络模拟的方法扩展了颗粒粒度和孔隙度对渗透率影响的研究.结果表明颗粒粒径越大形成的水合物多孔介质孔隙率越大，毛管压力越小，绝对渗透率越大.在相同的含水饱和度下，孔隙度越大，水相相对渗透率越大，气相相对渗透率越小.Wang等[56]为探明水合物沉积层骨架结构特性及内部流体特性等因素对气水两相渗流影响规律，将孔隙网络模型引入到水合物沉积层渗流特性研究，建立了适用于天然气水合物渗流特性模拟研究的孔隙网络模型.Ai等[57]基于多孔介质中孔隙结构的变化特征以及气水流动的相互制约特性，以最大球算法为基础建立了适用于气水两相流动的孔隙网络模型，进而计算分析水合物分解过程中气水的流动以及产气产水受到的影响.2.2格子玻尔兹曼模拟喻西崇等[58]根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点，提出将格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)用于含天然气水合物沉积物中多相渗流规律研究，使用LBM对多孔介质中水合物生成、分解过程中饱和度变化对渗透率特性的影响进行模拟，结果表明多孔介质中单相流动的流场分布与孔隙直径及渗透率有关，水合物生成使得多孔介质渗透率大大降低.Kang等[59]提出考虑毛细效应的含水合物沉积物渗透率模型，针对颗粒包裹型和孔隙填充型两类水合物赋存形式开展LBM流动模拟，研究水合物形成过程中水合物饱和度与渗透率之间的关系.Hou等[60]认为孔隙网络模型应用于流动模拟时，对多孔介质的简化会丢失水合物分布形态的信息，LBM在流动模拟研究方面是一种有效的手段，并利用LBM模拟研究水合物对沉积物渗流特性的影响，讨论了矿物颗粒与水合物在孔隙尺度的分布形式对渗透率变化的影响.Chen等[61]在气体过量条件下合成氙气水合物，利用CT扫描图像获取时间与空间上孔隙尺度水合物分布形态，结合LBM方法计算气相相对渗透率，获取水合物饱和度与渗透率之间的规律关系. Zhang等[62]建立了一种基于LBM的多孔介质中反应输运与非等温多物理化学过程的孔隙尺度框架，较好地描述了不同水合物生长模式下甲烷水合物分解相态变化和孔隙结构演化.结果表明，孔隙尺度甲烷水合物分解过程数值模拟有助于加深对连续介质模型渗透率-饱和度变化关系的理解.2.3分子动力学模拟分子动力学方法在分子水平模拟水合物合成分解过程中应用广泛.Fang等[63]利用分子动力学方法研究多孔介质沉积物中水合物分解动力学过程.Ya-suoka等[64]对一定数目水分子与甲烷分子进行分子动力学模拟观察水合物分解过程，以揭示水合物分解过程中的结构类型.Hirai等[65]使用分子动力学方法研究二氧化碳水合物形成过程.万丽华等[66]通过分子动力学模拟在乙二醇溶液作用下甲烷水合物分解的微观过程，从原子水平上研究水合物分解的微观过程.Moon等[67]提出甲烷水合物在合成条件下的分子动力学模拟，模拟过程考虑甲烷与水接触面，避免以往研究中不合理的高浓度甲烷设置和传质限制.Kondori等[68]综述了水合物不同开采方式的关键理论与不足之处，介绍了分子动力学模拟理论在各开采方法中的应用，进一步阐述了分子动力学方法在正确理解水合物分子结构与分解过程中的实际意义.除上述方法外，Kossel等[69]在甲烷水合物合。
【封二人物】Insidecover Characters专家简介：2008年入选中国科学院“百人计划”，2012年获得国家杰出青年科学基金资助，2014年入选科技部中青年科技创新领军人才，2016年入选第二批国家“万人计划”科技创新领军人才……回国十年来，金章东一步一个脚印、几年一个台阶，每天都以饱满的热情和兴致投入科学研究中。
如今的金章东，是中国科学院地球环境研究所研究员、黄土与第四纪地质国家重点实验室主任。
但作为国内率先开展湖泊流域化学风化研究的学者，多年来，他始终放开眼界，驻足前沿，不断挖掘新“证据”，反演第四纪地质时期的风化—气候真相。
“只要是我感兴趣的，我就会去做、去尝试。
”他说。
为重建印度夏季风历史提供新视角“自然界的任何东西，包括岩石、矿物、树木、建筑等，无时无刻不在风化”，金章东解释道，风化是一种化学反应，它是指物质在水、大气、生物等作用下，形态或者物质组成发生改变的过程。
“最重要的是，化学风化是地球表层物质循环的关键过程之一。
”金章东认为，在一个流域内，岩石风化后的残余经搬运而保留在沉积物里，刚好可以通过分析这些沉积物的组成变化来反演当时的化学风化过程。
“风化的另一个重要作用是在风化过程中消耗大气C O 2。
通常情况下，风化程度越高，消耗的C O 2越多，大气中的C O 2含量就会降低，气候也会变冷。
”当硅酸盐岩、灰岩等经风化溶解到水体中，其中的碳酸氢根会被带到湖泊或海洋中沉淀下来，所吸收的C O 2也就被固定在湖泊和海洋沉积物中。
这也是学术界重视化学风化的一个重要原因。
“最近80万年，从冰心里获得的C O 2浓度呈现冰期—间冰期周期变化。
间冰期里，气候暖和，气温高、风化作用增强，消耗的C O 2多，导致大气C O 2含量降低，等低到一定程度就会进入冰期；在冰期，风化作用弱，消耗的C O 2少，当大气C O 2浓度累积到一定程度，气候又会回暖。
”到底是风化作用先行，还是C O 2累积先行？听起来似乎是一个“先有鸡还是先有蛋”的悖论，一直未有定论。
第25卷 第2期2005年3月第 四 纪 研 究QUATERNARY SC I ENCESVol .25,No .2March,2005 第一作者简介:储国强 男 40岁 副研究员 第四纪地质学专业 E 2mail:chuguoqiang@mail .igcas .ac .cn 3中国科学院知识创新“中国玛珥湖高分辨率古气候环境记录研究”项目(批准号:KZCX3-S W -145)和国家自然科学基金项目(批准号:40171098和40302023)资助2004-11-29收稿,2004-12-18收修改稿文章编号 1001-7410(2005)02-202-06东北四海龙湾玛珥湖沉积物纹层计年与137C s 、210Pb 测年3储国强① 顾兆炎① 许 冰① 刘 强①孙 青② 汉景泰① 刘嘉麒①(①中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029;②国家地质实验测试中心,北京 100037)摘要 对东北四海龙湾玛珥湖SHL 2F6孔纹层沉积物的137Cs 放射性测量表明:137Cs 比活度的最大值出现在515c m 处,对应于1963年世界原子弹试爆高峰期。
纹层计年表明0～6c m 共有35个纹层层偶。
从715c m 到615cm,137Cs比活度从2156±0109dpm /g 急剧增加到18168±0117dpm /g,可能615c m 对应于1954年。
通过测量226Ra 子核214Pb和214B i (能量为295ke V,352ke V 和609ke V )放射的光子数获得226Ra 比活度数据,然后求得过剩210Pb 比活度(210Pb uns )。
210Pb uns 比活度随深度增加而呈指数衰减,其异常波动可能与人类活动以及沉积速率变化有关,例如515c m 处210Pb 比活度较高,与137Cs 的峰值对应,这可能与1963年前后人工核实验的高峰有关,因为核试验不仅产生137Cs,而且可以产生208Pb 和210Pb;415c m 处210Pb 比活度较低,而226Ra 较高,可能与人类活动加剧,导致沉积速率增加有关。
