水合物与充填砾石颗粒间细观摩擦与胶结作用研究

来源：石油科学通报杂志2026年第1期北京时间：

作者：刘志辉, 刘志超, 郭峰, 史浩贤, 罗强, 尹德江, 施玖东, 于彦江, 李丽霞, 谢文卫, 宁伏龙

单位：1 中国地质大学(武汉)广州南沙地大滨海研究院，广州 5114622 中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 4300743 地球深部钻探与深地资源开发国际联合研究中心，武汉 4300744 广州海洋地质调查局天然气水合物勘查开发国家工程研究中心，广州 511466

摘要：砾石充填是应对天然气水合物储层防砂增产需求的有效完井技术手段，其中砾石界面间摩擦及其与水合物的胶结行为，直接影响充填过程和砾石充填结构的力学特性。然而，目前仍缺乏从颗粒尺度系统揭示水合物与充填砾石颗粒间摩擦与胶结作用机制的研究，对润湿—温度—接触构型协同作用下的颗粒间微力定量表征亦相对不足。本文依托自主搭建的高精度微力测试装置并结合原位高分辨显微观测，在可控的单颗粒接触尺度下，明确区分干燥、微浸润与全浸润三种润湿状态，以及裸露接触、冰包覆与水合物包覆等接触构型，系统测试了四氢呋喃(THF)水合物、冰与砾石颗粒间的摩擦系数和胶结强度。结果表明：(1)THF水合物颗粒的摩擦系数整体高于冰，主要与其表面更粗糙、滑移中更易发生脆性微破裂有关；(2)界面摩擦系数随润湿度呈非线性变化，少量液态水具有薄膜润滑效应，过量则因黏滞与液桥作用导致摩擦系数回升；砾石被冰或水合物包覆时，摩擦系数显著降低；(3)低温下水合物—砾石与冰—砾石界面均存在明显胶结，且失效形式以界面脆性断裂为主，本实验中破坏更易发生在颗粒—水合物界面而非水合物本体。上述结果在颗粒尺度上厘清了润湿程度、温度与接触构型对水合物、冰与砾石间摩擦、胶结行为的控制机理，为砾石充填工艺参数化建模与防砂增产过程可靠性评估提供了依据。

关键词：水合物,充填砾石,摩擦系数,胶结强度

基金资助：南沙区重点领域科技计划项目“泥质粉砂水合物储层开采稳产关键技术攻关及器具研发”(2023ZD017);国家自然科学基金(42225207);国家自然科学基金(42376220);中国地质大学(武汉)中央高校基本科研业务费资助项目(2024XLA48)