地下地层在自然或人为干扰（如地震（Paudel等人，2018年）、断层活动（Hickman等人，1995年）、烃类开采（S.-L. Wang等人，2025年）和地下氢储存（Perera，2023年）后，经常经历温度、压力和地球化学条件的变化。在永久冻土（Chen等人，2024年；Shi等人，2024年）、天然气水合物（NGH）储层（Naeiji等人，2024年；Ouyang等人，2024年）和二氧化碳封存区（Qin等人，2025年）中，沉积地层的孔隙结构广泛含有可相变的成分，如冰、天然气水合物和二氧化碳。由于P-T条件的波动（Chen等人，2023年；Dutilleul等人，2020年），这些地层会发生相变和孔隙成分的重新分布（Wu等人，2020b），从而直接导致孔隙渗透率的显著变化，进而影响孔隙空间中的流体传输效率。在油气开发、多相置换和二氧化碳封存中准确评估渗透率对于高效能源提取、流体传输和环境控制至关重要。
含水合物储层代表了一个独特的复杂系统，其中包含温度、压力、应力和化学反应等多个物理场（Huang等人，2021年）。随着传统不可再生化石燃料储备的持续减少，由于其巨大的储量以及相对清洁和高效的能源潜力（Gu等人，2024年；Y. Li等人，2023年），NGH引起了全球的广泛关注。目前，全球NGH生产的现场试验主要采用两种提取技术：减压和热刺激（Song等人，2014年）。这两种方法都是通过调整储层温度和压力来破坏水合物的相平衡，使其分解并释放气体，主要是甲烷。渗透率直接影响气体生产效率（Gao等人，2021年；H. Wang等人，2024年）以及井筒的安全性（Kim等人，2018年；Liu等人，2019年）。在这一复杂过程中准确评估渗透率变化对于矿产资源开发和碳地质封存等应用具有重要的理论意义。
在石油和天然气储层（Kuzmin，2021年）、NGH储层（L. Wang等人，2024年）、二氧化碳注入和封存（Sampath等人，2019年）、地下氢储存（Ramesh Kumar等人，2023年）以及地下水资源（Carlson等人，2020年）中，地质沉积物的应力诱导变形很常见。主要原因包括开采过程中的储层压力消耗（Ma和Zoback，2017年）、流体置换或抽取（Barbour和Wyatt，2014年）以及由于孔隙成分重新分布导致的胶结结构弱化（Wu等人，2020b）。在含水合物的沉积物（HBSs）中，不同生产方法引起的水合物分解会扩大孔隙空间并削弱沙粒的胶结作用。在原位应力条件下，这会导致复杂的孔隙结构和渗透率变化（You等人，2023年）。此外，由于重力或流体传输，相成分通常分布不均，从而导致孔隙结构的异质性（Shi等人，2025年；Chatterjee等人，2014年；Malinverno，2010年）。大多数现有的渗透率模型假设孔隙空间均匀分布，这使得它们在预测这种异质分布的渗透率时不够准确（H. Li等人，2023年；Liu等人，2023年）。因此，理解孔隙空间变形和异质孔隙结构的分布对于多相流体传输过程中的渗透率估计和预测至关重要，例如油水重新分布（Oughanem等人，2015年）、多相置换（Zhu等人，2022年）、水合物储层开发（Mahabadi等人，2016年）和二氧化碳封存（Yanghui Li等人，2025a；Seyyedi等人，2020年）。
高分辨率X射线计算机断层扫描（CT）已广泛应用于岩石变形的无损可视化（Saif等人，2019年）、孔隙-裂缝分布（C. Liu等人，2025年）以及多相流体置换和迁移（Wildenschild和Sheppard，2013年）。三维数字岩石图像有助于精确分割多相流体、流体分布分析、接触角和润湿性评估、孔隙网络提取以及流动模拟（Zhang等人，2025年）。它们还允许观察孔隙变形和颗粒运动，以及分析孔隙空间和其他相的形态（Makarian等人，2025年）。
大量的实验研究探讨了孔隙结构和毛细网络变化对渗透率的影响，从而发展出了各种模型关系。大多数现有研究通过加入修正项或指数来扩展经典渗透率模型——例如基于Poiseuille方程的毛细束模型（Purcell，1949年）、Kozeny-Carman方程（Carman，1937年；Kozeny，1927年）和经验幂律关系（Hazen，1917年），以在特定条件下提高渗透率评估的准确性。然而，这些模型在更广泛的情境中往往高估或低估了渗透率（Mostaghimi等人，2013年；Yu等人，2024年；Soromotin等人，2025年），这主要是由于多孔介质的曲折、复杂和异质性（Hommel等人，2018年）。Yu和Cheng（2002年）将毛细管的分形维数引入毛细束模型，以有效描述分形多孔介质中的流动特性。许多研究在此基础上进行了改进，根据具体的研究重点进行了调整（Zhao等人，2025年）。例如，使用高压汞侵入孔隙度测量数据改进的分形模型比传统的单分形理论更好地描述了孔隙结构和流动特性（Ge等人，2016年）。Zhang等人（2024年）利用微流控实验提取了各种孔隙结构的孔隙度、孔径和分形维度等参数。通过引入孔隙空间各向异性的指标——孔隙度（Roy等人，2010年；Smitha等人，2015年），他们改进的分形模型更好地捕捉了异质孔隙结构对渗透率的影响。然而，孔隙度在完全量化孔隙的三维异质性方面存在局限性。Liu等人（2025年）使用基于分形理论的三维毛细束模型评估了中等孔隙度、中等渗透率储层中的曲折度与渗透率之间的关系。关键的是，到目前为止，还没有一个数学渗透率模型能够综合考虑动态分形孔隙参数和来自原位实验数据的3D异质分布。当前的渗透率估算主要依赖于数值模拟，如离散元方法（DEM）和格子Boltzmann方法（LBM）（Xu等人，2025年；Liu等人，2015年），这些方法涉及复杂的计算，需要较高的计算资源和时间成本。我们的研究通过开发一种新型渗透率模型直接解决了这一难题，该模型将动态演变的分形参数与适用于异质孔隙结构的空间加权算法相结合。这种方法提供了一种比以往依赖静态或简化异质性表示的模型更直接、更基于物理的替代方案。
在实际的NGH生产中，水合物分解通常表现出显著的空间异质性。由于更接近井筒的区域可以直接受到刺激，因此分解通常进行得更快，而上部区域的分解速度较慢。这种不均匀性导致整个储层中的饱和度分布高度异质（图1）。至关重要的是，这一过程中地层渗透率的变化会反过来影响进一步的相变，因为它直接控制着热量和质量的传输，这是分解的关键驱动力（Yaobin Li等人，2025年）。因此，捕捉这种异质系统的孔隙尺度演变对于准确预测渗透率至关重要。
本研究利用低温高压CT三轴系统，在恒定轴向载荷下通过减压和热注入对含水合物的沙沉积物进行原位生成和分解。实时CT成像捕捉了孔隙结构的变化。基于这些变化和分形维度，我们提出了一个具有分形参数校正的创新渗透率模型。此外，还开发了一种用于预测异质孔隙结构中渗透率的准确方法。本研究探索了HBS的孔隙尺度响应，克服了三维孔隙异质性对数学模型的限制。我们的方法能够在耦合的相变和应力效应下实现准确的渗透率评估。
