多孔介质中天然气水合物注热+降压开采的实验研究

为研究注热与降压相结合的开采方式是否更加有利于天然气水合物的开采,在自制的天然气水合物开采模拟实验系统上进行了实验研究.在一维填砂模型中人工生成天然气水合物之后,进行先注热盐水然后再降低压力(注热+降压)的开采模拟实验,分析了开采过程中系统温度、电阻率变化规律以及产气量、能量效率等.结果表明:产气规律具有明显的阶段性,...     

多孔介质应力对孔隙压力影响的研究

通过大量的现场测试发现 ,含瓦斯煤岩是一个复杂的系统 ,煤体应力的变化是引起其他一系列变化的主导因素。随煤体应力的变化 ,孔隙压力呈指数形式变化 ;介质的渗透性受孔隙压力梯度的控制。     

电阻率测试技术在沉积物－盐水－甲烷水合物体系中的应用

利用自制的一维天然气水合物(NGH)开采模拟实验系统,通过对NGH生成过程中电阻率、温度、压力等的变化规律进行分析,验证了在海洋沉积物体系中用电阻率法测试NGH的可行性。实验结果表明,电阻率可以清楚地反映NGH的成核及生长过程。NGH开始成核时消耗了溶液中的水分和甲烷气体,增加了离子之间的连通性,使电阻率降低;晶核开始生长为NGH后,由于生成的NGH类似于绝缘体,并且使得孔隙连通性变差,电阻率逐步升高,NGH大量生成后电阻率保持稳定。然后进行NGH降压分解实验,随着NGH的分解,NGH饱和度下降,电阻率也逐渐下降。     

天然气水合物分解对地层稳定性影响的离心机实验模拟

水合物分解后将引起地层强度的降低,可能造成海床沉陷、滑塌以及海洋结构物基础的破坏。针对该问题,首先以南海浅层粉砂为沉积物骨架,采用生物厌氧发酵技术合成水合物沉积物,然后进行水合物热分解引起地层响应的离心机实验模拟,获得了水合物分解引起地层变形与滑塌的特征以及孔隙压力发展的物理过程,为研究水合物分解引起海床失稳的条件进行了新的尝试。     

对饱和多孔介质波动问题中本构关系的探讨

依据连续介质力学的混合物理论,讨论了饱和多孔介质的波动一般方程。其中考虑了质量耦合、初始压力及其浮力效应等。对于澄清这一研究课题中的某些基本概念,以及完善其理论体系具有重要意义。）其中ｖ￣（２）为速度涨落,于是单位体积内流相的动能为：因此将流相动能的涨落Ｋ￣（２）归于自由能更自然些。又因为当：ｖ￣（２＊）≡ｖ￣１时,即Δｖ＝ｖ￣１－ｖ￣２＝０时ｖ￣（２）＝０,此时Ｋ￣（２）＝０而且显然Ｋ￣（２）随着Δｖ·Δｖ的增大而增大,一个简单的近似是令Ｋ￣（２）＝ρ·Δｖ＿ｋ·Δｖ＿ｋ并且是常数。由此可导出表现质量力。由自由能的非负性质知,所以有．由（４．１３ａ）很容易推出质量密度矩阵的对称性和正定性。参考文献     

深水井控过程中天然气水合物生成区域预测

针对深水井控的特点,建立了多相流控制方程,给出了温度场方程和水合物生成热力学方程,并给出了不同工况下求解上述方程的定解条件和离散方法以及求解步骤.数值计算表明:随着关井时间的增加,环空内的温度越接近环境温度,水合物的生成区域越大;随着压井排量的增加,天然气水合物的生成区域变小,可适当提高流量使水合物的生成区尽量远离海底,减小防喷器管线被水合物阻塞的危险;由于节流管线摩阻的原因,与钻进时相比,压井时水合物的生成区域会变大,且随着节流管线内径的减小,水合物的生成区域会变大;随着抑制荆浓度的提高或钻井液入口温度的升高,天然气水合物的生成区域也随之变小.     

对饱和多孔介质波动问题中本构关系的探讨

依据连续介质力学的混合物理论，讨论了饱和多孔介质的波动一般方程。其中考虑了质量耦合、初始压力及其浮力效应等。对于澄清这一研究课题中的某些基本概念，以及完善其理论体系具有重要意义。）其中ｖ￣（２）为速度涨落，于是单位体积内流相的动能为：因此将流相动能的涨落Ｋ￣（２）归于自由能更自然些。又因为当：ｖ￣（２＊）≡ｖ￣１时，即Δｖ＝ｖ￣１－ｖ￣２＝０时ｖ￣（２）＝０，此时Ｋ￣（２）＝０而且显然Ｋ￣（２）随着Δｖ·Δｖ的增大而增大，一个简单的近似是令Ｋ￣（２）＝ρ·Δｖ＿ｋ·Δｖ＿ｋ并且是常数。由此可导出表现质量力。由自由能的非负性质知，所以有．由（４．１３ａ）很容易推出质量密度矩阵的对称性和正定性。参考文献     

水介质初始参数设置对水下爆炸载荷的影响

针对数值计算中水介质初始参数设置对水下爆炸载荷特性的影响开展了深入分析。基于参考状态参数确定了水介质状态方程形式;从热力学角度分析了常用的两种初始参数设置方式,提出了一种按等温假设设置初始参数的方式,并对LS-DYNA中INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果进行了分析;采用LS-DYNA程序进行一维球形装药水下爆炸数值计算,分析了3种设置方式下爆炸载荷特性的差异,并与已有研究成果进行了对比。结果表明:当仅改变水介质内能项时,参数按等容过程变化,流场压力源于外界传热,与实际深水环境严重不符;INITIAL_EOS_ALE关键字给出的参数设置结果与仅改变水介质密度（等内能过程）接近,水温变化规律与真实环境不符;按等内能过程和等温过程设置初始参数时,水下爆炸载荷特性计算结果基本相同,与已有成果吻合;综合分析认为,按等温形式进行初始参数设置方式较优。研究成果可为水下爆炸尤其是深水爆炸数值仿真提供参考。     

基于瞬态压力脉冲法的含水合物沉积物渗透性实验研究

水合物藏的渗透特性是判断工业开采可行性的重要参数。为了研究以粉细砂为主构成的多孔介质中水合物对其渗透率的影响,基于瞬态压力脉冲法的原理及求解方法,研制了一套适用于测量含水合物沉积物渗透率的实验装置。利用该装置对含不同饱和度二氧化碳水合物的粉细砂样品进行了渗透率测量实验。结果表明,随着粉细砂样品中二氧化碳水合物饱和度的增加,其渗透率呈指数衰减趋势;将实验数据与渗透率模型进行对比,发现实验数据与水合物占据毛细管中心的平行毛细管模型最为相近。据此推断,水合物在细砂样品中的赋存状态以悬浮模式或接触模式为主。     

不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性研究

阻火器是一种应用广泛的爆炸阻隔装置。为了深入理解影响阻火器性能的因素,通过实验方法探究了不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性。结果表明,可燃气的活性、体积分数和初始压力均会影响火焰速度稳定性、传播模式以及淬熄难度。实验发现火焰传播具有3种模式:直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄、淬熄失败。可淬熄的最大初始压力p_lim用以表征火焰淬熄难度,虽然其最小值位于化学计量比,但仍在一定体积分数范围内保持恒定。此外,基于传热作用得到密闭管道中丙烷-空气预混气爆燃阻火速度公式,并进行了实验验证。     

中国南海天然气水合物开发面临的挑战与思考

天然气水合物因其巨大的资源量与高能量密度而被视为一种前景广阔的能源. 理解孔隙尺度下天然气水合物生成与分解动力学及气-水-水合物三相分布对优化天然气水合物开采工艺至关重要. 文章设计了一种新型的高压微流控可视化实验装置(最高耐压19.0 MPa), 可实现孔隙尺度下气体水合物生成和分解相变的直接观测. 首先, 观测并分析了南海神狐海域温压条件下(压力15.5 MPa)甲烷水合物的成核与生长过程. 通过图像识别算法分析了热激法下3种升温速率(0.5, 2.0和8.0 K/h)对甲烷水合物分解动力学与气泡演化规律. 实验结果表明, 孔隙中存在两种不同的甲烷水合物生成机制: (1) 甲烷气泡主导生成的气-水-水合物三相共存的疏松多孔型水合物; (2) 水中溶解相甲烷主导生成的致密单晶型水合物. 其中, 单晶型水合物包裹在多孔型水合物周围并呈树突状生长, 在接触甲烷气泡时会诱导多孔型水合物的快速成核与生长. 水合物分解过程中, 气-水-水合物三相共存的多孔型水合物优先分解, 单晶型水合物相对稳定, 其分解温度高于多孔型水合物约0.3 K. 孔隙内水合物分解后产生明显的气泡聚集与融合现象, 气泡平均直径为60 ~ 100 μm. 提高升温速率显著加快了水合物分解速率, 更有利于气泡融合, 造成较大气泡在孔隙内分布. 本研究为甲烷水合物在孔隙尺度下生成、分解与微米级气泡演化提供直接实时观测证据, 研究结果对深入理解水合物分解动力学与水合物沉积物两相渗流理论提供基础支撑.

     

天然气水合物开发多物理场特征及耦合渗流研究进展与建议

天然气水合物作为一种非常规的清洁能源, 在全球分布广、资源量大. 自20世纪90年代以来, 加拿大、美国、日本、中国已经先后进行了陆域及海域的水合物试采, 但发现出砂、单井日产气量低、稳产时间短等问题, 试采产量远不能满足商业化开发的需求, 其中核心问题是对水合物开发过程中的相变、多相多组分多场耦合渗流特征的认识不够明晰. 本文根据天然气水合物开发过程中涉及的渗流场、温度场、化学场、力学场等多场耦合特征, 重点综述水合物生成/分解对各物理场主要特征参数的影响, 包括水合物储层的孔隙度、水合物饱和度、渗透率、相对渗透率等基础物性参数及其动态演变, 天然气水合物的导热系数、比热容、热扩散系数以及水合物生成/分解热等热力学参数, 天然气水合物生成、分解动力学特征, 纯水合物以及含水合物沉积物的力学性质等, 最后阐述了天然气水合物开发渗流中的多场耦合关系及相互作用, 提出了今后水合物开发多物理场特征及耦合渗流的科学研究、技术开发的有关建议.     

天然气水合物开发多物理场特征及耦合渗流研究进展与建议

天然气水合物作为一种非常规的清洁能源, 在全球分布广、资源量大. 自20世纪90年代以来, 加拿大、美国、日本、中国已经先后进行了陆域及海域的水合物试采, 但发现出砂、单井日产气量低、稳产时间短等问题, 试采产量远不能满足商业化开发的需求, 其中核心问题是对水合物开发过程中的相变、多相多组分多场耦合渗流特征的认识不够明晰. 本文根据天然气水合物开发过程中涉及的渗流场、温度场、化学场、力学场等多场耦合特征, 重点综述水合物生成/分解对各物理场主要特征参数的影响, 包括水合物储层的孔隙度、水合物饱和度、渗透率、相对渗透率等基础物性参数及其动态演变, 天然气水合物的导热系数、比热容、热扩散系数以及水合物生成/分解热等热力学参数, 天然气水合物生成、分解动力学特征, 纯水合物以及含水合物沉积物的力学性质等, 最后阐述了天然气水合物开发渗流中的多场耦合关系及相互作用, 提出了今后水合物开发多物理场特征及耦合渗流的科学研究、技术开发的有关建议.      

Formation of a gas hydrate due to injection of a cold gas into a porous reservoir partly saturated by water

Specific features of formation of gas hydrates due to injection of a gas into a porous medium initially filled by a gas and water are considered. Self-similar solutions of an axisymmetric problem, which describe the distributions of the basic parameters in the reservoir, are constructed. The existence of solutions is demonstrated, which predict gas hydrate formation both on the frontal surface and in the volume zone. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 49, No. 3, pp. 137–150, May–June, 2008.     

Meso-level simulation of gas hydrate dissociation inlow-permeability sediments

This paper presents a meso-level simulation of gas hydrate dissociation in low-permeability marine sediments. Interstitial pores are defined to describe fluid flow and particle movement. The proposed model couples multiphase fluid flow with particle movement to simulate the thermodynamics of gas hydrate dissociation triggered by sharp temperature rises. Hydrates respond quickly to temperature rise in low-permeability sediments. Dissociation causes pore pressure to rise rapidly to equilibrium then steadily increase above equilibrium pressure. Lower permeability sediment builds up greater excess pore pressure as the dissipation of pore pressure is constrained.     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时, 试样强度迅速上升, 呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用. 粉质黏土沉积物粒径细小, 渗透性差,难以通过渗透作用传递压力, 提高了沉积层的破裂压力. 此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响. 适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触, 会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.     

Processes of hydrate formation and dissolution behind a shock wave in a liquid containing gas bubbles (mixture of nitrogen and carbon dioxide)

The processes of dissolution and hydrate formation behind a moderate-amplitude shock wave in water containing gas bubbles (mixture of nitrogen and carbon dioxide) are studied in experiments with different initial static pressures in the medium and concentrations of carbon dioxide in bubbles. An increase in static pressure in the gas-liquid medium is demonstrated to enhance the influence of the non-reacting gas (nitrogen) on the processes of dissolution and hydrate formation. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 50, No. 2, pp. 178–187, March–April, 2009.     

海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变, 同时降低沉积物的胶结程度, 使地层的抗剪强度和承载能力降低, 从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题. 为此, 在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内, 基于扩展的三维Biot固结理论, 考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用, 建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型, 并开发有限元程序对其进行数值求解. 以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象, 构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型, 预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律, 揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势. 结果表明: 储层降压导致地层有效应力增大, 进而引起井周地层发生沉降, 且地层的沉降主要发生在降压开采前期, 最大沉降位置位于井壁周围, 向储层内部延伸地层沉降量快速减小; 水合物分解导致井周地层力学强度降低, 加剧了储层的沉降; 井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显, 从而造成井壁破坏的潜在风险, 这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.