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.     

水平井降压法和热激法水合物开采对海底边坡稳定性的影响

天然气水合物广泛赋存在深海沉积物孔隙中, 被认为是具有巨大开发潜力的未来绿色能源之一, 引起全球的关注. 深海水合物开采将造成含水合物储层的强度劣化, 可能产生孔压积聚, 诱发海床失稳. 本文基于边坡稳定极限平衡分析框架, 引入考虑水合物开采热-流-化学耦合过程的数值分析模型, 研究水合物开采对海底边坡稳定性的影响. 采用TOUGH+HYDRATE热-流-化学耦合分析程序, 模拟了采用水平井降压法和热激法开采深海水合物的过程, 分析了水合物分解锋面扩展和瞬态孔压演变的规律, 并通过SLOPE/W程序采用极限平衡分析方法计算水合物开采过程及停采后的海底边坡安全系数, 分析开采井位置和开采方法对海底边坡稳定性的影响. 研究表明, 对于存在致密盖层的细砂储层陡坡, 单水平井降压开采过程中, 由于孔压降低, 土体有效应力增加, 边坡稳定性显著提高, 当开采井布设在坡体中部时, 边坡稳定性提高最为明显; 停采后, 由于水合物分解导致土体黏聚强度降低, 且孔压逐渐回升到静水压状态, 导致边坡稳定性下降, 最危险滑弧通过水合物分解区. 若采用双水平井热激法开采, 开采过程与停采后的最危险滑弧始终通过水合物分解区, 由于开采过程中温度升高, 井周孔压显著上升, 导致边坡安全系数明显下降, 存在诱发滑坡的风险.      

水平井降压法和热激法水合物开采对海底边坡稳定性的影响

天然气水合物广泛赋存在深海沉积物孔隙中,被认为是具有巨大开发潜力的未来绿色能源之一,引起全球的关注.深海水合物开采将造成含水合物储层的强度劣化,可能产生孔压积聚,诱发海床失稳.本文基于边坡稳定极限平衡分析框架,引入考虑水合物开采热-流-化学耦合过程的数值分析模型,研究水合物开采对海底边坡稳定性的影响.采用TOUGH+HYDRATE热-流-化学耦合分析程序,模拟了采用水平井降压法和热激法开采深海水合物的过程,分析了水合物分解锋面扩展和瞬态孔压演变的规律,并通过SLOPE/W程序采用极限平衡分析方法计算水合物开采过程及停采后的海底边坡安全系数,分析开采井位置和开采方法对海底边坡稳定性的影响.研究表明,对于存在致密盖层的细砂储层陡坡,单水平井降压开采过程中,由于孔压降低,土体有效应力增加,边坡稳定性显著提高,当开采井布设在坡体中部时,边坡稳定性提高最为明显;停采后,由于水合物分解导致土体黏聚强度降低,且孔压逐渐回升到静水压状态,导致边坡稳定性下降,最危险滑弧通过水合物分解区.若采用双水平井热激法开采,开采过程与停采后的最危险滑弧始终通过水合物分解区,由于开采过程中温度升高,井周孔压显著上升,导致边坡安全系数明显下降,存在诱发滑坡的风险.     

一种新的海洋浅层水合物开采法——机械-热联合法

天然气水合物是国家的战略能源之一.天然气水合物分解相变使其开采难度高于常规化石能源.国际天然气水合物试验性开采表明通过降压、注热等方法难以满足商业化开采的需求,尤其在水合物位于浅层、软土情况下,持续稳定且高效率的热量供给是其瓶颈.天然气水合物机械-热联合开采是一种新概念模式,即通过粉碎水合物沉积物通过管道输运并在内部分解,这样既增加了传热的表面积,又利用海水热量和对流传热提高了能量供给效率.分析表明:利用该方法开采时水温过高会导致水合物分解过快而产生不稳定流,温度过低又导致水合物二次生成或结冰;水流流速既要能使被粉碎的水合物沉积物颗粒悬浮和流动,又不能导致流动失稳.为了实现高效安全的机械-热水合物开采,经过初步分析提出原位水合物地层粉碎的颗粒直径设定在0.1~1.0 cm之间,控制水流速度为0.22~0.67m/s,温差保证在5K以上,混合物中水的体积分数大于0.85.      

天然气水合物降压开采沉积物压缩效应数值模拟研究

深海天然气水合物降压开采过程中,沉积物的压缩会改变储层的物理力学特性,进而对天然气的开采效果产生显著影响.为揭示沉积物压缩效应下井周围储层物理力学特性演化规律,本文建立了考虑沉积物压缩效应的理论模型,通过COMSOL模拟研究了不同初始固有渗透率、初始水合物饱和度和井底压力条件下的降压开采中生产井周围储层的物理力学特性演化规律以及开采效果.结果表明:受沉积物压缩的影响,水合物分解区的渗透率随着与井筒距离的增加先增加后减少;产气与产水速率由零立即上升至峰值,然后迅速下降,并且考虑沉积物压缩时的产气与产水速率比不考虑时低;在水合物完全分解区,渗透率的大小与有效应力成负相关关系,未分解区渗透率的大小与水合物饱和度成负相关关系;井底压力越小,有效应力越大,生产井周围储层的渗透率下降越明显;初始水合物饱和度对产气与产水的影响存在拐点,饱和度拐点位于0.25与0.35之间,高水合物饱和度并不代表储层开采效果好,产气速率的高低还与储层的渗透率有关,高水合物饱和度储层的渗透率较低,产气速率较低;储层初始固有渗透率较高时显著促进了开采效果,但储层变形量较大增加了储层的不稳定性.     

含水合物沉积物三轴剪切试验与损伤统计分析

天然气水合物开采诱发水合物分解,削弱水合物地层强度,可能导致地层滑动和生产平台倒塌等工程地质灾害,对水合物开采安全性构成严重威胁.深入理解含水合物沉积物力学性质并建立合理的本构关系模型是水合物开采安全性评价的前提条件.在自主研发的含水合物沉积物力学性质测试实验装置上,采用饱和水海砂沉积物气体扩散法制备了含水合物沉积物样品,并开展了系列的排水三轴剪切试验,通过时域反射技术实现了样品中水合物饱和度的实时在线测量;基于复合材料的罗伊斯(Reuss)应力串联模型和沃伊特(Voigt)应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,结合损伤统计理论和摩尔-库伦破坏准则改进了含水合物沉积物的本构关系模型.结果表明:随着水合物饱和度的增加和有效围压的减小,应力-应变曲线由应变硬化型变为应变软化型,割线模量和峰值强度均随水合物饱和度与有效围压的增加而提高,黏聚力受水合物饱和度影响明显,而内摩擦角基本不变;提出的等效弹性模量细观力学混合律模型与改进的本构关系模型均具有良好的适用性,模型参数少且物理意义明确.      

油页岩原位注热开采储层有效热解区变化规律分析

针对油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区变化规律不清,实际热解效果无法准确判断难题,采用数值模拟方法,以抚顺油页岩储层为研究对象,建立了油页岩原位注热开采热流固耦合力学模型,与前人结果对比,验证了模型可靠性。重点考察水力压裂裂缝通道短路问题,分析得到了油页岩原位注热开采过程中储层有效热解区、储层有效热解区中地应力、注汽压力及沉降量随注热时间变化规律。结果表明,过热蒸汽沿水力压裂裂缝流动不会出现裂缝通道短路现象,过热蒸汽可通过水力压裂裂缝加速油页岩储层热解;采用过热蒸汽对流加热油页岩储层效率高,只需1年能使96%的油页岩储层达到热解所需温度;油页岩储层有效热解区中部形成应力集中区,最大地应力为21.6 MPa;热解后靠近注热井处岩层发生沉降,热解2年后最大沉降量达0.85 m。所得结论对现场油页岩原位注热开采有参考意义。     

南海水合物黏土沉积物力学特性试验模拟研究

利用自行研制的含水合物沉积物合成、分解与力学性质测量一体化试验设备,以南海水合物区域的海底粉质黏土作为骨架,制备含水合物沉积物样品,并对其进行了三轴压缩试验研究,获得了水合物分解前后的应力应变曲线和抗剪强度特性. 结果表明:在水合物饱和度0%~45% 的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线均表现为弹塑性变形,存在明显的应变硬化现象;抗剪强度、内摩擦角和黏聚力随水合物饱和度的增加而增加. 相对而言,内摩擦角随饱和度增加幅度较小,其他参数在水合物饱和度超过25% 时,呈陡然增高趋势;水合物分解后导致抗剪强度最大可降低为初始的1/4,不同初始饱和度条件下水合物完全分解后沉积物的抗剪强度基本相等,并大于同等围压条件下初始不含水合物的沉积物抗剪强度.      

基于塑性损伤理论的软泥页岩地层井壁稳定性分析

软泥页岩在地层高压、流体环境下独有的力学变形特性一直是井壁稳定性控制工程领域的研究热点。针对软泥页岩低强度、高塑性的特点,考虑孔隙渗流、塑性损伤引起的渗透率变化等因素,建立了渗流-应力耦合形式的井壁稳定性评价数值模型,研究了流体渗流、泥浆压力、水平应力差的影响。结果表明,对过平衡钻井,当泥浆压力超过地层孔隙压力10%时,渗流-应力耦合效应导致井壁塑性损伤区扩大至少65%,需予以考虑。水平应力差的增大会促进井壁塑性损伤区向最小水平主应力方向集中,且损伤区深度增大。     

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.     

Mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments during hydrate dissociation

The changes in the mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments(GHBS) induced by gas hydrate(GH) dissociation are essential to the evaluation of GH exploration and stratum instabilities. Previous studies present substantial mechanical data and constitutive models for GHBS at a given GH saturation under the non-dissociated condition. In this paper, GHBS was formed by the gas saturated method, GH was dissociated by depressurization until the GH saturation reached different dissociation degrees. The stress–strain curves were measured using triaxial tests at a same pore gas pressure and different confining pressures. The results show that the shear strength decreases progressively by 30%–90% of the initial value with GH dissociation, and the modulus decreases by 50% –75%. Simplified relationships for the modulus, cohesion, and internal friction angle with GH dissociated saturation were presented.     

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。     

The Experimental and Numerical Studies on Gas Production from Hydrate Reservoir by Depressurization

A set of experimental system to study hydrate dissociation in porous media is built and some experiments on hydrate dissociation by depressurization are carried out. A mathematical model is developed to simulate the hydrate dissociation by depressurization in hydrate-bearing porous media. The model can be used to analyze the effects of the flow of multiphase fluids, the kinetic process and endothermic process of hydrate dissociation, ice-water phase equilibrium, the variation of permeability, convection and conduction on the hydrate dissociation, and gas and water productions. The numerical results agree well with the experimental results, which validate our mathematical model. For a 3-D hydrate reservoir of Class 3, the evolutions of pressure, temperature, and saturations are elucidated and the effects of some main parameters on gas and water rates are analyzed. Numerical results show that gas can be produced effectively from hydrate reservoir in the first stage of depressurization. Then, methods such as thermal stimulation or inhibitor injection should be considered due to the energy deficiency of formation energy. The numerical results for 3-D hydrate reservoir of Class 1 show that the overlying gas hydrate zone can apparently enhance gas rate and prolong life span of gas reservoir.     

Fluid-solid coupling model for studying wellbore instability in drilling of gas hydrate bearing sediments

As the oil or gas exploration and development activities in deep and ultra- deep waters become more and more, encountering gas hydrate bearing sediments （HBS） is almost inevitable. The variation in temperature and pressure can destabilize gas hydrate in nearby formation around the borehole, which may reduce the strength of the formation and result in wellbore instability. A non-isothermal, transient, two-phase, and fluid-solid coupling mathematical model is proposed to simulate the complex stability performance of a wellbore drilled in HBS. In the model, the phase transition of hydrate dissociation, the heat exchange between drilling fluid and formation, the change of mechanical and petrophysical properties, the gas-water two-phase seepage, and its interaction with rock deformation are considered. A finite element simulator is developed, and the impact of drilling mud on wellbore instability in HBS is simulated. Results indicate that the re- duction in pressure and the increase in temperature of the drilling fluid can accelerate hydrate decomposition and lead to mechanical properties getting worse tremendously. The cohesion decreases by 25% when the hydrate totally dissociates in HBS. This easily causes the wellbore instability accordingly. In the first two hours after the formation is drilled, the regions of hydrate dissociation and wellbore instability extend quickly. Then, with the soaking time of drilling fluid increasing, the regions enlarge little. Choosing the low temperature drilling fluid and increasing the drilling mud pressure appropriately can benefit the wellbore stability of HBS. The established model turns out to be an efficient tool in numerical studies of the hydrate dissociation behavior and wellbore stability of HBS.     

A semi-analytic solution of a wellbore in a non-isothermal low-permeability porous medium under non-hydrostatic stresses

The transient stress, displacement, pore pressure and temperature fields around a wellbore in a thermo-poro-elastic (THM) medium subject to non-hydrostatic remote stresses are analyzed under non-isothermal plane-strain conditions. The linear THM model proposed by Coussy (1989) is adopted in the analysis with a focus on thermal effects in low-permeability saturated rocks, characterized by a latent heat associated with local changes of fluid mass content. Non-dimensionalized parameters are identified by reformulating the fully-coupled governing equations and boundary conditions. The wellbore problem is simplified by decomposing it into axisymmetric and deviatoric loading cases. The corresponding analytical solutions are obtained in Laplace space. The inverse Laplace transforms are performed numerically to find the time-dependent distributions of field variables in the rock mass around the wellbore. These numerical results show that although the pore pressure diffusion has little influence on temperature and stress, temperature changes can strongly affect the pore pressure and stress around the wellbore. The temperature change can lead to changes in near-well stresses and the resulting significant change in wellbore breakdown pressure illustrates the importance of considering the THM coupling.     

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.      

降压开采模拟试验的水合物分解阵面演化过程

水合物分解阵面演化过程与开采安全性和产气效率密切相关,是开采原位监测的重要组成部分。在玻璃砂样品中进行了甲烷水合物降压开采模拟试验,探讨了水合物饱和度对渗流阵面和水合物分解阵面演化过程的影响,结合已有理论模型,分析了水合物分解阵面传播速度的关键影响因素。结果表明:渗流阵面和水合物分解阵面的传播距离均与时间平方根呈近似线性关系,传播速度均随水合物饱和度的增加而减小;水合物分解阵面的传播速度随多孔介质的有效渗透率和降压幅度的增加而变快,随孔隙率的增加而变慢,粗砂质地层更有利于水合物降压分解阵面的传播。