含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

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.      

纯水合物力学性质研究进展

纯水合物力学性质是含水合物沉积物力学性质研究的基础, 其与水合物开采、海底地质灾害防治、CO₂埋藏、气体储运等诸多方面都密切相关. 然而受水合物形成条件和样品本身影响, 目前对纯水合物力学性质研究还存在很多争议和不足, 其中最主要的问题就是难于获取高纯度的水合物实验样品. 据此本文从实验和理论计算两个方面对当前纯水合物力学性质的研究进展进行了总结和分析, 提出可从宏观实验技术改进和微观分子动力学模拟两方面结合来尽可能消除水合物样品本身的影响, 揭示纯水合物力学性质与冰异同的内在原因, 掌握水合物样品残余水气和微孔隙对其力学性质的影响机理, 从而实现水合物微观力学本质与宏观力学特性间的衔接, 为今后含水合物沉积物力学性质及水合物力学性质相关领域研究奠定坚实的理论基础.     

含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

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.     

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.      

水合物沉积物力学性质的研究现状

天然气水合物(简称水合物)是一些具有相对较低分子质量的气体如甲烷,二氧化碳、氮气等在一定温度和压力条件下与水形成的内含笼形孔隙的冰状晶体.天然气水合物沉积物(简称水合物沉积物)是指蕴含水合物的砂、黏土以及混和土等土质的沉积物质.主要从现场调查、室内试验和理论模型分析3个方面对甲烷水合物沉积物力学性质的研究现状做了介绍.在现场调查方面着重介绍水合物沉积物原位和调查船上的物性试验,并对原位带孔压测量的圆锥静力触探试验在水合物沉积物力学性质现场调查中的应用前景进行了阐述;在室内试验方面主要介绍了原状和人工合成的水合物沉积物的三轴试验结果,测定弹性参数的声波测试试验结果,天然气和水的含量及沉积物特性对水合物沉积物强度影响的试验结果,以及与水合物开采有关的水合物分解对水合物沉积物强度影响的室内试验和结果;在理论模型方面着重介绍了目前经常采用的几个模型的特点及应用范围.最后提出了今后在水合物沉积物力学性质研究方面应开展的工作重点及发展方向.      

土与结构界面接触问题研究进展评述

针对土与结构相互作用研究中的土-结构界面接触问题,本文从界面接触力学特性及界面接触模拟两个方面的研究展开评述.分析了接触面(带)的力学特性和变形分布规律方面的试验方法和取得的成果,讨论了现有试验方法的不足;随后,对土-结构界面接触行为的两类模拟方法--接触面单元方法和接触力学方法进行了讨论;最后提出了今后工作的重点.      

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.      

含水合物沉积物的弹塑性本构模型

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.      

含水合物沉积物的弹塑性本构模型

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.     

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.      

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.      

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.      

深海天然气水合物机械?热联合开采方法研究综述

天然气水合物由于储量大、污染低等优点, 已成为我国非常重要的战略能源, 世界各国也加快了天然气水合物的勘探和开发工作. 经济高效的开采方法以及相关的灾害控制和环境保护是对天然气水合物进行商业化开采必须要解决好的两个关键问题. 目前, 注热法和降压法的联合使用被认为是最为有效的天然气水合物开采方法. 在降压法和注热法中, 天然气水合物开采涉及传热、相变、渗流和变形等物理过程和效应, 而传热最慢且相变会消耗大量的热量, 无法直接采用常规的单纯依靠渗流原理的油气开采方案来开采天然气水合物. 我国南海的天然气水合物主要赋存于粉砂质黏土和粉细砂等类型的沉积物中, 胶结性差且埋深较浅. 常规的开采方法还不适合我国南海的水合物开采, 需要考虑新型的开采方式, 这其中提高沉积层中的热传导效率是天然气水合物开采的关键. 郑哲敏提出了机械?热联合开采的新概念方法, 利用无穷无尽表层海水的热量, 基于对流传热的原理和管道输送技术, 并兼顾类似采煤挖掘可能导致的深海浅软地层安全问题. 天然气水合物机械?热联合开采法是一种新的概念模式, 具有开采可控、高效且能有效降低地层安全性风险的优点. 本文针对该新方法的能量、装备、经济可行性进行综合评估, 阐述了针对核心问题管道含相变气液固多相流动、地层安全方面的研究进展, 展望了未来推广应用的空间.