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.     

天然气水合物盖顶降压装置开采机理研究

提出了一种基于盖顶降压式海底表层、浅层天然气水合物开采装置。通过搭建水合物开采过程温度场模型,对不同加热温度、压力下的开采装置开采结果进行研究,总结得到天然气水合物产出时加热温度与压力的变化情况,以及产气率和产气量的影响规律。实验数据显示:盖顶降压式装置在开采天然气水合物矿藏过程中,必要的热源输入是必不可少的;在相同生产压力、不同恒温热源温度下,温度越高,开采装置最大产气率越大,总产气量也越大,但后期产气率下降迅速。本研究对天然气水合物开采具有一定指导意义。     

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.     

应用阵面追踪法对散心爆轰波传播的数值模拟

考虑到爆轰波阵面曲率及化学反应区宽度的作用 ,由修正Hugoniot关系式解析求解了波后状态 ,应用阵面追踪法 (FTM)数值模拟了曲面散心爆轰波的传播。计算给出的散心爆轰波走时及波阵面上物理量都达到了波阵面曲率的一阶精度。     

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,...     

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...     

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.     

空间薄膜阵面结构褶皱的实验研究

阵面薄膜上的褶皱会显著影响航天器性能,褶皱控制也是薄膜航天器研发的难点。本文采用白光扫描技术,测试了一个正方形薄膜阵面结构在纯剪切作用下的褶皱特性。测试结果显示,随着剪切力的增大,结构膜面褶皱数增加,褶皱幅度增大,膜面平整度降低。随着膜面预应力的增大,膜面上的褶皱数略有增大,褶皱幅度有所减小,膜面平整度有所提高。测试结果还显示,膜面上粘结缝的存在、以及粘结缝与剪切力间的方位关系对膜面褶皱有复杂的影响。论文所得结论对薄膜阵面结构设计研发具有参考价值。     

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。     

1-D Modeling of Hydrate Depressurization in Porous Media

A thermal, three-phase, one-dimensional numerical model is developed to simulate two regimes of gas production from sediments containing methane hydrates by depressurization: the dissociation-controlled regime and the flow-controlled regime. A parameter namely dissociation-flow time-scale ratio, R, is defined and employed to identify the two regimes. The numerical model uses a finite-difference scheme; it is implicit in water and gas saturations, pressure and temperature, and explicit in hydrate saturation. The model shows that laboratory-scale experiments are often dissociation-controlled, but the field-scale processes are typically flow-controlled. Gas production from a linear reservoir is more sensitive to the heat transfer coefficient with the surrounding than the longitudinal heat conduction coefficient, in 1-D simulations. Gas production is not very sensitive to the well temperature boundary condition. This model can be used to fit laboratory-scale experimental data, but the dissociation rate constant, the multiphase flow parameters and the heat transfer parameters are uncertain and should be measured experimentally.     

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。     

沉积物中甲烷水合物饱和度测定及其力学特性研究

在自主研制的实验装置上合成甲烷水合物,采用时域反射技术(TDR)实时监测甲烷水合物生成过程中饱和度的变化,并与系统的压力降法计算的饱和度进行了对比。结果表明TDR法简单易行,结果可靠。对含甲烷水合物沉积物进行了一系列不排水三轴压缩实验,结果表明,含甲烷水合物沉积物的抗剪强度随着有效围压的增加和水合物饱和度的增加而增大;粘聚力随着甲烷水合物饱和度的增加而明显增加,但内摩擦角变化并不显著。在此基础上,提出了抗剪强度与有效围压和水合物饱和度的关系模型。     

Structure of wave front and organization center in excitable media

With help of establishing the moving coordinate on the wave front surface and the perturbation analysis in the boundary layer, the structures of wave front and organization center in excitable media were studied. The eikonal equation of wave front surface and general equation of organization center were obtained. These eikonal equations reveal the wave front surfaces have structures of twisted scroll wave and MObius band, the organization centers have structures of knotted and linked ring. These theoretical results not only explain the wave patterns of BZ (Belousov-Zhabotinskii) chemical reaction but also give several possibility structures of wave front surface and organization center in general excitable media.     

Effect of vibration on the stability of a plane displacement front in a porous medium

The effect of linearly polarized vibration on the stability of a plane displacement front in a porous medium is studied. The problem of the stability of the motion of a plane displacement front traveling at a constant velocity U under the action of vibration normal to the front is considered. It is shown that under the action of vibration the dynamics of the plane displacement front can be described by the Mathieu equation with a dissipative term. Using the standard averaging method, in the case of high-frequency vibration it is revealed that vibration can only increase the stability of the system. It is found that the vibration stabilizes the plane displacement front with respect to part of the perturbation spectrum.     

初始压力对多孔介质中气体水合物生成的影响

利用自制的一维天然气水合物生成与开采模拟实验系统,实验研究多孔介质中天然气水合物生成时不同初始压力对生成量、生成时间的影响.分别用相同气水比注入、相同注气量不同注水量、相同注水量不同注气量三种方式来控制初始压力.结果表明:在砂粒粒径300μm～500μm,盐水质量浓度2%,系统温度为2℃、初始压力为5MPa～9MPa的条件下进行水合物的等容生成实验时,初始压力越大,生成的水合物量越多,水合物开始生成的时间越早;但初始压力越大,实验系统中水合物生成最终稳定所需的时间越长.本实验系统采用的三种不同的控制初始压力的方式都可以得到上述结果.由此,可以为今后室内进行天然气水合物的生成实验提供科学指导.     

On the Nield-Kuznetsov Theory for Convection in Bidispersive Porous Media

We revisit the problem of thermal convection in a bidispersive porous medium, first addressed by Nield and Kuznetsov (Int. J. Heat Mass Transfer, 49: 3068–3074, 2006). We investigate the possibility of oscillatory convection by using a highly accurate Chebyshev tau numerical method. We also develop a nonlinear energy stability theory for the same problem. This yields a global stability threshold below which instabilities cannot arise. These thresholds together with the linear instability boundaries yield a zone where thermal instability may be found. The results and theory of Nield and Kuznetsov (Int. J. Heat Mass Transfer, 49: 3068–3074, 2006) are thus proven to be a highly important development in the modern theory of designer porous materials, cf. Nield and Bejan (Convection in Porous Media, Springer, New York, 2006), pp. 94–97. This work was supported in part by a Research Project Grant of the Leverhulme Trust—Grant Number F/00128/AK.