多孔介质中甲烷水合物的微观分布对电阻率的影响

电阻率测井技术是天然气水合物储层资源量估算的重要手段,明确储层电阻率与水合物在沉积物孔隙中微观分布的关系对准确估算水合物饱和度有重要意义。使用自主研发的天然气水合物计算机断层扫描（CT）技术-电阻率测量装置,开展多孔介质中甲烷水合物生成实验,同时进行CT观测与电阻率测试,得到了反应过程中扫描图像和电阻率数据,讨论了孔隙中水合物在不同微观分布模式下电阻率与水合物饱和度的关系。结果表明：水合物饱和度低于10.50%时,水合物以接触分布模式为主,与水合物对孔隙的填充效应相比,排盐效应更加显著,电阻率随水合物饱和度增大略有下降;水合物饱和度为10.50% ~ 22.34%时,水合物为悬浮与接触共存分布模式,悬浮分布模式下的水合物对孔隙水连通截面的阻塞作用较大,电阻率随水合物饱和度的增大急剧升高;水合物饱和度为22.34% ~ 27.50%时,水合物仍然为悬浮与接触共存分布模式,在大部分孔隙已被堵塞的情况下水合物的填充作用对电阻率影响较小,电阻率随水合物饱和度增大而升高的趋势逐渐变缓。可见,电阻率响应特性在不同的水合物饱和度范围下明显不同,与水合物的微观分布有关。     

含水合物沉积物的渗透率实验研究

天然气水合物储层的渗透率是影响水合物开采时气、水运移的关键,也是水合物开采潜力评价、资源评价、开采工艺选择等需要了解的关键参数。目前,国内外学者对天然气水合物储层的渗透率进行了一定的研究并有了初步认识。但是,对于围压、轴向压力、水合物饱和度、赋存模式等对水合物沉积物渗透率的影响机制和机理还不清楚。本文在自主设计的水合物储层三轴渗透率测试平台上,实验研究了粒径、围压、轴向压力、水合物饱和度等对沉积物渗透率的影响。结果表明,采用不同围压测得的水合物沉积物渗透率存在较大差异：多孔介质粒径的减小会降低沉积物渗透率;甲烷水合物沉积物渗透率随着饱和度升高呈指数型下降;轴向压力的升高会降低甲烷水合物沉积物渗透率,沉积物水合物饱和度越高,轴向压力对沉积物渗透率的影响越小;轴压加载条件下甲烷水合物沉积物相对渗透率随饱和度变化与Masuda沉积物渗透下降模型拟合良好。     

含甲烷水合物的石英砂渗透率实验和分形模型对比研究

含水合物的多孔介质渗透率是影响水合物开采的关键参数,多孔介质渗透率与水合物的饱和度密切相关。定量研究多孔介质渗透率随水合物饱和度的变化,对自然界中天然气水合物藏内渗流场的研究具有重要的理论价值。本文以平均粒径为139.612 μm的石英砂为多孔介质,采用稳态注水法测量在不同甲烷水合物饱和度（0 ~ 28.56%）下的石英砂渗透率,将实验数据与两种不同水合物赋存形式（颗粒包裹、孔隙填充）下的石英砂渗透率二维分形模型进行了对比。结果表明,石英砂渗透率比K_r随甲烷水合物饱和度S_h的增大呈现指数减小的趋势。当水合物饱和度低于11.83%时,渗透率比下降缓慢。而当水合物饱和度高于11.83%时,渗透率比下降迅速;当饱和度指数n = 12时,渗透率分形模型与实验数据吻合良好。通过分形模型与实验数据对比,发现当水合物饱和度低于11.83%时,甲烷水合物的赋存形式为颗粒包裹型。在11.83% ~ 28.56%水合物饱和度范围内,甲烷水合物的赋存形式为孔隙填充型。本研究成果量化了石英砂渗透率与甲烷水合物饱和度的关系,确定了含甲烷水合物的石英砂的渗透率分形模型的参数取值。     

含甲烷水合物沉积物电–声响应特性联合探测：装置开发与实验研究

为了满足开展天然气水合物模拟实验、测试电学和声学特性参数以及建立特性参数与含水合物饱和度之间关系的需求，开发了一套电–声响应特性联合探测实验装置，以海沙模拟松散沉积物开展了甲烷水合物生成和分解模拟实验，联合探测了电学和声学参数，分析了被测体系的电学和声学响应特性。研究表明：（1）通过电–声响应联合探测实验装置能够同步获取宽频率范围电学阻抗谱和超声波接收信号波形；（2）通过设计电声复合传感器及其阵列式排布方式和“分时轮流”工作模式能够获取电学和声学参数的空间分布信息；（3）基于所提出的波动百分比和相关系数指标对不同频率阻抗模值进行评价所获得的100 kHz阻抗模值随含水合物饱和度的增加先减小后增大，经过有效压力校正后的超声波接收信号波动幅度值随含水合物饱和度的增加而升高；（4）上述两者分别可以作为分析和建立与含水合物饱和度之间关系的电学和声学有效特征参数。所开发的实验装置为将来开展含水合物复杂沉积物的模拟实验与测试工作提供了必要条件，所得到的电学和声学有效特征参数为含水合物饱和度计算模型的建立奠定了基础。     

天然气水合物储层渗透率研究进展

天然气水合物是清洁、高效、储量巨大的未来最具潜力资源之一,而储层的渗透率是影响水合物资源开采时产气效率的重要参数。目前,国内外对天然气水合物储层的渗透率进行了大量的研究并取得一定进展,本文从数值模拟、储层现场探井、实验研究等方面全面回溯,分析总结了孔隙度、饱和度、应力应变情况等对储层渗透率的影响,讨论目前储层渗透率研究存在人工合成水合物沉积物与自然储层存在差异,不同多孔介质形成的水合物沉积物应力敏感性不同,多相渗流研究不够充分,储层渗透率改造研究不足等问题,对未来的研究方向提出了展望。     

基于TDR双参数的沉积物中水合物饱和度测量

针对沉积物中水合物饱和度的测量问题,立足于时域反射技术（TDR）能够同时获得含水合物沉积物表观介电常数和电导率的优点,提出了一种基于介电常数/电导率双参数的水合物饱和度评价新方法。在分析介电常数和电导率测量原理的基础上,设计了四氢呋喃（THF）水合物模拟实验与参数测量系统以及实验方案;基于TDR测量响应分析了孔隙水电导率对水饱和的以及含水合物的模拟沉积物介电常数和电导率的影响;利用TDR获取的不同水合物饱和度条件下的介电常数测量数据对比分析了经典介电常数模型的性能,并以Lichteneker-Rother（LR）模型为原型建立了水合物饱和度与介电常数之间的关系模型,以阿尔奇公式为原型建立了基于TDR测量电导率的水合物饱和度计算模型。研究结果表明：采用LR模型和Maxwell-DeLoor模型能够较准确地描述TDR测量表观介电常数与水合物饱和度之间的关系;基于表观介电常数/电导率双参数的水合物饱和度联合评价方法为提高评价结果的准确度和可靠性提供了新途径。将来需要结合水合物储层实际特征开展模拟实验并进一步完善饱和度计算模型,将基于TDR双参数的饱和度联合评价方法推广应用到含天然气水合物沉积物。     

含水合物松散沉积物声速剖面成像技术研究

本文基于射线理论的超声层析成像技术,采用自适应消噪技术除去天然气水合物（NGH）实验模型固有噪声,运用直射线追踪法和基于联合迭代重建算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques, SIRT）的迭代重建法实现超声层析成像的正演和反演,针对水合物实验获取的波形,得到NGH在松散沉积物中形成时的地层声速剖面结构图像。结果表明,使用超声层析成像技术获取的含NGH沉积物的二维声速剖面结构能够准确反应不同时刻沉积物中NGH饱和度及分布情况,并且纵横波速度剖面结构的变化趋势大体相同。同时本文也结合常用的NGH声速预测模型,针对实验数据,对声速与NGH饱和度之间的关系进行了讨论。     

含甲烷水合物多孔介质渗透性的实验研究

为研究多孔介质中甲烷水合物对其渗透性的影响,开发了一套适合在该条件下测量渗透性的实验装置。研究了多孔介质孔隙度与渗透率的关系;用BZ-01、BZ-02玻璃砂模拟多孔介质进行了渗透率测量实验,测试了不同甲烷水合物饱和度下多孔介质渗透率的变化情况。结果表明,多孔介质中甲烷水合物的存在会导致其渗透率急剧下降,饱和度-渗透率曲线呈指数分布。根据实验数据拟合出了渗透率随饱和度变化的经验公式,并将实验数据与渗透率模型进行了比较,发现在实验条件下生成的甲烷水合物符合平行毛细管模型,水合物占据毛细管中心,多孔介质中的流动形成环状流。     

多孔介质中甲烷水合物的生成特性研究进展

天然气水合物是一种清洁高效的能源,常常在自然界中的海底沉积物多孔介质孔隙中生成,同时水合物在工业上还能与多孔介质材料一起作为储存及分离气体的一种方式,因此开采利用水合物以及发挥水合物工业技术的前提都跟多孔介质有莫大的关系,对多孔介质中天然气水合物生成特性的研究进行总结与分析具有非常重要的意义。本文总结分析了国内外关于不同类型多孔介质中甲烷水合物的生成过程及特性的研究文献,将多孔介质根据其孔径大小进行划分。结果显示,在微孔介质中,甲烷水合物的生成侧重于气体的存储及运输方面;在介孔介质中,甲烷水合物的生成动力学受孔径影响较大;在大孔的沉积物中,甲烷水合物的生成及分布的机理性研究仍比较缺乏。因此,需要进一步的研究来丰富甲烷水合物在多孔介质中的生成动力学理论,本文将在文献调研的基础上为今后的研究方向提出一些展望和思路。     

基于物理参数反演的木质颗粒声学特性研究

声学技术可用于非侵入式地测量木质颗粒的温度。为建立堆积生物质的声学测温模型,有必要对堆积生物质的声学特性进行研究。木质颗粒被视作刚性框架多孔介质,选择Johnson-Champoux-Allard（JCA）模型和Pàde近似模型作为木质颗粒的声学模型,利用阻抗管法测量木质颗粒（厚度100 mm）在频率范围为200 ~ 1 500 Hz的声波垂直入射时的声表面特性阻抗和吸声系数,使用Nelder-Mead算法和遗传算法对声表面特性阻抗和吸声系数的代价函数进行优化计算,确定模型中的物理参数。基于所建立的声学模型计算木质颗粒在不同频率和不同温度下的声速。结果表明,声波在木质颗粒之间的孔隙中的传播存在频散现象,室温23℃时,木质颗粒中的声速处于200 ~ 220 m/s范围内,此后随温度的增加,速度的变化梯度只有空气中声速随温度变化的一半,与已有研究的实验结果保持一致,验证了使用多孔介质声学理论建立堆积生物质测温模型的可行性。     

基于宽频复电阻率的含黏土沉积物中水合物饱和度计算方法

天然气水合物沉积物中的黏土成分显著影响沉积物的电学特性以及水合物饱和度的计算模型。以自主设计开发的复电阻率参数测量装置为实验平台,在20 Hz ~ 100 kHz频率范围内测试了黏土条件下含水合物海沙体系的复电阻率,分析了复电阻率的频散特性、黏土影响以及主导的电极化机制,利用泥质修正Archie公式建立了基于宽频复电阻率的水合物饱和度计算模型。研究结果表明：（1）含水合物海沙体系的复电阻率呈现出显著的频散特性,双电层极化和界面极化分别是20 Hz ~ 1 kHz和1 ~ 100 kHz频段主导的极化机制;（2）黏土颗粒表面的双电层发生形变增强了含水合物沉积物双电层极化作用,提高了复电阻率相角和虚部的绝对值;（3）在20 Hz ~ 100 kHz频率范围内泥质修正Archie公式岩性系数较为稳定,而胶结指数和饱和度指数与测试频率之间的关系在20 Hz ~ 1 kHz和1 ~ 100 kHz频段差异显著,因此应分频段建立水合物饱和度计算模型。本研究为探讨含水合物沉积物的低频电学特性和建立含黏土沉积物中水合物饱和度计算模型提供了新的途径。     

甲烷水合物及其沉积层导热特性的研究现状

总结了近年来国内外甲烷水合物及其沉积层导热特性的研究现状,从实验测试和模拟研究两方面分析了甲烷水合物及其沉积层的导热影响因素、相关规律和导热机理。研究结果表明：纯质水合物的导热性能与外界温度、压力、客体分子数量、多孔介质、笼形结构等因素有关,其值大小主要由主体水分子形成的笼形结构决定;而水合物沉积层导热系数的大小主要依赖于实验样品的组成成分、初始水饱和度、各组分分布,与温度、压力以及垂直有效应力关系不大。最后,指出了现存研究方法中一些值得改进的地方,并对今后的研究工作进行了展望。     

A state-dependent subloading constitutive model with unified hardening function for gas hydrate-bearing sediments

Natural gas hydrate in ocean sediments and permafrost areas may become a significant potential energy resource. Since the hydrate dissociation may affect the stability of production wells and even lead to geological hazards, it is essential to study the mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments (GHBS) for the efficient and safe extraction of gas hydrate. This study presents an extended subloading Modified Cam-Clay model for clayey-silty and sandy GHBS. The state-dependent unified hardening function and equivalent skeleton void ratio are newly introduced to consider the coupled effects of stress level, void ratio, dilatancy, and hydrate saturation on the mechanical behavior of GHBS. Based on the theory of hyperelasticity, an elastic constitutive relation accounting for the influences of cementation caused by hydrate formation and sediment structure change caused by hydrate dissociation is established by using a stiffness evolution function related to hydrate saturation. The bonding and debonding law of strength reflecting the hydrate cementation and its degradation are used. The model is applied to simulate different triaxial tests of GHBS, and its performance in predicting the isotropic compression, strain hardening and softening, shear contraction and dilation, and collapse induced by hydrate dissociation is investigated.     

Modeling the mechanical response of gas hydrate reservoirs in triaxial stress space

Exploitation of gas from deep-sea methane hydrate-bearing layers might lead to some geological disasters, including marine landslides and excessive settlement of marine ground. The first offshore gas production tests for methane hydrate-bearing sediments were carried out in eastern Nankai Trough. However, knowledge on mechanical behavior of gas hydrate reservoirs with similar gradation and minerology component to the marine sediment is still insufficient. Consequently, proper modeling of geomechanical properties of methane hydrate-bearing sediments is crucial for reservoir simulation and deep ocean ground stability analysis for long-term gas production in the future. This study conducted a series of triaxial shear tests to examine the shear response of methane hydrate-bearing sediments with a similar grading curve and minerology components to the hydrate-rich sediments in Nankai Trough. The test results demonstrated that the presence of hydrate mass between sand grains altered the stress-strain pattern from strain-hardening to postpeak strain-softening. A simple constitutive model based on several empirical relationships of granular materials is proposed to describe the stress-strain relationship of methane hydrate-bearing sediments under triaxial stress condition. This model can reproduce the enhancement of shear strength, initial stiffness, and dilation behavior of methane hydrate-bearing sediments containing different amounts of fines content with a rise in the methane hydrate saturation at a wide range of effective confining pressures. The numerical results indicate that the parameter A associated with initial stiffness of stress-strain curve and the parameter $\text{α}$ related with dilation properties are jointly governed by the confining pressure, fines content, and hydrate saturation.     

Experimental study on dynamic acoustic characteristics of natural gas hydrate sediments at different depths

Acoustic properties are important geophysical parameters, compared to resistivity, pore water and other parameters that need to be obtained through drilling, the acoustic wave velocity of hydrate deposits is much easier to obtain. Therefore, the study of acoustic characteristics of hydrate reservoir is the basis for geophysical exploration and resource evaluation for hydrates. In this study, an experimental apparatus was developed to measure dynamic P- and S-wave velocity of gas hydrate bearing sediment. The effect of sensitivity factors including hydrate saturation, confining pressure, and reservoir solid phase particle size on the acoustic characteristics of hydrate reservoir were explored. The experimental results showed that the longitudinal and transverse wave velocities of natural gas hydrate rock samples correlated positively with hydrate saturation and confining pressure and the particle size of the solid phase exhibited little effect on the vertical and horizontal wave velocity of the gas hydrate reservoir. The results of this study indicated that the compression factor of different rock samples is the main factor affecting the vertical and horizontal wave velocity of the reservoir through mechanical experiments. At the same time, acoustic experiments and computed tomography results revealed the existence of different contact modes between natural gas hydrate and sediment particles under different saturations. Furthermore, the possibility of detecting the microscopic distribution of hydrates in sediments by acoustic waves was verified. The data can be used in well logging to determine hydrate saturation and other properties of hydrate bearing formations.