垂直多井动态开采水合物边坡稳定性分析

天然气水合物是一种赋存在海底沉积物孔隙中的清洁能源，含量巨大，具有很好的开发前景和研究价值。垂直井作为开采水合物的一种主要方式，在开采过程中，会改变天然气水合物沉积层的环境条件，随着开采井释放出大量的气体和水，在地层中形成超压，过高的孔隙压力会降低沉积物的胶结强度，破坏沉积层的稳定性，诱发海底滑坡。借助Flac3D软件建立高精度的海底斜坡模型，基于有限差分法对垂直多井动态开采水合物过程中的边坡稳定性进行了数值模拟，模拟了不同开采方案条件下采用多井开采，水合物分解量、开采井压变化等不同影响因素产生的地层力学响应和位移变化，基于安全系数法进对于水合物开采引起的边坡稳定性进行了初步分析。结果表明：多井开采条件下，随着水合物分解程度的不断增大，海底斜坡稳定性逐渐降低，当水合物分解程度达到80%时，安全系数会降低到1.0以下，边坡会失稳；随着井压的不断降低，海底斜坡稳定性同样逐渐降低，当开采井压降低到4 Mpa以下时，安全系数会降低到1.05以下，边坡变为欠稳定状态，存在发生海底滑坡的风险。     

考虑海床变形的裸露悬跨海底管道静力分析

针对裸露悬跨海底管道,考虑线弹性海床刚度,利用梁的小挠度理论,研究管道在自重作用下的变形和内力,推导给出了未脱离海床的管道段和悬跨管道段的变形和内力公式。在跨度较大的悬跨情况下,悬跨管道段较大的向下弯曲变形可能引起海床上管道脱离海床而翘起。建立管道翘起的判定准则,对于翘起情况推导相应的计算公式,通过算例给出翘起情况下管道的变形和内力。通过计算分析发现:工程上多数悬跨是翘起情况,没有翘起的计算公式只适应于跨度较小的悬跨管道。同时翘起情况下不同海床刚度对悬跨管道无量纲内力影响不大。     

海洋天然气水合物分解过程中其上部地层稳定性分析

在有覆盖层的海洋天然气水合物开采过程中,由于水合物分解引起上部地层应力重新分布可能导致上部地层蠕变、坍塌、滑坡、套管变形及井口安全等事故.以海洋天然气水合物沉积层具有覆盖地层为例,利用静力学理论建立了采用控压法开采海洋天然气水合物时上部地层物性参数、井筒压力及天然气水合物分解后地层剩余支撑力之间的力学稳定性模型.从理论上讲:当K＞1时,上部地层稳定;当K＜1时,上部地层失稳.该力学模型可对海洋天然气水合物开采井设计及安全开采具有一定的借鉴意义.     

压缩加载条件下含水合物沉积物蠕变特性分析

水合物开采可能诱发海底滑坡或其他工程地质灾害。实现水合物商业化开采需要中长期稳定产气，长期荷载下储层的蠕变特性是地层稳定性评价的基础力学参数。利用南海水合物储层粉黏土为试验介质在压缩加载条件下的系列固结排水蠕变测量试验结果，对粉黏土的蠕变特性进行了分析。结果表明，加载过程中，含水合物沉积物经历瞬时变形、固结变形和蠕变变形3个阶段；随着加载应力和水合物饱和度的提高，蠕变应变不断增加；修正的Singh-Mitchell蠕变模型可以较好预测不同应力水平和水合物饱和度下粉黏土的蠕变特性。     

天然气水合物降压开采过程中储层应力规律分析

为了研究天然气水合物降压开采过程的储层应力及其稳定性，运用线性多孔弹性力学和岩石力学知识，考虑水合物储层原始应力、孔隙压力、渗流附加应力及降压开采水合物过程中水合物饱和度的变化，建立了降压开采天然气水合物储层的力学模型，结合墨西哥湾某处水合物藏的基本参数，对降压开采水合物储层应力变化和开采过程的储层稳定性进行研究。结果表明：井底压力是影响水合物储层应力变化的关键因素之一；渗流附加应力在一定程度上减小了储层的应力；水合物分解储层应力发生变化，储层应力在井壁处的波动最大，井壁处是整个储层所受轴向偏应力最大的位置，因此井壁处是优先发生剪切破坏的位置；为了储层的稳定性，降压开采水合物生产压差应小于2.19 MPa。     

黏土水合物沉积物力学特性及应力应变关系

以中国近海某天然气水合物(水合物)区的海底粉质黏土制备水合物沉积物样品,并在土工三轴仪上进行实验,分析其应力应变曲线和破坏应力特性。结果表明:力学常数如破坏应力(应变为15%对应的偏应力)随水合物饱和度的增加而增加,在饱和度约25%时破坏应力产生跳跃,即破坏应力随水合物饱和度的变化可分为两部分,饱和度小于25%时水合物的存在对沉积物破坏应力影响较小,大于25%时影响较大。在水合物饱和度小于45%的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线可分为弹性段、屈服段和强化段。文中给出了描述其应力应变曲线的分段函数。     

后挖沟深度对深海海底管道屈曲影响数值分析

鉴于海底管道的服役水深越来越深,主要采用犁式挖沟机对预铺设于海床之上的海底管道采取后挖沟的方式将海底管道埋设于海床之下,以保护其免受不必要的损伤。针对后挖沟深度H是海底挖沟机的重要设计参数,也是影响管道悬跨的重要因素的问题,对SMD(UK)犁式挖沟机展开参数优化,确保作业过程中悬跨段管道在外部静水压力作用下,海底管道不会发生屈曲破坏。采用ABAQUS软件,分别建立了作业前和作业中两种工况下的悬跨模型,分析机械手对接触部分管道的损伤,结果显示,作业中的机械手对悬跨管道的损伤更大;同时,建立了作业中不同管径下,后挖沟深度对管道损伤的安全裕量关系曲线。进一步,结合作业中不同挖沟深度下的管跨段屈曲数值模型,对处于外部静水压力作用下的悬跨管的屈曲失效展开分析,结果显示,随着后挖沟深度的加大,不同管径下的悬跨段管道局部出现塑性压溃的临界压力值不断降低;管道外径的增大,降低了同一后挖沟深度下发生屈曲失效的压力值。最后,在后挖沟深度与外部静水压力组成的区域内,建立屈曲失效临界关系曲线,并划分出工作区和压溃区,为深海管道后挖沟埋管的施工提供工程参考。     

海底天然气渗漏系统水合物成藏过程及控制因素

在海底天然气渗漏系统沉淀水合物的动力学基础上,建立了水合物沉淀与分解的化学动力学模型。应用该模型分析了美国墨西哥湾布什山天然气渗漏系统水合物的成藏过程,探讨了水合物沉淀、稳定性影响因素。在渗漏通量为每年400kg·m-2的单个通道中,约需425a才能导致水合物稳定带沉积层约30%孔隙完全被水合物充填,渗漏通道被堵塞,沉淀的水合物在剖面上从稳定带底部向海底趋于富C3+C4。在渗漏通道天然气流量由弱到强再到弱的演化过程中,渗漏速度增大过程中形成的水合物在渗漏速度减小过程中将分解,总量约10%的水合物将被分解。如果分解产生的天然气可快速迁移出渗漏系统,海底温度的升高可引起约40%的水合物在20d内分解,并导致海底渗漏速度的急剧增大。     

天然气水合物分解诱发海底滑坡影响因素分析及致灾风险评价

天然气水合物主要赋存于低温高压下的海底沉积物层中,当周围环境的温度或者压力发生变化时,其稳定性会受到破坏,诱发坍塌、海底滑坡等地质灾害,对钻井平台、海底电缆等造成巨大破坏。结合南海北部海底陆坡的实际地震资料,首先获得了符合实际情况的储层属性参数,然后基于改进的地质力学模型,获得了相应的力学模型参数,利用孔隙压力平衡方程计算得到地层的有效应力,对天然气水合物分解诱因的海底滑坡的数值模拟,基于强度折减法讨论分析了初始水合物分解量、水合物分解总量等因素引起的水合物储层变化的力学响应,获得了对应的安全系数,实现了水合物分解对海底边坡稳定性影响的分析,为今后水合物开采过程中可能诱发边坡失稳的程度及失稳位置分布预测提供了指导和帮助。     

海洋天然气水合物储层蠕变行为的主控因素与研究展望

蠕变是指沉积物在特定应力状态下变形与时间的关系,属于沉积物的固有力学属性。厘清海洋天然气水合物开采过程中储层蠕变的主控因素及其控制机理,对量化评价潜在工程地质风险的发生和演变规律具有重要意义。本文将在综述海洋天然气水合物储层破坏特征的基础上,梳理海洋天然气水合物储层蠕变特征及主控因素,厘清关键科学问题;结合最新研究成果,阐述天然气水合物储层蠕变特征多尺度表征与探测技术体系的基本内涵,简要探讨该领域的未来研究方向。初步分析认为,海洋天然气水合物开采过程中储层蠕变行为是水合物本身及其分解产出过程中的应力、温度、渗流等动态因素综合作用的结果,现有蠕变本构模型无法完全反映上述相变-传热-渗流-应力多场多相多组分耦合过程。为建立适合南海北部水合物储层的蠕变本构,进而为后续开采工程安全设计提供理论支撑,建议从天然气水合物储层的力学性能弱化特征及蠕变各阶段的时效参数两方面入手,从分子尺度、纳微尺度、岩心尺度、中试尺度、矿藏尺度5个层面,建立天然气水合物储层蠕变行为的跨尺度研究方法体系;以南海实际储层样品为研究对象,剖析天然气水合物开采过程中储层蠕变行为的主控因素。     

天然气水合物的分解导致海底沉积层滑坡的力学机理及相关分析

Gas bydrate is a form of natural gas and water,similar to ice-like solids,mainly in low-temperature occurrence in the context of high voltage submarine and terrestrial and terrestrial sediments permafrost zone.Since 1970s marine lil and gas exploration in the course of a certain depth of the seabed found that the stability of gas hydrate layer and collected samples in kind,its social concem will be on the increase. Landslide Harbor is a major cause of the destructive consequences of the marine geological disaters.In recent years,researchers continue to find that as the undersea gas hydrate decomposition led to the seabed to reduce the stability of rocks,the seabed is a major reason for the decline. The research on submarine landslide,related with natural gas Hydrate is the study of a new direction. This paper analyzes the gas hydrate formation and decomposition fo the seabed sediment. Fron the mechanical aspects of the mechanism,it analyzes of the decomposition of gas hydrate deposits related to property caused by the impact of changes in the landslide,and look to the future hydrate research.     

Analysis of Safe Span Length and Fatigue Life of Submarine Pipelines

Owing to the complex environmental conditions, suspension could induce complicated forces on submarine pipelines and even cause vortex-induced vibration, resulting in fatigue damage of pipelines. Through aiming at the 28-inch submarine pipeline in the East China Sea, the pipeline was segmented according to the similarity, considering the factors of pipe assembly, typhoon, current, wave and seabed topography. The effects of span length on natural frequency in each section of submarine pipeline were analyzed by finite element model. The maximum safe span length allowed by each pipeline section was verified by fatigue cumulative damage theory, and the fatigue life of each pipeline section were predicted. The results showed that each order natural frequency of the pipeline decreased with the increase of span length. The calculated results of empirical formulas were much smaller than those of the FEM analysis. The increase of the gap between the suspended pipeline and the seabed was beneficial to enhance the fatigue life of the suspended pipeline.     

深海采矿整体联动风险分析及应急撤离策略研究

深海采矿作为新领域资源重点开发项目,国外已开展部分试验研究,国内现阶段仅停留在重点设备部件级功能验证,还未开展过系统整体联动,距离海洋油气等正在进行的规模化商业开采还有很大距离。本文以深海采矿系统整体联动模型为基础,与海洋油气工程作业平台技术模型进行对比,对整体联动风险点进行深度分析,并根据重点风险部件开展其悬挂模式、力学模型研究,探讨深海采矿系统整体联动时应急撤离的策略。研究总结了深海采矿系统整体联动的特点,提出了管道摇摆幅度超出设计范围、平台升沉行程超出伸缩冲程范围等两大关键风险点、提升硬管受力分析方法和对应的应急撤离方案,对深海采矿工程总体设计和工程实施具有指导意义和参考价值。     

Gas hydrate stability zone modelling in areas of salt tectonics and pockmarks of the Barents Sea suggests an active hydrocarbon venting system

The Barents Sea seabed exhibits an area of major glacial erosion exposing parts of the old hydrocarbon basins. In this region, we modelled the gas hydrate stability field in a 3D perspective, including the effects of higher order hydrocarbon gases. We used 3D seismic data to analyse the linkage between fluid-flow expressions and hydrate occurrences above old sedimentary basin systems and vertical faults. Pockmarks showed a relation to fault systems where some of them are directly connected to hydrocarbon bearing sedimentary formations. The influence of bottom water temperature, pore water salinity and geothermal gradient variation on gas hydrate stability zone (GHSZ) thickness is critically analysed in relation to both geological formations and salt tectonics. Our analysis suggests a highly variable GHSZ in the Barents Sea region controlled by local variations in the parameters of stability conditions. Recovery of gas-hydrate sample from the region and presence of gas-enhanced reflections below estimated BSR depths may indicate a prevalent gas-hydrate stable condition.     

高雷诺数下近壁圆柱绕流数值模拟与分析

近壁圆柱绕流问题在海底悬跨管道的研究中具有重要的意义。在绕流阻力、升力以及海底土壤的耦合作用下,海底管道所发生的移位、悬跨等现象对于海底管道的安全运行构成了很大的威胁。正确预测各种绕流条件下管流之间的作用力是保证油气管道安全的首要任务。海底管道在极端海洋环境条件下的管、流相互作用为高雷诺数绕流问题,处于高雷诺数下的绕流模拟比处于低雷诺数下的绕流模拟要复杂很多,它需要更精细的网格以及合适的湍流模型。此文对处于悬跨状态下的海底管道进行数值研究,给出不同间隙比下海流绕流海底管道的流场结构形态,分析了间隙比对绕流阻力和绕流升力的影响,为进一步研究海底悬跨管道的受力和变形提供载荷边界数据。     

南海北部天然气渗漏系统地球物理初探

本文主要针对南海北部大陆边缘发育的5个沉积盆地——台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地、莺歌海盆地和中建南盆地,分析了近年来利用地球物理方法研究南海北部天然气渗漏系统的成果,重点包括3个方面:天然气水合物的储藏、流体运移通道以及海底表面渗漏特征。其中表征天然气水合物存在的似海底反射BSR在台西南和珠江口盆地发育明显,莺歌海盆地发现有大型气田;5个盆地流体运移活跃,其内发现了多样的运移通道:断层、底辟、气烟囱、多边形断层及水道(峡谷)等破裂结构;海底表面渗漏特征也在台西南、珠江口、莺歌海和中建南盆地均有发现。南海北部大陆边缘天然气渗漏系统广泛发育,值得进一步深入研究。     

琼东南盆地华光凹陷天然气水合物稳定带厚度的影响因素

为了探讨琼东南盆地华光凹陷海底天然气水合物稳定带的分布规律，定量研究了静水压力、底水温度、地温梯度和气源组分对水合物稳定带的影响程度。在此基础上，分析了华光凹陷现今甲烷水合物稳定带的厚度分布。最后，综合各因素的历史演化过程，初步探讨了华光凹陷1.05 Ma BP以来天然气水合物稳定带的演化。结果表明:(1)气源组分和海底温度的变化对研究区内水合物稳定带的影响较大；水合物稳定带厚度与海底温度呈良好的线性负相关性。(2)水深超过600 m的海域具备形成天然气水合物的温压条件；超过600 m水深的海域水合物稳定带厚度大部分超过 100 m，其中西北部稳定带的最大厚度超过300 m，是有利的水合物勘探区。(3)华光凹陷1.05 Ma BP以来天然气水合物稳定带厚度经历了快速增厚–窄幅变化–快速减薄和恢复的过程。麻坑群与水合物稳定变化敏感区在空间上具有较好的叠合关系。结合前人的研究成果，推测其形成与天然气水合物的分解释放有关。     

南海东北部陆坡天然气水合物区的滑塌和泥火山活动

本文研究了南海东北部陆坡天然气水合物区滑塌和泥火山活动的特征及表现形式,探讨了滑塌和泥火山活动对天然气水合物成藏的影响,提出了滑塌主导和滑塌、泥火山共同作用两种控制模式。根据地震数据、浅层剖面和海底地形数据解释,将研究区划分为规则滑塌区和泥火山活动影响区,并识别出泥火山、泥火山脊、凹槽、凹坑等特征地形。滑塌和泥火山活动是陆坡天然气水合物发育区重要的地形控制因素,两种活动共同作用产生复杂的地形特征。综合多条地震测线中似海底反射层(BSR)形态、连续性和滑塌、泥火山活动的关系,认为滑塌控制的区域,BSR连续,天然气水合物储藏较完整,泥火山活动区天然气水合物储藏也仅受到局部破坏。同时指出滑塌和泥火山活动对研究区长期天然气渗漏活动具有重要作用。     

Pockforms: an evaluation of pockmark-like seabed features on the Landes Plateau, Bay of Biscay

Pockmark-like seabed features located on the Landes Plateau, Bay of Biscay, are depressions up to 1 km across and 50 m deep according to multibeam echo sounder data. Seismic (airgun and TOPAS) profiles show that each feature comprises a stack of identical features which extend down to 300 ms (twt). Three types of depressions, elongate, irregular and circular, appear as non-truncating V-shaped features in the Plio-Quaternary sediments. These features are located above the Parentis Basin where deep faults, basement ridges and diapiric bodies extend upwards across the sedimentary cover, providing ideal migration pathways for any buoyant fluids. Initial inspection suggests that these are classic pockmarks; however, the absence of reflection truncation and the absence of indications of shallow gas beneath the features indicate that they were not formed by the removal of sediment. These are “pockforms” but not “pockmarks”. This paper presents an explanation for the formation of these features, involving collapse and subsidence, sedimentary erosion, and only in some cases the erosion of seabed sediments by probable escaping fluids. These origins are mainly conducted through tectonic fluid dynamics which acted in the area up to the Late Miocene. It might be expected that these features would have been infilled by subsequent sedimentation, but their shape has been preserved because sedimentation in the area mainly comprised muds deposited from low-energy transportation (diluted gravity flows) and settling from hemipelagic suspension.