海域孔隙型储层天然气水合物赋存模式定量化表征：声波和电阻率测井的约束

海域孔隙型天然气水合物储层中,水合物主要以颗粒胶结、包裹胶结、骨架支撑、孔隙悬浮4种赋存模式充填沉积物孔隙,水合物饱和度与赋存模式的不同导致了储层弹性和电性的差异,利用声波和电阻率测井资料联合处理可以进行水合物赋存模式的定量表征。首先利用Simandoux公式计算水合物饱和度,然后通过有效介质模型构建的岩石物理模板识别水合物赋存模式,最后计算储层中不同赋存模式水合物的相对占比。以全球范围内三个典型区域(中国南海神狐海域、北美Blake海台、新西兰Hikurangi边缘)为例,利用水合物储层的实际钻探资料,对水合物赋存模式进行定量分析：(1)中国南海神狐海域SH2站位储层中,水合物主要以骨架支撑模式产出,约占水合物总量的64%;(2)Blake海台994C站位储层中,水合物主要为颗粒胶结和包裹胶结模式,分别占总量的27%和51%;(3)Hikurangi边缘U1518B站位的水合物储层中,水合物主要为包裹胶结和骨架支撑模式,分别占总量的32%和47%。前人针对水合物形成和赋存模式的实验研究显示,水合物更易以颗粒胶结、包裹胶结和骨架支撑模式赋存,从侧面验证了上述分析结果的可靠性。本研究使用...     

高压环境下流体非饱和渗流对含水合物沉积物的影响

沉积物与流体流动的性质是影响水合物形成和聚集的两个重要因素,为研究水合物在沉积地层中的赋存机制必须探明高压环境下含水合物沉积物在非饱和渗流条件下的相互影响关系。以逸度差为水合物反应驱动力,反应动力学常数为Arrhenius类型,建立了包括非饱和流体流动-沉积物特征-水合物形成动力学耦合的二维模型,从理论上研究了多孔介质内流体与沉积物参数如含水率、去饱和系数、水力分布和水合物饱和度等在孔隙内的相互影响规律。结果表明,在设定的条件下,随着反应的进行孔隙水压力随时间逐渐大,在相同条件下水合物饱和度与温度增加导致孔隙水压力变大,其中水合物饱和度的影响较小,而沉积物基质吸力、去饱和系数与本征动力学常数则与孔隙水压力成反向变化,其中本征动力学常数的影响较大。     

热脉冲探针-时域反射技术测量含水合物沉积物的热导率及水合物饱和度

我国在海洋和冻土区都已发现天然气水合物资源区并成功获取实物样品。含水合物沉积物的热导率是估算水合物资源量、设计合理开采方案的关键性数据之一。受水合物稳定条件和测量技术的限制,水合物热导率测定尚不完善。本文通过自主研制的天然气水合物热物理参数测量系统,开展了海洋沉积物中天然气水合物热导率与饱和度测量研究。实验使用取自南海神狐海域的沉积物作为反应介质,在压力7.8 MPa、温度2℃的条件下合成甲烷水合物,并利用热脉冲探针与时域反射技术联合测量的方式获得沉积物中水合物形成过程的热导率和饱和度等实验数据。结果表明,当水合物饱和度从0增加至49%时,体系热导率出现了先升高后降低的变化趋势。分析发现体系热导率随水合物饱和度的变化特征与水合物在沉积物中的填充方式有关,在实验选用的南海沉积物中,水合物优先选择在颗粒孔隙间成核生长,并最终与沉积物颗粒胶结共存。     

南海神狐海域有孔虫与高饱和度水合物的储存关系

通过对神狐海域沉积物组分与水合物成藏关系的研究, 得到SH7B孔含水合物层(155~177 m)有孔虫丰度以及有孔虫壳体微结构与水合物饱和度的关系.结果表明, 有孔虫丰度与水合物饱和度有良好的对应关系, 有孔虫丰度高, 水合物饱和度也高; 反之亦然.有孔虫丰度与水合物饱和度二者的相关系数为0.72, 说明有孔虫与水合物的分布和富集有关.扫描电镜研究表明, 有孔虫成岩作用不明显, 有孔虫为有效孔隙, 有孔虫独特的壳体结构增加了沉积物的孔隙空间, 有利于水合物的储存和富集.大部分有孔虫壳体大小相当于砂粒级, 它的存在一方面增加沉积物粗组分砂的含量, 另一方面增加沉积物的孔隙度.沉积物中生物组分——有孔虫, 是南海神狐海域水合物富集的重要因素之一.      

孔隙介质中天然气水合物相变过程的影响因素研究进展

天然气水合物储量巨大且富含甲烷,被视为21世纪最重要的潜在新型清洁能源之一。天然气水合物大多赋存在海底沉积物的孔隙介质中(少部分赋存于永久冻土层中),对其相变过程受孔隙介质影响规律的系统梳理和总结对未来的勘探开发具有重要意义。本文综合分析前人研究成果,将孔隙介质中天然气水合物的相变过程概化为水合物形成分解时的温压平衡条件变化、速率、稳定性、转化效率以及生长形态、分布状态等;将影响因素分为孔隙介质特性如孔径及粒径、润湿性、导热性能,以及孔隙介质中的物理化学因素如温压和水气条件,并总结了其影响规律和影响机理:(1)孔径及粒径能影响水合物温压平衡条件,较小粒径还能加快水合物相变速率,降低其转化效率。(2)润湿性能够决定水合物的微观生长形态及其与孔隙介质间的接触形式,亲水性强的介质表面能加快水合物的相变速率。(3)孔隙介质导热性能越强,水合物的相变速率越大。(4)温压条件控制下的温压驱动力越大,水合物的相变速率越大,但这种趋势不适用于温压驱动力过大的情形。(5)水气条件影响着水合物相变过程的温压平衡条件、相变速率、稳定性及分布状态。另外,本文分析了目前研究中的不足,并给出了未来的重点研究方向。     

利用量子力学势能数据预测温度、压力、盐度和沉积物孔径对甲烷水合物形成和分解的影响

介绍一个预测不同温度、压力、盐度和沉积物毛细管孔径条件下甲烷水合物 溶液 气体多相平衡模型。该模型以Van der Waals和 Platteeuw热力学模型、量子力学从头算粒子相互作用势能、DMW 92状态方程和Pitzer电解质理论为基础,能在很宽广温压范围内预测温度、压力、盐度和毛细管力对甲烷水合物形成和分解的影响。通过对比本模型的预测结果与实验数据,可知本模型能够准确地预测海水和多孔介质中甲烷水合物的相平衡条件。对于一定盐度下多孔介质中甲烷水合物的形成温压条件的在线计算可浏览: www.geochem model.org/models.htm。     

南海天然气水合物储层多孔弹性力学研究

目前大多数对于水合物储层变形的研究都没有考虑毛管力的作用,将储层中的水合物压力和流体压力视为一致。但是在我国的南海海域,水合物储层多为黏土质粉砂,孔隙的孔径较小,因此毛细效应很明显。基于多孔介质力学以及水合物相平衡理论,建立了描述水合物分解过程中的储层变形模型。在该模型中,孔隙内的物质被分为两相,即水合物固体相和包裹不连续气泡的等效流体相。该模型重点研究了水合物固体和等效流体之间的压差,即毛管压力。最后针对我国南海神狐海域的数据具体分析了降压法与注热法两种不同的水合物开采方法。结果显示,对于南海黏土质粉砂储层,毛细效应会对水合物的相平衡条件以及储层变形产生较大的影响。对于给定的压力,水合物的熔点会随着孔径的减小而降低,这使得水合物的相平衡条件在压力-温度图像中表现为一个区域而不是一条曲线,并且如果忽略毛细效应,则会严重低估储层变形。     

珊瑚砂三维孔隙微观特性研究

孔隙是多孔介质内渗流的发生场所,与介质渗透性存在必然的联系。珊瑚砂因其特殊的物质来源和形成过程,较陆源砂具有截然不同的孔隙特性。通过一系列微观研究手段,从本质上揭示了珊瑚砂特殊孔隙性质的原因。研究发现,从孔隙形状、孔喉尺寸和整体连通性3个角度描述孔隙性质较为合理。其中,孔隙形状用形状因子度量,孔喉尺寸包括孔隙半径和喉道半径,珊瑚砂多孔介质整体连通性利用配位数进行描述。而影响孔隙形状、孔喉尺寸和整体连通性的主导因素包括颗粒形状和颗粒表面粗糙度两方面。其中颗粒形状主要影响孔隙形状、喉道尺寸、孔喉尺寸离散性和介质内部连通性的均匀分布情况。颗粒表面粗糙度主要影响孔隙形状、孔隙形状离散性、孔隙尺寸和介质整体连通性。     

海底多相流作用下的含水合物沉积地层静水力学性质分析

海底多相流动区域沉积物孔隙内流体迁移-甲烷输运-水合物形成是一种普遍模式,形成的水合物在孔隙内沉淀并与多孔介质骨架胶结从而改变当地的地层结构和性质。水合物的不断形成将减少沉积地层孔隙度,改变孔隙内各相间界面张力,增大当地孔隙的进入压力及毛细压力,增强地层滞后效应,降低地层渗透率,同时多相流体流动前缘气液分离带变厚而使得气柱变长。建立了在这类环境里水合物-水-气-盐共同作用下的水合物成藏模型,选择合适的参数分析了水合物形成对沉积地层静水力学性质等的影响关系。最后根据资料估算了南海北部神狐海域沉积物内甲烷气柱的分布,结果表明：随着水合物在沉积物孔隙内逐渐饱和,临界甲烷气柱长度将在接近海底面处达到最大,约为09 m。     

含天然气水合物沉积物相平衡问题研究综述

天然气水合物是一种战略性替代能源。同时,开发天然气水合物将是全球气候环境问题和地质灾害的诱发因素之一。含天然气水合物沉积物（简称HBS）的相平衡问题对天然气水合物资源勘探、评估与开发利用以及环境影响均具有重要的基础作用。自然界中赋存于沉积物之中的天然气水合物的生成与分解与纯水体系中水合物的生成与分解具有很大区别。通过总结国内外研究资料,以天然气水合物开发利用中的岩土工程问题研究需要为出发点,详细介绍了HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分对沉积物中水合物相平衡关系影响以及HBS相平衡研究中有关制样方法技术、各组分含量测试以及相平衡关系理论模型研究方面的国内外研究现状。研究成果表明,HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分均对天然气水合物相平衡关系具有显著影响,试验研究中应用了很多先进方法技术,但仍然存在定量精度较低或实施成本较高等问题;基于微观尺度建立的有关HBS的相平衡宏观模型能较好地模拟与预测HBS的相平衡关系,但其表达式复杂、参数较多和不易获得制约了其在天然气水合物开采中的有关岩土力学与工程理论研究和工程实践中应用     

甲烷水合物在人工毛细管沉积物柱中的形成和分解

天然气水合物在海底的形成与沉积物性质密切相关,沉积物的粒度、孔隙度、矿物组成等都可以影响到水合物的成核生长。通过拉曼测试和显微镜下观察人工毛细管模拟沉积物中CH4水合物的形成和分解过程,实验发现无论是在气液界面还是在溶有过饱和CH4的流体内,水合物都能够成核形成,但水合物更容易在气液和固液界面成核,并迅速生长;水合物在较大粒径石英砂(39~53μm)形成的孔隙内的成核机会比在粘土粒级的砂粒孔隙中的机会更大;水合物晶体主要呈发丝状附着于沉积物颗粒表面。     

考虑赋存模式影响的含水合物沉积物的本构模型研究

水合物含量和水合物赋存模式都会对含水合物沉积物的力学特性产生影响,但目前的本构模型很少考虑水合物赋存模式的影响。在分析水合物赋存模式对含水合物沉积物力学特性影响机制的基础上,提出了采用有效水合物饱和度来描述水合物赋存模式对沉积物力学特性的影响。基于前人建立的含水合物沉积物的统计损伤本构模型,假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了考虑水合物赋存模式影响的含水合物沉积物的统计损伤本构模型。该模型修正了水合物含量和试验围压对弹性模型的影响关系式,并且建立了模型参数m和F_0与水合物饱和度s_h和试验围压σ_3之间的关系。通过与试验数据的对比,说明该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,反映水合物含量和水合物赋存模式对含水合物沉积物的刚度、强度、应变软化等力学特性的影响规律。     

南海北部地区海洋沉积物中孔隙水的氢、氧同位素组成特征

海洋沉积物中孔隙水的H、O同位素地球化学研究可以有效示踪天然气水合物的存在，中国南海地区由于地处三大板块交会处，地质构造特殊，沉积地层厚，沉积速率高，有机质丰富，并有指示天然气水合物存在的地球物理证据BSR存在，符合天然气水合物的赋存条件。本文对南海北部地区部分海域浅层沉积物中孔隙水样品进行了H、O同位素分析，试图探讨与天然气水合物赋存有关的地球化学异常。通过研究认为，①南海处于三大板块的交界处，具有特殊的地球物理场和构造沉积特征以及较适合天然气水合物赋存的温压条件，特别是南海北部地区有利于天然气水合物的生成；②南海北部地区部分海域的浅表层沉积物的H、O同位素测试中可以看出，总体上与海水的正常值一致，可能来自海水，但是在其中A14站位8个样品表现出了与天然气水合物有关的重同位素随深度增加的趋势。也许指示该区有天然气水合物存在的可能性。     

南海北部东沙群岛HD196站位地球化学特征及其对水合物的指示

南海北部是中国海上油气的重要基地,也是中国天然气水合物调查的首选地区。对南海北部东沙群岛附近具有BSR特征的HD196站位沉积物样品的地球化学特征进行综合分析,得到以下结果:柱状样沉积物的常量元素的分布具有分段性,且与沉积物孔隙水中的离子浓度和甲烷含量的变化趋势相一致,可能对其下面是否存在天然气水合物有指示意义;同时柱状样沉积物孔隙水中离子浓度的变化与世界上发现天然气水合物地点的孔隙水离子浓度的变化一致。HD196站位的地质条件表明本站位具有天然气水合物形成的温压条件、气源条件和构造条件,因此在本站位的下面赋存天然气水合物的可能性比较大,在此进一步工作有可能取得天然气水合物勘查的突破。     

封闭系统中多孔介质甲烷水合物的CT实验研究

阐述了在封闭系统中的查理模型，建立了利用查理定律计算分析甲烷水合物生成和分解的方法。通过实验，对封闭系统中不同含水量多孔介质甲烷水合物生成、发育和分解的实验方法、相平衡条件、生成量关系等进行了探讨。在一定温度差的介质里，水分克服重力向冷端迁移并生成水合物。实验中利用查理数的改变计算水合物的生成量变化，连通性好的含水多孔介质有很好的水—气结合条件，达到平衡条件后迅速生成水合物，在240分钟内完成，含水量线性地影响甲烷水合物的生成量。同时，利用CT扫描方法直接观测含水粗砂在低温—高压环境下的甲烷水合物生成和分解过程，并可以利用CT图像数据计算出多孔介质中水分迁移、区域密度改变和砂体的移动、及分解后介质密度分布变化特征。     

神狐海域沉积物孔隙水卤素浓度及碘同位素特征对天然气水合物成藏的示踪研究

对南海北部神狐海域SC-02钻孔沉积物孔隙水开展卤族元素浓度和I同位素研究。根据沉积物孔隙水中Cl^-、Br-和I-浓度特征,该钻孔可分为2层:上层沉积物孔隙水中卤族元素浓度随深度增加呈递增趋势;下层沉积物孔隙水卤素浓度则出现大幅波动,可能与该层赋存的水合物在钻取采样时发生分解有关。下层沉积物孔隙水的¹²⁹I/I年龄为20.77±2.4 Ma,明显老于其赋存地层的年龄,暗示该站位的天然气水合物中CH₄可能来自下伏的深部地层。     

松散沉积物中天然气水合物生成、分解过程与声学特性的实验研究

为了解松散沉积物中天然气水合物的生成和分解规律以及水合物对沉积物声学特性的影响,在粒径为0.18~0.28mm天然沙中进行了甲烷水合物的生成和分解实验,并利用超声波探测技术和时域反射技术实时测量了反应体系的声学参数与含水量。结果表明:根据水合物的生成和分解速率,可将水合物的生成过程分为初始生长期、快速生长期和稳定期3个阶段,分解过程可分为初始分解期和样品表层水合物快速分解期以及样品内、外层水合物均快速分解期3个阶段;由温度和压力数据的分析,得出水合物先在沉积物表层生长,然后在沉积物内、外层迅速生成;由水合物分解过程3个阶段的平均分解率,得出水合物的分解是一个由慢到快的过程。对声学参数的研究表明:水合物在松散沉积物中先胶结骨架颗粒而生成,使纵波速度和声波衰减在饱和度0~1%之间陡然增大;随后水合物开始在沉积物孔隙中形成悬浮粒子,造成超声波信号在饱和度1%~90%间淬熄,声波速度无法获取。研究结果在揭示沉积物中水合物与颗粒间接触机制的同时,为海上地球物理勘探中地震信号的解释提供了新的思路。     

利用CT扫描对粗砂土中甲烷水合物形成过程中水分迁移特征的分析

多孔介质中甲烷水合物的形成及分解实验研究,对于了解多年冻土中天然气水合物的赋存有重要意义.通过X射线扫描系统对粗砂土中甲烷水合物的形成及分解过程中反应釜内水分的空间变化进行分析,结果表明:粗砂土中甲烷水合物的形成和分解过程中,CT数在反应釜内有明显的空间变化特征,且这个空间变化特征与甲烷水合物在粗砂土中形成、分解过程中水分的迁移是密切相关的.通过对不同阶段CT扫描所获得图像CT值的空间变化特征进行分析,可以看出:在甲烷水合物的生成过程中,反应釜内下半部分的水分会向上半部分迁移,以弥补上半部分水分的不足;在甲烷水合物分解过程中,分解所释放出来的水分会由反应釜上半部分向下半部分回迁,最终达到自然分布.     

勘查地球化学方法适用于勘查天然气水合物的依据

人们一直关注勘查地球化学（即化探）方法能否适用于以固体形式赋存于孔隙沉积地层中的水合物介质。从水合物地质学和水合物勘探地震学提供的烃类物质微渗漏的事实、水合物化探自身理论和国际ODP 204航次水合物钻井样品的地球化学分析结果以及南海水合物研究区的化探实践3个方面探讨并阐述了勘查地球化学方法在水合物勘查中的适用性,化探方法能够从海底沉积物的痕量化学组分的分布上追踪水合物存在的有利证据。     

水合物钻井液微观结构热传导分形模型研究

[摘 要] 在水合物勘探开发过程中,钻井液除常规作用外,还必须具有抑制水合物分解与再生成 的作用。钻井液的这些宏观作用由其内部微观结构所决定,而水合物的分解和生成与介质的传热过程 有关。由于钻井液微观结构与多孔介质相似,故其传热过程也相似。利用多孔介质的性质及其传热理 论,系统分析了水合物钻井液微观结构与多孔介质的异同,探讨了水合物在钻井液中的分解特性。接着 阐述了分形理论,对钻井液微观结构的传热分形模型进行了研究。最后得出钻井液中水合物分解的传 热过程,建立了钻井液微观结构的一维热传导分形模型,并得出有效导热系数的分形表达式。