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.     

基于瞬态压力脉冲法的含水合物沉积物渗透性实验研究

水合物藏的渗透特性是判断工业开采可行性的重要参数。为了研究以粉细砂为主构成的多孔介质中水合物对其渗透率的影响,基于瞬态压力脉冲法的原理及求解方法,研制了一套适用于测量含水合物沉积物渗透率的实验装置。利用该装置对含不同饱和度二氧化碳水合物的粉细砂样品进行了渗透率测量实验。结果表明,随着粉细砂样品中二氧化碳水合物饱和度的增加,其渗透率呈指数衰减趋势;将实验数据与渗透率模型进行对比,发现实验数据与水合物占据毛细管中心的平行毛细管模型最为相近。据此推断,水合物在细砂样品中的赋存状态以悬浮模式或接触模式为主。     

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。     

不同水合物饱和度下注热水开采实验研究

为研究不同水合物藏饱和度对注热开采动态的影响,采用自制的一维天然气水合物(NGH)开采模拟实验装置,模拟地层多孔介质的条件,首先在填砂模型中生成不同饱和度的NGH,然后进行注热盐水分解实验。结果表明:不同饱和度的NGH注热分解产气都可划分为三个阶段,不同的是NGH饱和度越高,水合物分解阶段的产气速率越大,且该阶段持续的时间越长;NGH饱和度越高,注热分解阶段电阻率增大的幅度越大,系统各测点温度升高的幅度越小。注热分解过程中产水速率围绕注水速率而上下波动,且NGH饱和度越高,产水速率波动幅度越大;在实验研究范围内,随初始水合物饱和度的升高,注热开采的能量效率逐渐升高。因此,从能量效率来说,高饱和度的水合物藏更适宜于注热开采。     

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.      

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.      

石英砂粒径对水合物沉积物力学性质的影响

利用自主研发的水合物沉积物原位合成与力学性质测试的高压低温三轴仪,通过多级加荷的试验方法,以不同粒径的砂粒作为沉积物骨架进行三轴压缩试验,得到了剪切过程的应力-应变关系曲线,以及不同粒径尺寸沉积物的强度,还有剪切过程中的体积变化关系。结果表明:含水合物沉积物强度随着沉积物粒径尺寸的增大而增强;在降压剪切过程中,所有粒径的水合物沉积物式样均有明显的剪缩现象。     

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.     

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.      

降压开采模拟试验的水合物分解阵面演化过程

水合物分解阵面演化过程与开采安全性和产气效率密切相关,是开采原位监测的重要组成部分。在玻璃砂样品中进行了甲烷水合物降压开采模拟试验,探讨了水合物饱和度对渗流阵面和水合物分解阵面演化过程的影响,结合已有理论模型,分析了水合物分解阵面传播速度的关键影响因素。结果表明:渗流阵面和水合物分解阵面的传播距离均与时间平方根呈近似线性关系,传播速度均随水合物饱和度的增加而减小;水合物分解阵面的传播速度随多孔介质的有效渗透率和降压幅度的增加而变快,随孔隙率的增加而变慢,粗砂质地层更有利于水合物降压分解阵面的传播。     

The Experimental and Numerical Studies on Gas Production from Hydrate Reservoir by Depressurization

A set of experimental system to study hydrate dissociation in porous media is built and some experiments on hydrate dissociation by depressurization are carried out. A mathematical model is developed to simulate the hydrate dissociation by depressurization in hydrate-bearing porous media. The model can be used to analyze the effects of the flow of multiphase fluids, the kinetic process and endothermic process of hydrate dissociation, ice-water phase equilibrium, the variation of permeability, convection and conduction on the hydrate dissociation, and gas and water productions. The numerical results agree well with the experimental results, which validate our mathematical model. For a 3-D hydrate reservoir of Class 3, the evolutions of pressure, temperature, and saturations are elucidated and the effects of some main parameters on gas and water rates are analyzed. Numerical results show that gas can be produced effectively from hydrate reservoir in the first stage of depressurization. Then, methods such as thermal stimulation or inhibitor injection should be considered due to the energy deficiency of formation energy. The numerical results for 3-D hydrate reservoir of Class 1 show that the overlying gas hydrate zone can apparently enhance gas rate and prolong life span of gas reservoir.     

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.      

粗糙床面物质交换特性及其主导机制实验研究

粗糙底床泥-水界面区域的物质交换过程不仅与水动力作用有关,还涉及到底床物理特性和床面形态的影响. 为研究粗糙底床渗透率和床面微地形对泥-水界面物质交换过程的综合影响,通过实验室环形水槽实验,测量得到不同砂质平整底床和存在离散粗糙元床面条件下,泥-水界面物质交换通量和有效扩散系数的定量数据和变化特征,并采用参数化方法分析无量纲控制参数变化范围内界面物质交换特性的主导机制. 实验结果表明,粗糙底床渗透率和床面微地形共同对泥-水界面物质交换过程起重要作用. 与平整底床相比,离散粗糙元局部绕流结构驱动的附加泵吸交换不同程度增大了界面物质交换通量,其增强效应与底床渗透率和床面粗糙度的变化密切相关. 随底床渗透率和床面粗糙度的增大,有效扩散系数总体呈增大趋势,湍流渗透对界面物质交换的影响趋于增强,而泵吸交换的相对贡献趋于减弱. 因此,分析存在床面微地形粗糙底床的主导界面物质交换机制,需要考虑底床渗透率和床面粗糙度的综合影响.      

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时, 试样强度迅速上升, 呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用. 粉质黏土沉积物粒径细小, 渗透性差,难以通过渗透作用传递压力, 提高了沉积层的破裂压力. 此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响. 适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触, 会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.