围压对含水合物沉积物力学特性的影响

将实验室人工合成天然气水合物与高岭土混合制成岩心样以模拟海底含水合物沉积层,在不同围压条件下,对不同高岭土体积含量的含水合物沉积物进行三轴压缩试验。试验结果表明,当围压较低时,含水合物沉积物试样破坏强度随围压的增大而增大;而随着围压的进一步增加,试样强度有平缓下降的趋势。围压对含水合物沉积物试样的初始弹性模量影响很小,而割线模量受围压的影响较大,割线模量先随着围压的增大而增大,达到峰值后逐渐降低。高岭土含量对含水合物沉积物的内摩擦角影响不大,但对黏聚力有一定影响,随高岭土含量的增加,沉积物强度增大。图6表2参9     

颗粒抗滚动作用对水合物沉积物宏观及微观力学特性的影响

因其清洁无污染且储量巨大,天然水合物被认为是21世纪重要的战略资源。为有效考虑水合物沉积物中由于不规则的颗粒形状对宏观响应产生的影响,在离散元数值模拟中引入抗滚动线性接触模型,对抗滚动系数为0、0.2、0.4、0.6、0.8以及不同饱和度(10%、20%、30%、40%)的水合物沉积物数值试样进行了20组常规三轴压缩试验,探究了抗滚动作用对水合物沉积物的宏观力学特性的影响及微观作用机理。研究结果表明:抗滚动作用可以有效提高水合物沉积物的宏观强度和剪胀程度,但是抗滚动作用对于强度和剪胀的促进作用并不会无限增大,而是存在一个临界值,大于临界值之后,抗滚动作用对宏观力学特性的影响越来越小。这是由水合物沉积物内部微观结构的演化决定的:抗滚动系数的增大,虽然配位数降低,孔隙率有所增加,但颗粒的平均接触力将会随之增大,内部形成贯穿试样的强力链,从而使沉积物体系更加稳定,而当抗滚动系数增大至特定值时,平均接触力、配位数以及孔隙率受到抗滚动作用的影响逐渐减小,从而使水合物沉积物的宏观力学特性受到抗滚动作用的影响也会越来越小。     

水合物沉积物动态弹性力学参数试验研究

水合物沉积物的声学特性是水合物藏资源评估、水合物地层钻探开发的重要依据,而目前实际原状取心难度大、成本高,故通过试验的方法对该问题进行研究具有重要意义。利用中国石油大学岩石力学实验室自主设计开发的水合物声波原位测量系统,在不同围压条件下对不同水合物饱和度的原位合成沉积物岩样进行了声波测试,并根据弹性理论,利用所测得的超声波波速,计算得到试样的动弹性力学参数。结果表明:水合物沉积物的纵横波速以及动态弹性模量均随着围压、水合物饱和度的增大而增大。      

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。     

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。     

天然气水合物三轴压缩试验研究进展

天然气水合物强度试验对我国天然气水合物的安全开采具有重要的意义。针对天然气水合物三轴强度试验研究，对国内外进展和现状进行了综述，介绍了相关试验装置，总结了目前主要的几种实验方法，分析了其优点与不足，并介绍了大连理工大学的一些相关研究工作。图5参21     

胶结型水合物对黏土质沉积物力学特性影响规律

研究低有效应力状态下胶结型水合物对黏土质沉积物力学特性的影响规律,可以为预测我国南海浅层天然气水合物开采风险和保证储层安全提供理论支持。为此,基于水合物三轴试验平台,制备了不同饱和度的胶结型水合物,开展了固结排水剪切试验,研究了低有效围压状态下含胶结型水合物黏土质沉积物强度和变形特性。研究结果表明：(1)胶结型水合物的存在会降低黏土质沉积物的初始固结程度,并有效提高其弹性模量和破坏强度,在低有效围压状态下沉积物的黏聚力与内摩擦角均会有不同幅度的增长;(2)含高饱和度水合物沉积物初始表现为较明显的剪胀现象,而随着有效围压升高,所有含水合物沉积物均表现为持续剪缩现象;(3)含水合物黏土质沉积物剪切变形主要受初始固结程度、水合物胶结作用和有效应力共同影响。结论认为,水合物开采过程中胶结弱化导致的强度损失和水合物相变导致的固结变形是黏土质储层面临的重要风险之一。     

天然气水合物沉积物的岩石物理特性

天然气水合物沉积物是一种有着重要意义的全球性甲烷资源。它存在于地下和海底。然而。天然气水合物的不稳定性和甲烷释放也可呈现出一种潜在的危害。甲烷释放对海底大陆斜坡不稳定性、海底设备及全球气候变化都有影响。目前，对天然气水合物沉积物岩石物性的了解在很大程度上来源于对纯水合物的实验和理论研究，来源于对水合物岩心、地层测井测量值的观察。迫切要求提高对水合物沉积物的性质和稳定性的了解。环境条件下不稳定性的天然气水合物沉积物需要进行特殊的实验室研究。建议用加压岩心技术和钻井船上的样品转移筒进行水合物取样。然而，地层和技术的发展能很先进地进行水合物取样。有必要试着在减压、打开、重取样前描述加压的天然气水合物的性质扣范围。这种以岩石物理学描述远程加压岩心筒内天然气水合物的能力提供了一个描述天然气水合物的范围和性质的线路。在此目的下，正在实验室内进行在一定范围的沉积物中制造一定的人造天然气水合物形态。迄今为止，我们已成功地制作出一定的纯的沉积物CO2水合物作为制造甲烷水合物的前沿工作。连续的实验是用不同的沉积物主体研究几何、内部结构和组构(由块状到分散）。这些归类的水合物组可对非侵入水合物形态的特性描述提供理论根据。由这些实验室结果建立备忘录来指导用高压GEOIEK岩心测井仪在钻井船上的实验室转移筒处于加压状态下进行天然沉积物水合物岩心的地球物理测井。GEOTEK能够进行水合物样品的特性描述和分类。随着对水合物习性的进一步认识，也会指导在减压和水合物开始分解之前研究取样程序。利用天然气水合物的非常珍贵的样品进行详细的船上科学工作计划编制。新的认识为水合物沉积物的岩石物理分析提供了更高的理论基础，增强了岩石物理测量资料，更好地限制了现场水合物的评价。它也对评价水合物沉积物的稳定性和对全球环境气候变化的潜在危害提供了更高的资料。     

沉积物粒度及组分与天然气水合物合成速率关系实验

天然气水合物快速合成在水合物技术工业化中至关重要,故研究水合物合成速率的影响因素具有重要意义,但沉积物粒度及组分与水合物合成速率关系的实验数据严重不足。为此利用自制水合物装置,在3℃、10 MPa轴压及围压、SDS体系下合成天然气水合物沉积物,建立了不同沉积物粒径大小、粒径占比与水合物合成速率的关系模型。结果表明:水合物合成速率随沉积物粒径增大而下降,下降幅度逐渐减小;沉积物粒径足够小时,水合物合成速率与沉积物介质类型关系不大;不同粒径占比下,随着小粒径介质占比增大,水合物合成速率先上升后下降,且小粒径介质达到一定占比时,水合物合成速率大于单一介质;沉积物粒径大小和占比主要改变了沉积物颗粒的比表面积大小,进而影响水合物合成速率。这对天然气水合物快速合成有一定的参考价值,有助于推动水合物技术工业化进程。     

美日合作完成天然气水合物开采技术实地试验

美国能源部（DOE）宣布,已经在阿拉斯加北部陆坡完成一项可安全开采天然气水合物的技术测试。在这项最初的小规模试验基础上,能源部将启动一项新的研究工作,在北极地区开展长期的开采试验,同时采用另外的技术研究美国墨西哥湾地区天然气水合物大规模定位、表征及安全的开采。DOE已经与康菲石油公司以及日本石油、天然气与金属司合作,采用由挪威Bergen大学和康菲通过实验合作开发的一种独特的生产工艺,开展了天然气水合物开采试验。     

天然气水合物沉积物不排水剪切特性的离散元模拟

天然气水合物资源广泛分布于深海浅层沉积物中,具有储量大、能量密度高、燃烧清洁等优点,是一种极具开发前景的环保能源,深入研究天然气水合物沉积物的力学特性是实现天然气水合物资源安全开采的重要前提.利用常体积方法对天然气水合物沉积物的不排水剪切特性进行了离散元模拟,并依据物理实验结果对数值模拟结果进行了标定,最后对剪切过程中...     

CH4和CO2的水合物沉积物力学特性对比研究

为了深入探讨CO2置换开采技术的可行性,针对开采过程中可能引起的水合物储层力学稳定性变化等问题,该文基于CH和CO2水合物沉积物的三轴压缩实验,开展了力学特性对比研究工作.结果 表明:置换前后水合物沉积物的应力应变关系均呈现应变硬化型;围压、温度对2种水合物沉积物的强度及模量的影响规律基本保持一致;在相同工况条件下,C...     

海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究进展

对国内外有关海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律方面的研究进行了详细调研,得到如下结论:天然气水合物的生成和分解条件在海底沉积物中与在井筒、管道中有明显不同,其主要原因是多孔介质中流体与孔隙壁面间的界面效应对海底沉积物中天然气水合物的形成条件会产生明显影响;在海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的数值模拟技术研究方面,研究者大都假设以天然气水合物作为盖层的成藏类型,借助常规油气藏数值模拟技术进行模拟研究;影响海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的因素很多,因此海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究必须借助试验模拟、数值模拟和现场测试相结合的综合方式进行。该调研成果可为今后天然气水合物经济有效开采技术方案选择和进行天然气水合物危害控制等提供参考。     

南海沉积物天然气水合物饱和度与电阻率的关系

在天然气水合物勘探中,阿尔奇公式是由电阻率测井数据估算沉积层含水合物饱和度的基本公式,是对含油(气)岩心进行实验总结出的规律。但是对于水合物填充于多孔介质孔隙的沉积物,其电阻率与沉积物的物性以及水合物在孔隙的微观分布状态有关,可能存在一定的非阿尔奇现象,因此采用电阻率估算饱和度需要进行一定的校正。采用交流电桥法测量了3.5 % 盐水饱和的南海沉积物以及水合物在水饱和的沉积物中形成过程中的电阻率数据。水合物形成过程中其电阻率随着含水合物饱和度的增大而增大,尤其在低水合物饱和度(S_h<22 % ),其电阻率随着水合物的生成异常增大,含水合物沉积物的电阻率由水饱和的1.667Ω·m增大到含水合物饱和度为45 % 的2.661Ω·m。对于含水合物的沉积物,其双对数坐标系的电阻率增大指数和含水饱和度并不是阿尔奇公式所描述的直线关系,其饱和度指数n不是定值1.938 6,而随水饱和度S_w的增加而增加。当54.8 % w<78.6 % 时,n小于1.938 6;当S_w>78.6 % 时,n大于1.938 6。     

海底沉积物中热解成因天然气水合物的形成与分布

利用中国石油大学自制的一维天然气水合物成藏模拟装置,采用常规热解成因气为气源,海底沉积物为多孔介质,进行了水合物形成模拟实验,并采用电阻率法对沉积物中水合物形成与分布进行观测分析.结果表明,沉积物不同部位电阻率的变化不同,沉积物中下部电阻率先增加后趋于稳定,中上部电阻率呈降低-增加(或稳定)-降低-增加-稳定的变化趋势,这种电阻率的变化反映了不同部位的水合物的生成和分布.在中上部水合物诱导成核时,中下部已进入水合物生长阶段,由于温度梯度的影响,水合物生长缓慢,分散状分布;在气体供应充足的条件下,中上部水合物能大量生成,呈块状分布.在上述分析的基础上建立了沉积物中水合物生长与分布模式.     

天然气组分对水合物形成温度的影响研究

天然气的水合物形成温度不仅和压力有关,而且不同组分的天然气在等压下形成水合物的温度也不同,因此有必要对天然气中各主要组分与水合物形成温度之间的关系进行研究,有效地确定水合物抑制剂的用量,有利于水合物的防治工作。文章研究了乙烷、丙烷、丁烷和戊烷与天然气水合物形成温度的关系,得到了丙烷和丁烷对水合物的影响最大,而乙烷和戊烷对水合物的影响较小的结论,从而为根据天然气不同的气质组分进行水合物的防治提供了科学的依据。     

流动体系水合物生成及其流动特性试验研究

依托管道式水合物综合试验平台,以水和CO2为试验介质在6.5~8.5℃的条件下试验研究了CO2水合物生成特性及水合物浆液流动规律。试验初始压力为4.5 MPa,含气体积分数为31.16%。同时,利用压降分析法探究了CO2水合物浆液的流动特性,并归纳了CO2水合物浆液管道压降关联式。研究结果表明,水合物首先在管道内壁处生成,然后逐渐向管道中心生长,最终造成管道的堵塞。此外,水合物浆液管道压力分布存在突然降低的情况,而管道末端压力反而升高,这是因为管道末端有部分水合物发生分解。研究结果可为水合物的防治工作提供理论支持与技术储备。     

天然气水合物降压开采实验研究

为了研究天然气水合物（NGH）降压开采基本规律,应用研制的NGH合成与开采实验系统,研究NGH降压开采的相平衡和基本生产规律.用图形法测定了4个NGH相平衡点,与已有文献数据吻合很好,说明了该实验装置和方法的可靠性.对于高孔高渗的多孔介质,相平衡数据与反应釜水溶液中相平衡数据一致,在进行NGH开采相平衡研究时,可以借用现有反应釜水溶液中NGH的数据和模型.在实验模型条件下,降压开采是比较好的NGH开采方法,产气速率较高且主要受压降速率控制.储集层压力控制和NGH自保护效应是实际NGH矿藏降压开采需要解决的关键问题.具有下伏游离气或同层伴生气的NGH矿藏,为克服以上两点不利提供了可能.另外,还可以考虑注热水、注化学剂等其他辅助强化开采措施.图5表2参15     

关于天然气水合物钻采工艺技术进展的研究

目前全球正面临着前所未有的能源危机，天然气水合物由于储量大、能量密度高而将成为一种诱人的新型能源。天然气水合物主要存在于冻土带和海洋，在地下处于低温和高压状态，以现有的技术，钻井和开采都存在很大的困难。简要介绍了天然气水合物的性质及储量，阐述了天然气水合物钻井的六个挑战及目前国外天然气水合物的两种钻探方法；同时阐述了以热力法、降压法和化学试剂注入法为主的天然气水合物开采方法，并针对天然气水合物钻采技术现状指出了下一步的研究方向。     

表面活性剂对天然气水合物合成影响的实验研究

为研究钻井液化学成分对天然气水合物的影响作用,利用天然气水合物人工合成实验系统进行了天然气水合物的人工合成实验.在天然气水合物的合成过程中,分别对天然气-水溶液体系中加入表面活性剂(Sodium Dodccyl Sulfate)与未加入表面活性剂时水合物的生成时间、生成温度、生成压力及表面活性剂的浓度等对生成过程的影响进行了实验.在加入表面活性剂的天然气-水溶液体系中,由于表面活性剂的存在加速了气体和水溶液体系的接触面,从而加速了水合物的生成、降低了水合物的生成压力、提高了相同条件下的生成温度,即表面活性剂的存在改变了天然气水合物的生成条件,而且增加了水合物中的含气率.因此,表面活性剂用于配置钻井液有利于保持天然气水合物井的井壁稳定.