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。     

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,最后对剪切过程中的细观力学机制进行了分析。研究结果表明,离散元模拟能够有效地反映水合物沉积物试样和砂土试样在不排水条件下的宏观力学特性;在剪切过程中,水合物沉积物试样和砂土试样的平均配位数先减小后增加直至达到相对稳定值,而由于水合物的胶结作用,前者配位数的变化幅度较大;接触力链网络初始以环状力链为主,接着以柱状强力链为主,最后以屈曲力链为主;组构异性的演化规律与外部载荷关系密切,接触法向和法向接触力的组构异性的主方向平行于外部荷载方向,而且法向接触力的数值比切向接触力的数值高一个数量级。     

不同饱和度水合物沉积物的三轴加载渗透率试验

水合物沉积层的渗透率是影响天然气水合物开采效率的重要物性参数之一,为了探讨在天然气水合物开发过程中有效体积应力和水合物饱和度变化对含水合物沉积层渗透率的影响规律,选取天然粉砂土作为沉积物骨架,进行了不同饱和度水合物沉积物的三轴加载渗透率试验。结果表明:(1)当水合物饱和度恒定时,水合物沉积物的渗透率与有效体积应力呈负指数曲线变化规律,且曲线的斜率随着有效体积应力的增加由大变小;(2)在一定的有效体积应力条件下,水合物沉积物的渗透率随水合物饱和度亦呈指数递减规律变化;(3)有效体积应力和水合物饱和度变化对水合物沉积物渗透率的影响表现为非独立性,即随着前者的增大,后者对水合物沉积物渗透率的影响减弱,而随着后者的增加,前者对水合物沉积物渗透率的影响也减小。由此提出了有效体积应力和水合物饱和度对水合物沉积物渗透率的影响机理,即前者对渗透率的影响在于其对渗流通道的压缩作用,而后者对渗透率的影响则在于水合物对渗流通道的堵塞作用。     

沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征

天然气水合物（以下简称水合物）的微观分布与其形成条件、流体运移通道等密切相关,对天然气水合物资源勘探与评价具有重要意义。为了解水合物在固结沉积物和松散沉积物中的微观分布及其声学响应特征,采用超声和时域反射联合探测技术实时测量了沉积物中水合物生成、分解过程中声速等参数的变化情况。结果表明,在固结沉积物中,水合物先在孔隙流体中形成,随后逐渐向骨架靠拢,当饱和度大于30%后水合物开始胶结沉积物颗粒生成,这种胶结模式会圈闭部分孔隙流体,使之因得不到气源的补充而难以形成水合物,因此固结沉积物中水合物饱和度最终为65.5%左右;在松散沉积物中,少量的水合物（饱和度1%左右）胶结沉积物颗粒生成,当饱和度大于1%后水合物开始在孔隙流体中以悬浮状形态生成,由于水合物与沉积物颗粒间尚有流体运移通道,水合物能进一步生成,最终几乎完全充填沉积物孔隙。不同的水合物微观分布特征对沉积物的声速具有不同影响：水合物在孔隙流体中生成时,10%饱和度的水合物对固结沉积物的声速影响不明显;当水合物胶结沉积物颗粒生成时,约1%饱和度的水合物可使松散沉积物的纵波速度增长200~300 m/s。     

天然气水合物降压分解诱发储层变形破坏正交数值模拟实验研究

使用降压法进行天然气水合物开采时,天然气水合物沉积层的失稳破坏是制约其有效开发的关键因素.考虑水合物饱和度和有效应力同时变化对水合物沉积层主要力学参数的影响,建立天然气水合物降压分解诱发储层变形破坏的流固耦合弹塑性模型,编制USDFLD子程序,采用正交数值模拟实验方法,研究初始水合物饱和度、井底压力和有效主应力差对水合...     

南海神狐海域水合物对岩心电阻率的影响

研究南海神狐海域天然气水合物的电学特性,对资源量的估算具有重要意义。选取南海神狐海域SH7B站位岩心样品,采用高过冷度和冰点以下温度震荡等方式,合成含天然气水合物的岩心样品,实验研究含天然气水合物海底沉积物的电学特性。甲烷在3.6℃形成天然气水合物时,岩心样品电阻率从1.220Ω·m(水饱和状态)增加至2.150Ω·m(水合物饱和度S_h为37.7%);当S_h≤18.0%时,样品电阻率变化明显,水合物开始胶结于沉积物颗粒;当18.0%S_h≤25.0%时,电阻率变化较平缓,水合物可能以接触模式存在于沉积物孔隙;当S_h25.0%时,大量的水合物可能胶结于沉积物孔隙,以致电阻率增加较快。最终甲烷气体难以扩散至被水合物封闭的孔隙流体中,电阻率趋于稳定。     

基于分形孔隙模型的含天然气水合物沉积物电阻率数值模拟

电阻率法是确定天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的重要方法,通过数值模拟可以有效研究含水合物沉积物的电阻率特性,但过去构建的孔隙模型由于约束条件较少,而与实际的孔隙结构存在着较大的差异。为此,基于自然界沉积物具有自相似特征,选定地毯总边长为3和颗粒边长为1的谢尔宾斯基地毯作为沉积物的分形孔隙模型,根据等效电阻网络模式建立了含水合物沉积物的电导模型,并利用上述模型分析了孔隙度、孔隙水电导率、沉积物骨架电导率等因素对含水合物沉积物电阻率与水合物饱和度关系的影响。研究结果表明:(1)含水合物沉积物的电阻率可以表示为孔隙度、面积比、微观结构尺寸、孔隙水电导度、沉积物骨架电导率及经验参数的函数;(2)孔隙水电导率和孔隙度的减小都会导致沉积物电阻率的增大;(3)含水合物沉积物的电阻率随水合物饱和度的增大而增大;(4)在高水合物饱和度范围内,含水合物沉积物的电阻率随沉积物颗粒骨架电导率的增大而明显减小。结论认为:在一定的水合物饱和度范围内,该分形孔隙模型计算结果与实验数据和测井数据都能较好地吻合,准确度较高。     

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。     

温度和应变速率对水合物沉积物强度影响试验研究

在不同温度和应变速率条件下,对天然气水合物沉积物进行三轴压缩试验。试验结果表明:(1)温度越低,水合物沉积物破坏强度越大,在一定温度范围内可用线性表示。随着温度的进一步降低,破坏强度的增加趋势有所减小,最终趋于定值;(2)水合物沉积物试样的破坏强度随着应变速率的增大而增大。另外,应变速率可明显的改变材料的塑性性能。(3)割线模量E50随着温度的降低线性增加。     

高孔隙性砂岩内变形带特征及对流体流动的影响——以柴达木盆地西缘油砂山背斜为例

传统观点认为岩石受力变形发生破裂作用形成裂缝,对流体流动起到输导作用。实际上,高孔隙性岩石受力变形,发生颗粒的旋转、滚动、重排和（或）破碎,应变集中形成与裂缝特征截然不同的变形带,降低了储层的孔隙度和渗透率,影响流体的流动。基于野外观察描述和室内分析测试资料,以柴达木盆地西缘油砂山背斜下油砂山组地层为研究对象,从变形带形成机制出发,系统描述了高孔隙性砂岩中变形带的宏观、微观特征,剖析了变形带和未变形母岩的物性特征,明确了变形带形成时期和油气成藏期的耦合关系,探讨了变形带对流体流动的影响。研究结果表明：油砂山背斜带转折端处下油砂山组高孔隙性砂岩受力变形发生了碎裂作用,形成了典型的碎裂型变形带。碎裂型变形带的颜色发白,比母岩浅;呈正风化地形特征,以"肋状"凸出的形态发育;极少单条发育,多呈"簇状"等组合特征发育。微观上,碎裂型变形带表现为颗粒发生旋转、滚动,沿着颗粒接触边界摩擦导致颗粒破碎,颗粒尺寸明显减小、分选变差,带内颜色相对变深和孔隙坍塌、孔隙空间明显降低的特征。与母岩相比,变形带的孔隙度平均降低约17.4%。应用母岩与变形带渗透率比值与流体流动效率的定量图版分析,当变形带渗透率较母岩降低3个数量级以上时,对流体流动起到阻碍作用,油砂山背斜带变形带渗透率降低1~2个数量级,对流体流动基本无明显阻滞作用。     

基于热弹性理论的天然气水合物和游离气饱和度估算

目前大多通过双相介质理论的纵波速度来估计水合物和游离气的饱和度.含水合物的地层具有低导热和高纵波速度等特性,以热弹性理论为基础,建立天然气水合物和游离气饱和度与纵波速度之间的关系,就可以估算出天然气水合物和游离气的饱和度.首先给出了热弹性理论估算水合物和游离气饱和度的方法;然后利用ODP164航次实际地震资料估算了布莱克海台地区的水合物和游离气的饱和度.纵波速度通过约束宽带反演方法得到,天然气水合物和游离气饱和度的估算采用迭代正演模拟法.同时,对影响饱和度的因素进行了分析,认为地层孔隙度是影响水合物和游离气饱和度的关键因素.对水合物而言,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏高;反之,饱和度偏低.对游离气来说,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏低;反之则偏高.     

天然气水合物横波速度等效介质模型预测方法

由于天然气水合物具有多种充填模式,水合物既可作为固体骨架又可作为孔隙充填物赋存于地层中,因此天然气水合物岩石物理模型与常规油气的岩石物理模型具有较大的差异,常规横波预测方法不再适用。为此,开展了利用等效介质模型进行天然气水合物横波预测的方法研究。首先分析矿物组分、孔隙度和水合物饱和度对纵横波速度的影响;然后利用纵波时差、密度、泥质含量、孔隙度、饱和度等常规测井资料根据等效介质模型构建约束优化方程,其中以纵波速度、密度等常规测井资料为约束,孔隙度和饱和度作为优化变量以寻找最优解;采用收敛快、计算结果可靠的信赖域算法求解该约束最优化问题。最后利用神狐海域天然气水合物的钻井资料对方法进行验证,计算的横波速度和饱和度与实际资料吻合度较高。     

利用声波资料计算天然气水合物饱和度的可靠性实验

为了探讨利用声波速度数据计算天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的可靠性,通过岩石物理实验测量非固结砂泥沉积物中水合物生成过程中的纵、横波速度及其变化值;利用物质平衡方程,结合pVT状态方程及其测试条件,建立了实验过程中水合物饱和度的计算模型;在此基础上,分析了非固结沉积物声波速度随水合物饱和度增加的变化规律,利用修正的Lee权重声波公式,计算了水合物的饱和度,并与实验得到的饱和度数据进行了比较。研究结果表明:(1)在水合物含量达到一定程度的情况下,可以利用声波资料计算水合物的饱和度;(2)随着沉积物中水合物含量的不断增加,非固结砂泥沉积物的纵、横波速度也随之增大,二者之间具有较好的线性相关性;(3)利用声波资料计算所得的水合物饱和度数值与实验室测试得到的结果可比性较高、误差较小。结论认为,该研究成果为利用实际声波测井资料计算水合物的饱和度提供了依据。     

基于连续-离散介质耦合的水合物储层出砂数值模拟

出砂是制约天然气水合物安全高效长期可控开采的瓶颈之一,出砂现象的诱因及其演化规律与水合物储层动态响应行为密切相关。据此,提出了一套研究水合物开采过程中储层动态响应与出砂行为的综合数值模拟方法,并以大尺寸开采出砂防砂模拟反应釜为研究对象,以水合物胶结模式为例,分析了实验尺度下模拟水合物储层在不同开采压差条件下的储层物性、力学响应和流固体（水、气和砂）运移产出规律。结果表明：实验尺度降压开采过程中,体系温度存在快速降温、持续低温和温度回升3个阶段;水合物分解引起的气水产出和井周应力集中是水合物储层出砂的关键控制因素;同一开采压差条件下,提高水流速会导致地层出砂量增加,并且出砂速率的增幅随水流速的增大而增大,而缩小防砂筛孔孔径能够延缓出砂起始时间,并且使得出砂量显著减少。     

X-ray computed-tomography observations of water flow through anisotropic methane hydrate-bearing sand

We used X-ray computed tomography (CT) to image and quantify the effect of a heterogeneous sand grain-size distribution on the formation and dissociation of methane hydrate, as well as the effect on water flow through the heterogeneous hydrate-bearing sand. A 28 cm long sand column was packed with several segments having vertical and horizontal layers with sands of different grain-size distributions. During the hydrate formation, water redistribution occurred. Observations of water flow through the hydrate-bearing sands showed that water was imbibed more readily into the fine sand, and that higher hydrate saturation increased water imbibition in the coarse sand due to increased capillary strength. Hydrate dissociation induced by depressurization resulted in different flow patterns with the different grain sizes and hydrate saturations, but the relationships between dissociation rates and the grain sizes could not be identified using the CT images. The formation, presence, and dissociation of hydrate in the pore space dramatically impact water saturation and flow in the system.     

天然气水合物岩样三轴力学试验研究

天然气水合物是一种洁净、高效、资源量巨大的新型能源,而天然气水合物的力学性质与水合物的钻探、海底地质灾害等密切相关,因此,开发天然气水合物需要了解其力学性质。为此,用覆膜砂烧结成岩样,采用原位合成方式制取不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样,利用自主研制的水合物原位测量系统,在不同围压条件下研究了不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样的力学性质。结果表明,水合物沉积物岩样的抗压峰值强度随着围压、水合物饱和度的增大而增大,内聚力随着水合物饱和度的增大而增大,而泊松比、内摩擦角不随水合物饱和度变化。根据库伦-摩尔准则并结合试验结果建立了围压、水合物饱和度与含水合物岩样峰值强度的半经验数学模型,可为深水水合物钻探所涉及的水合物强度参数的选取,以及室内试验的理论分析及数值模拟提供一定的支持。