天然气水合物开采的土力学问题:现状与挑战

有效确定含天然气水合物(以下简称水合物)沉积物的工程力学特性并厘清其随水合物分解过程的变化规律,是实现水合物安全、高效开采的前提和保证。为此,围绕水合物开采过程所涉及的关键土力学问题,从物理力学特性的关键测试技术、沉积物的力学特性、含水合物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程土力学多场耦合数值模拟等方面,分析和评述了国内外最新相关研究现状、存在的缺陷与不足,进而探讨了上述研究方向未来的发展趋势。结论认为,尽管经过20多年来的发展,有关水合物开采的理论、方法和技术均取得了显著的进展,但从岩土力学的角度来看,目前仍然面临着以下挑战:①大尺度含水合物沉积物试样的人工制备;②含水合物沉积物微细观组构的精细探测与定量表征;③组构变化对含水合物沉积物力学特性的影响机理与规律;④开采扰动下,流沙发生的条件及对储层稳定性的影响机制;⑤开采扰动下,多相多组分含水合物储层的多过程耦合问题;⑥水合物分解/生成条件下,含水合物沉积物的本构响应;⑦有关水合物开采过程数学模型的适定性问题;⑧高效稳定的水合物开采过程数值模型的全耦合解法。     

基于机器学习方法的海洋天然气水合物水平井降压开采模拟—优化耦合模型

由天然气水合物（以下简称水合物）开采引起的含水合物沉积层力学变形问题不能被忽视，因其直接威胁到海域水合物的安全开采。为了找到甲烷累计产气量最优值与地层稳定性的关系，基于机器学习方法形成模拟—优化耦合技术，构建起水合物降压开采传热—流动—力学数值模拟模型、可以替代数值模拟模型的机器学习模型和以甲烷累计产气量最优为目标的混合整数非线性规划优化模型；在此基础上，选取南海北部神狐海域厚层Ⅱ类水合物藏W11站位为研究对象，获得了海底面沉降量约束下的水合物储层甲烷累计产气量及相对应的最优开采方案参数。研究结果表明：①模拟—优化耦合技术的关键是机器学习方法的运用，基于径向基函数人工神经网络方法而建立的替代模型计算精度较高，可以替代模拟模型来确定输入输出变量的关系，从而摆脱既定方案的限制，找到全局最优解；②模拟—优化耦合技术可以解决受含水合物沉积层力学响应特征影响的水合物开采方案优选问题，根据试采工程安全要求改变海底面沉降量最大允许值，可以计算得到相应的甲烷累计产气量，以及降压幅度、开采时间、井位布置、水平井段长度等最优开采方案参数；③随着最大允许沉降量增大，甲烷累计产气量增大，二者满足正相关关系；④海底面沉降量随着开采时间增长而增大，也随降压幅度增大而增大；⑤水合物开采引起海底面沉降主要发生在开采初期，为了获得较高甲烷累计产气量及较小海底面沉降量最大允许值，在开采初期必须减小降压幅度。结论认为，所形成的模拟—优化耦合技术适用性强，可以为水合物安全、高效规模化开采方案的制订提供支撑。     

天然气水合物加热分解储层变形破坏规律研究

为避免开采天然气水合物导致储层变形破坏,引起环境灾害,研究加热法开采天然气水合物过程中水合物饱和度、储层物性参数、超静孔隙压力变化对储层变形破坏的影响。建立了反映水合物分解引起储层力学物性劣化规律的热流固耦合模型,基于ABAQUS二次开发功能编写场变量子程序,对南海神狐海域水合物加热开采诱导储层变形破坏规律进行数值模拟分析。结果表明:天然气水合物储层分解区和力学性质劣化区范围随温度升高呈扩大趋势;未采气条件下,储层超静孔隙压力以加热井为顶点随分解影响距离呈抛物线型分布,超静孔隙压力过大是导致天然气水合物盖层变形破坏的主要因素;储层塑性变形影响范围随温度升高逐渐扩大,先出现在水合物储层与盖层、储层与下伏层接触界面。该研究为天然气水合物安全开采提供了借鉴。     

天然气水合物藏降压开采近井储层稳定性数值模拟

天然气水合物藏降压开采是一个含相态变化的非等温物理化学流固耦合渗流过程。目前有关天然气水合物藏开采的研究集中于产能模拟,且没有考虑流固耦合作用影响,有关水合物分解形成的弱胶结、低强度、高孔高渗近井储层的稳定性研究尚未开展。为此,将水合物分解效应融合到渗流场与岩土变形场的耦合作用中,建立了天然气水合物藏气、水两相非等温流固耦合数学模型,引入出砂判别准则,开发了天然气水合物藏降压开采流固耦合储层稳定性分析软件,利用该软件对天然气水合物藏降压开采近井储层稳定性的一般规律进行了分析,并建立了井壁不出砂的临界生产压差分析方法。研究表明:水合物分解效应是影响水合物分解区储层稳定性的主要因素,流固耦合作用的影响较小;近井水合物分解区储层稳定性较差,其中井壁最小水平地应力方向储层稳定性最差,是出砂的优先位置;过渡区储层稳定性介于水合物分解区与原状储层之间。      

泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学特性

天然气水合物开采过程中，厘清储层力学参数的演化特征是进行工程地质风险评估的基础，但目前针对中国南海含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质评价与测试相关研究的报道却鲜见。为此，以南海北部神弧海域W18/19矿体天然气水合物顶界沉积物为研究对象，用四氢呋喃（THF）水合物代替天然气水合物，以此来探讨泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学参数演化特征。研究结果表明：①在低质量丰度条件（小于等于16.7%）下泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系呈现应变硬化破坏特征，抗剪强度、切线模量、内聚力随着水合物含量的增大而增大；②纯天然气水合物的应力—应变曲线表现出明显的脆性破坏特征，与低丰度条件下的泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系破坏特征截然不同。进而提出了采用丰度（质量丰度或体积丰度）代替原有的砂质沉积物中饱和度概念来表征天然气水合物含量的建议，在考虑天然气水合物合成结束后泥质粉砂沉积物含水率影响的基础上，将泥质粉砂型天然气水合物—沉积物混合体系划分为纯沉积物、含天然气水合物沉积物、含沉积物天然气水合物和纯天然气水合物4种基本类型，以克服目前针对含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质研究中所存在的不足。     

分解促进剂对水合物力学的特性影响分析

目的在不同类型的分解促进剂作用下多级降压开采天然气水合物,研究水合物分解的力学性质对储层稳定性的影响。 方法采用不同有效围压、不同分解促进剂及其不同含量、焖井时间等多因素,通过多级降压分解,水合物沉积物储层岩石力学稳定性性能影响效果评价和规律分析。 结果随着降压分解,水合物饱和度降低,抗剪强度和弹性模量逐渐降低,甲烷水合物沉积物呈脆性破坏。 结论分解剂含量越大,对水合物的力学影响越大;注入含量越大,焖井时间越长,水合物强度越低,分解剂对水合物强度减弱的效果越明显;醇类分解剂(乙二醇)比盐类分解剂(CaCl₂)开采水合物更容易减弱水合物试样的强度,降低储层稳定性。      

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...     

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。     

海域天然气水合物开采增产理论与技术体系展望

从量级尺度大幅度提高产能是实现天然气水合物（以下简称水合物）产业化开采的关键，而水合物开采能否产业化又取决于原地可采储量能否支撑产业化开采所需要的基本开采周期，以及开采产能能否达到当前产业化开采的标准。为了给水合物开发技术研究提供参考，从海域水合物增产理论与技术学科体系建设的角度，结合国内外水合物实验模拟和数值模拟研究成果，分析了潜在的水合物增产技术，提出了水合物开采增产的基本原理、评价方法及目前存在的技术瓶颈。研究结果表明：①复杂结构井、多井井网、新型开采方法、储层改造是实现天然气水合物增产的主要途径，其增产机理可归纳为扩大泄流面积、提高分解效率、改善渗流条件等三个方面；②复杂结构井和井网是提高水合物产能的根本，基于复杂结构井和井网系统辅助加热或进行储层改造，能从量级尺度提高水合物的产能；③制样技术、储层监测技术和力学场耦合技术是目前水合物增产基础研究的主要技术瓶颈，建议“十四五”期间国家水合物应用基础研究的重点应关注上述技术瓶颈。结论认为，以水平井或多分支井为代表的复杂结构井、以多井簇群井开采为代表的井网开采模式、以降压辅助热激发为主的开采新方法、以水力造缝为代表的储层改造技术的联合应用等，是实现水合物产能量级提升的关键。     

松散沉积物中降压幅度和饱和度对天然气水合物分解过程的影响

为了弄清楚降压幅度和饱和度对于天然气水合物（以下简称水合物）分解过程的影响规律这一事关水合物工业开采的核心问题，基于我国南海北部神狐海域沉积物粒径特征配置出多孔介质样品，在实验室模拟试采区现场钻孔压力、温度、盐度、饱和度条件，开展了松散沉积物中两种饱和度范围（Sh,Ⅰ=23%～26%，以下简称体系Ⅰ；Sh,Ⅱ=46%～50%，以下简称体系Ⅱ）和4种降压幅度（12 MPa、9 MPa、6 MPa、3 MPa）条件下水合物降压分解实验。研究结果表明：①降压幅度为12 MPa条件下产气集中于分解前期，分解前期产气量随饱和度增大占产气总量比例升高；②分解时间（开发期）随降压幅度的增大呈线性减小趋势，降压幅度增加9 MPa，体系Ⅰ与体系Ⅱ的分解时间分别缩短为原来的28.39%和44.97%；③高饱和度体系水合物瞬时产气速率波动较为剧烈，其在降压幅度12 MPa条件下瞬时产气速率峰值、阶段产气速率峰值为最大，降压开采效果较好。结论认为：①所做实验和南海试采结果均表明，产气速率峰值在降压开采前期出现，可能引发储层和井筒失稳，需在水合物降压开采进一步试验和现场工程中加强关注；②后续研究需借助较大尺度水合物降压开采模拟装置，明确尺寸效应对水合物降压开采产气规律的影响。     

天然气水合物分解区演化数值分析

为了分析水合物试开采效率与水合物分解区时空演化过程的内在联系,对水合物沉积物中水合物降压-加热分解区演化过程进行了数值分析,获得了水合物分解区的时空演化规律和控制参数,找到了水合物分解效率的制约因素,提出了水合物分解过程的解耦分析方法。研究结果表明：水合物降压分解相变阵面和加热分解相变阵面的传播距离均与时间平方根成正比;气体渗流和热传导两者特征时间的比值为水合物分解区演化过程的控制参数;水合物分解区分为降压分解区和加热分解区,降压分解区扩展速度快,最大厚度大于水合物分解区最大厚度的90%,加热分解区扩展速度慢,最大厚度小于水合物分解区最大厚度的3%;水合物分解效率由热传导效应控制,由开采方式决定的传热效率低下是提高水合物分解效率的制约因素;砂土类等渗透性良好的沉积物中,水合物分解过程解耦分析可简化求解流程,提高计算精度。     

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。     

海底天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响

为分析天然气水合物分解对海洋钻井安全的影响,根据海底天然气水合物特征,结合天然气水合物分解动力学和热力学条件,研究了不同钻井工况下天然气水合物分解产气规律,估算了天然气水合物分解后的产气量。结果表明,在钻进天然气水合物层过程中,天然气水合物分解产气速率和累计产气量逐渐增大;在天然气水合物饱和度一定的情况下,近井天然气水合物层内的天然气水合物完全分解产气量与井身轴向半径呈平方关系;随着钻井液与天然气水合物层温差增大,天然气水合物分解速率呈指数增长;浅水区钻遇天然气水合物层易导致其分解,随着水深增加或井筒压力增大,天然气水合物分解越来越困难。研究表明,钻穿天然气水合物层时,提高钻进速度可减少天然气水合物分解;钻井过程中应根据钻前预测结果调整钻井液温度和密度来控制天然气水合物分解,同时采取必要的井控措施,以保证在适当的天然气水合物分解产气条件下安全钻进。      

Hot-brine Injection for the Dissociation of Natural Gas Hydrates

A new one-dimensional experimental system for natural gas hydrate (NGH) exploitation is designed, which is used to study the formation and dissociation processes of NGH. NGH is formed in the sand-packing tube, and then hot-brine is injected into the tube to study the thermal dissociation characteristics. The injection parameters that influence gas production rate and energy efficiency are analyzed. The results show that the higher the injection temperature and injection rate are, the higher the gas production rate is. In addition, the most sensitive parameter, which influences the energy efficiency of thermal stimulation is the hot-brine temperature, followed by the hot-brine injection rate and injection time. This study provides an experimental basis for further study on NGH exploitation in the future.     

沉积物中天然气水合物生成与分解过程的电阻率变化

测定天然气水合物在沉积物形成和分解过程中电阻率的变化对海底天然气水合物的勘探开采具有重要的意义。利用设计的水合物实验装置,以99.9%的甲烷气体—3.5%氯化钠溶液—南海沉积物为研究体系,模拟测量了温度周期变化下海底沉积物中天然气水合物形成与分解过程的电阻率。实验结果表明：当水合物在沉积物中生成时,沉积物电阻率增大。水合物初始成核时,沉积物的电阻率从4.493Ω·m减小至3.173Ω·m,随着水合物的大量形成、聚集,沉积物的电阻率增大至3.933Ω·m,最后随着松散的水合物逐渐老化致密,沉积物的电阻率逐渐减小趋于稳定至3.494Ω·m。当水合物分解时,沉积物电阻率减小。沉积物的电阻率随水合物的分解从6.763Ω·m减小到2.675Ω·m,最后趋于稳定至2.411Ω·m。温度震荡可促进沉积物中高饱和度水合物的形成,并且沉积物的电阻率随水合物饱和度增加而增大。样品的水合物饱和度从初次水合物生成时的21.80%增大到水合物再次生成时的82.17%,其电阻率从3.494Ω·m增到6.763Ω·m。     

南海北部神狐海域浅层深水沉积体对天然气水合物成藏的控制

南海北部神狐海域是我国海域天然气水合物（以下简称水合物）研究的热点区域,但该区域水合物储集体类型及特征尚未得到充分的认识。为此,在对不断积累的资料进行分析总结的基础上,基于高分辨率三维地震资料精细解释、岩心沉积物粒度参数描述和粒度C—M模式分析,系统探讨了该海域含水合物层与上覆不含水合物层沉积物的成因机制,分析了含水合物层沉积物粒度参数与水合物饱和度的关系,并初步揭示了深水沉积与水合物藏分布的耦合关系。研究结果表明：①该区水合物赋存在南海北部陆坡峡谷脊部和下游段—嘴部的细粒浊积体中,含水合物细粒浊积体和上覆不含水合物层的沉积物具有不同的粒度参数特征和显著的沉积成因差异;②与峡谷脊部细粒浊积体相比,峡谷下游段—嘴部的细粒浊积体中可能存在着不同成因类型的沉积物夹层,其沉积过程具有复杂性和多期性;③含水合物层的粒度分选系数与水合物饱和度关联性最大,其次为偏度,粒度参数可能通过影响储层物性进而控制水合物饱和度;④气烟囱、断层等流体运移通道和细粒浊积体共同构成水合物的“运聚体系”。结论认为,细粒浊积体和气烟囱构造的空间匹配是神狐海域水合物不均匀性分布的关键控制因素,“水合物运聚体系”控制水合物成藏的模式将有助于进一步理解深水沉积与水合物成藏的关联性。     

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     

世界首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统

天然气水合物(以下简称水合物)分别蕴藏于海洋和陆地永冻土带中,但前者的储量约为后者的100倍。海洋环境中的大部分脉状、块状水合物以及细粒沉积物中的水合物都属于非成岩天然气水合物,一般没有像常规油气藏和砂岩水合物储层那样稳定的圈闭构造。针对海洋非成岩水合物的物理特征、成藏特点,依据水合物固态流化开采法的工艺流程,建立了世界首个海洋天然气水合物固态流化开采实验室。该实验室定位于"全自动化的白领型实验室",实验系统共分为大样品快速制备及破碎、高效管输、高效分离、快速检测等模块单元。该实验室的主体功能包括:(1)高效破岩能力评级;(2)海洋天然气水合物层流化试采携岩能力评价;(3)水合物非平衡分解规律及流态动变规律评价;(4)不同机械开采速率条件下水合物安全输送;(5)井控安全规律模拟。该实验室的关键技术指标:工作压力12 MPa、水平管长度65 m、立管长度30 m、管径3英寸。该实验室能模拟1 200 m水深的全过程水合物固态流化开采工艺过程,是西南石油大学联合中国海洋石油总公司、宏华集团原始创新自主设计、自主研发的标志性实验室。     

天然气水合物注热开采热前缘传热方式探讨

为了探讨注热开采天然气水合物(以下简称水合物)过程中控制热前缘移动的主要传热方式、判别目前大多数解析模型只考虑热传导而忽略热对流影响的处理方式是否合理,在室内进行了注热开采水合物实验,并将所得结果与Selim解析模型的计算结果进行了对比分析。结果表明:(1)热前缘推进速度随注热水速度的增大而增大,而随注热水温度的升高则变化不大,说明热对流是促进热前缘移动和水合物分解的关键因素;(2)在同等条件下,实验测定的热前缘移动速率是上述模型计算结果的10倍左右,结果差异如此之大主要是因为后者仅考虑了热传导传热方式;(3)计算得到注热开采水合物过程由热传导传递的热流量仅占总热流量的6.04%,而通过热对流传递的热流量则占总热流量的93.96%,通过热对流传递的热流量是通过热传导传递的热流量的15.56倍。结论认为,热对流是控制注热开采水合物热前缘移动的主要传热方式,目前大多数解析模型只考虑热传导这一种传热方式而忽略热对流影响的处理方式是不合理的,应同时考虑热对流、热传导两种传热方式才符合实际情况。