南海北部深水浅层天然气水合物储层力学特性试验及强度准则建立

我国南海北部海域蕴藏有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,但目前针对水合物储层的力学特性研究较少,也缺乏相应的储层强度判定准则。通过模拟我国南海北部水合物储层的地质条件,根据浅部地层特点制作黏土质粉砂岩水合物储层岩样,进行了不同天然气水合物饱和度、有效围压条件下的三轴力学试验,结果表明:水合物储层的抗压峰值强度随水合物饱和度增加而增加,但水合物饱和度对岩样的刚度和泊松比影响不明显;水合物储层的抗压峰值强度和弹性模量随有效围压增大而线性增大,但增加幅度逐渐减小,而泊松比受有效围压影响没有明确的函数关系;黏土质粉砂岩水合物储层应力-应变曲线无明显的压密阶段和抗压峰值强度,弹性阶段较短,屈服阶段较长,表现出明显的应变硬化特征。根据试验结果建立了适用于南海北部的黏土质粉砂岩水合物储层强度准则,可计算不同有效围压、水合物饱和度情况下的储层内聚力,进而预测不同条件下的储层抗压强度,从而为我国南海北部水合物储层勘探开发过程中地层力学稳定对策的制定奠定理论基础。     

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。      

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。     

层状型天然气水合物沉积物力学特性研究

为保障天然气水合物开采过程中储层的安全稳定,针对沉积物内水合物赋存方式对储层力学稳定性存在显著影响的问题,开展了天然气水合物沉积物三轴压缩试验研究工作,探讨了水合物位置和围压对水合物沉积物的强度和变形特性影响。结果表明：1)低围压下,试样应力应变曲线类型与水合物层位置无关,试样变形呈应变硬化现象;2)试样的破坏强度随围压增大和水合物层下移而增大;3)起始屈服强度、起始屈服模量及割线模量均随着围压增大表现为整体增大趋势,与水合物层位置之间的关系较为复杂;4)由摩尔-库伦准则分析可知,层状型水合物沉积物力学性质的差异主要体现为粘聚力对试样强度的影响。该研究对认识层状型天然气水合物沉积物的力学特性,评价层状型天然气水合物储层的开采稳定性具有一定的指导意义。     

天然气水合物储层导电特性模拟与饱和度计算

由于天然气水合物只能在低温高压环境下保持稳定,导致以原状天然气水合物岩石样品进行岩石岩电测试较为困难,用阿尔奇公式计算的饱和度误差会比较大。为了提高天然气水合物饱和度的计算精度,建立了反映天然气水合物储层结构特征的逾渗网络模型。根据Kirchhoff连续性方程和各节点、线的电导率,通过Cholesky分解算法计算网络模型中的电流参数。通过数值模拟研究了水合物饱和度、地层水矿化度和黏土矿物含量对天然气水合物储层数字岩心的影响,并根据模拟结果建立了修正的阿尔奇公式。模拟结果表明,数字岩心的电阻率随水合物饱和度的增加呈指数增长。随着地层水电导率的增大,天然气水合物数字岩心的电阻率呈线性减小。随着黏土矿物含量增加,岩心电阻率呈负指数下降趋势,当孔隙度、黏土矿物含量较低时,天然气水合物饱和度对数字岩心电阻率的影响较大。利用修正前后的Archie公式,对南海神狐地区W18井的测井资料进行了水合物饱和度估算。修正前的计算结果相对误差为33.2%,修正后为22.5%,说明修正后的饱和度公式精度有明显提高。     

陆相页岩储集层岩石力学特性及能量演化特征

以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组陆相页岩储集层为研究对象，岩性分别为白云岩、泥质白云岩、白云质泥岩、白云质粉砂岩和粉砂岩，通过室内力学实验，研究了陆相页岩储集层岩石力学特性及能量演化规律。结果表明，陆相页岩储集层不同岩性岩石力学特性存在较明显差异，白云岩、白云质粉砂岩、粉砂岩、泥质白云岩和白云质泥岩的抗压强度分别为112.09 MPa、98.20 MPa、85.98 MPa、81.28 MPa和58.30 MPa；随着围压增大，陆相页岩储集层岩石脆性减弱，延性增强；陆相页岩储集层不同岩性岩样在峰值强度处的能量大小不同，反映不同岩性岩样间存在较强的非均质性，此外，三轴压缩条件下，相同岩性岩石弹性能、耗散能和总能量都大于单轴压缩条件。     

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。     

南海北部天然气水合物物性参数评价与分类体系构建

由于目前海洋天然气水合物(以下简称水合物)钻采案例少、取样成本高、保温保压技术难度大,导致对其储层物性原位测试及资源等级定量分类评价认识不清、资源等级划分与开发模式响应关系不明。为此,根据南海北部实际水合物取样岩心资料,利用室内水合物声电力学测试装置,测定了不同组分、饱和度下含水合物沉积物的声波、电阻率、饱和度、渗透率、偏应力以及应变等物性参数,基于层次分析法,建立了水合物物性参数敏感度熵权综合评价模型,对水合物参数敏感性进行了评价;进而依据参数变化规律和敏感性分析结果,建立了海域水合物的物理参数评价方法与划分标准。研究结果表明:①南海北部水合物储层主要为胶结强度较差的砂泥质粉砂为主,粉砂、黏土含量较高,储层中位粒径主要介于9～30μm,水合物饱和度范围介于20%～60%,解析气主要为甲烷气体;②水合物参数敏感性从高到低顺序依次为:偏应力、应变、气量、纵波速度、电阻率、渗透率和横波速度;③南海北部水合物藏综合划分为非成岩Ⅰ类、非成岩Ⅱ类、非成岩Ⅲ类和成岩Ⅳ类、成岩Ⅴ类;④南海北部荔湾区域水合物储层属于泥质浅层沉积,无完整圈闭构造,结构较为松散,属于非成岩Ⅱ类水合物藏,水合物钻采面临工程...     

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。      

含水饱和度对岩石力学参数影响的实验研究

利用人造岩样,对地层的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数随含水饱和度的变化规律进行了实验研究,并摸索出了从岩样制备到实验方案确定的适合于松散砂岩力学性能测试的一整套方法。研究表明：疏松砂岩的弹性模量很小;随着含水饱和度的增大,弹性模量减小,泊松比的变化规律不太明显;随着含水量的增大,岩样的三轴强度下降,含水饱和度对弱胶结岩石强度的影响比对胶结较好的地层敏感。     

模拟地层条件下岩石泊松比实验特征与测井解释

在考虑地层围压、岩性及饱和流体介质条件下,开展井下岩心力学参数及超声波测试研究.研究结果表明,泥岩静泊松比均大于砂岩静泊松比,且单轴条件下二者差别大于围压条件下;围压条件下相同岩性、相同饱和流体介质的岩石静泊松比大于单轴条件下岩石静泊松比,且随着围压的增大,砂岩静泊松比的增幅大于泥岩.单轴条件下,同岩性饱和水岩样相比饱和气岩样的纵波速度增幅在10％～15％,横波基本无变化,动泊松比增幅在30％以上.围压条件下,饱和水岩样的纵横波速度随围压的增大而增大,纵波速度的增幅略小于横波速度,纵横波波速比随围压的增大而减小,岩石的动泊松比减小.在模拟地层围压和流体条件及区分砂岩、泥岩的前提下,建立了岩石泊松比测井计算模型.     

含水合物沉积物损伤统计本构模型及其参数确定方法

通过建立含天然气水合物沉积物本构模型,揭示沉积物的变形规律,准确预测水合物储层的力学性质,是有效开发天然气水合物资源的基本保证。基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设,将统计强度理论与统计损伤理论有机结合,建立了能同时描述含水合物沉积物应变软化规律和应变硬化规律的损伤统计本构模型,探讨了模型参数求解思路,验证了模型的准确性。结果证明,含水合物沉积物屈服后发生应变软化还是应变硬化,取决于有效围压、水合物饱和度的综合影响,反映在模型参数上表现为Weibull参数m、F₀的共轭特性。模型参数主要影响含水合物沉积物损伤后的变化过程,对未损伤部分的影响较小。     

中国天然气水合物赋存特征

中国陆上冻土区和海域深水区都拥有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,二者虽在同盆共生、运聚机理上有相似之处,但差异也十分明显。为了给地质—工程—环境一体化开发水合物提供准确的基础地质数据,从构造与沉积、地温、热流、地球化学、地球物理响应、赋存类型、孔渗、力学强度、饱和度等9个方面,对比分析、总结了二者在分布规律与赋存特征上的差异性。研究结果表明:①陆上冻土区水合物主要赋存于中生代地层,以热成因气为主,受断层裂隙构造控制,具有较好的圈闭条件,其储层温度、地温梯度、热流、压力表现为"四低"特征,水合物多数分布在砂岩孔隙和泥页岩裂隙中;②陆上冻土区水合物测井响应总体显示"两高两低"特征(高电阻率、高波速、低自然伽马、低密度),储层岩石力学强度高,具有低孔隙度、低渗透率和低水合物饱和度特征;③海域水合物主要赋存于新生代第四纪地层,热成因或生物成因气皆有,受泥底辟、气烟囱、断层裂隙控制,无明显圈闭,其储层温度、地温梯度、热流和压力表现为"四高"特征;④海域水合物多数分布在富含有孔虫的黏土质粉砂和粉砂质黏土中,地震反射波显示明显的BSR特征,测井响应则总体表现为"两高"特征(高视电阻率、高波...     

南海北部天然气水合物物性参数评价与分类体系构建

由于目前海洋天然气水合物（以下简称水合物）钻采案例少、取样成本高、保温保压技术难度大，导致对其储层物性原位测试及资源等级定量分类评价认识不清、资源等级划分与开发模式响应关系不明。为此，根据南海北部实际水合物取样岩心资料，利用室内水合物声电力学测试装置，测定了不同组分、饱和度下含水合物沉积物的声波、电阻率、饱和度、渗透率、偏应力以及应变等物性参数，基于层次分析法，建立了水合物物性参数敏感度熵权综合评价模型，对水合物参数敏感性进行了评价；进而依据参数变化规律和敏感性分析结果，建立了海域水合物的物理参数评价方法与划分标准。研究结果表明：①南海北部水合物储层主要为胶结强度较差的砂泥质粉砂为主，粉砂、黏土含量较高，储层中位粒径主要介于9～30 μm，水合物饱和度范围介于20%～60%，解析气主要为甲烷气体；②水合物参数敏感性从高到低顺序依次为：偏应力、应变、气量、纵波速度、电阻率、渗透率和横波速度；③南海北部水合物藏综合划分为非成岩Ⅰ类、非成岩Ⅱ类、非成岩Ⅲ类和成岩Ⅳ类、成岩Ⅴ类；④南海北部荔湾区域水合物储层属于泥质浅层沉积，无完整圈闭构造，结构较为松散，属于非成岩Ⅱ类水合物藏，水合物钻采面临工程风险、地质风险、设备风险3大安全风险。结论认为，该研究成果为后续海域水合物资源评价、分类以及与之对应的合理开发方式优选提供了理论指导和技术方法。     

中国天然气水合物赋存特征

中国陆上冻土区和海域深水区都拥有丰富的天然气水合物（以下简称水合物）资源，二者虽在同盆共生、运聚机理上有相似之处，但差异也十分明显。为了给地质—工程—环境一体化开发水合物提供准确的基础地质数据，从构造与沉积、地温、热流、地球化学、地球物理响应、赋存类型、孔渗、力学强度、饱和度等9个方面，对比分析、总结了二者在分布规律与赋存特征上的差异性。研究结果表明：①陆上冻土区水合物主要赋存于中生代地层，以热成因气为主，受断层裂隙构造控制，具有较好的圈闭条件，其储层温度、地温梯度、热流、压力表现为“四低”特征，水合物多数分布在砂岩孔隙和泥页岩裂隙中；②陆上冻土区水合物测井响应总体显示“两高两低”特征（高电阻率、高波速、低自然伽马、低密度），储层岩石力学强度高，具有低孔隙度、低渗透率和低水合物饱和度特征；③海域水合物主要赋存于新生代第四纪地层，热成因或生物成因气皆有，受泥底辟、气烟囱、断层裂隙控制，无明显圈闭，其储层温度、地温梯度、热流和压力表现为“四高”特征；④海域水合物多数分布在富含有孔虫的黏土质粉砂和粉砂质黏土中，地震反射波显示明显的BSR特征，测井响应则总体表现为“两高”特征（高视电阻率、高波速），其储层沉积物力学强度低，具有高孔隙度、低渗透率和相对较高的水合物饱和度。结论认为：①海域是中国水合物富集的主要区域，后续应突破海域水合物甜点识别与评价技术，统筹考虑整个水合物油气系统的资源禀赋特征；②应重点攻关水合物储层精细表征技术和富集矿体—储层系统的精细刻画，加强海陆联合和全球比对研究。     

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。      

阵列声波测井资料在吐哈油田致密砂岩气层识别中的应用

吐哈盆地致密砂岩储层具有孔隙度低、渗透性差、孔隙结构复杂等特点,利用常规测井资料难以对储层含气性进行有效评价。以研究区致密砂岩声学特征实验为基础,分析岩样在饱含气状态、饱和水状态下纵波速度和横波速度等参数的变化规律,实验为利用阵列声波测井资料所提取纵、横波时差和常规测井资料计算地层的泊松比、体积压缩系数等参数进行气层识别提供了理论基础。通过储层岩心声学物理试验研究证明,地层在高含气饱和度情况下体积压缩系数和泊松比对含气饱和度变化较敏感;根据阵列声波测井资料计算得到的泊松比曲线和体积压缩系数曲线交会可以直观识别气层。给出的解释实例证实了在吐哈盆地致密砂岩储层利用泊松比与体积压缩系数交会法识别气层的实用性。     

渤海湾盆地渤南洼陷沙四段岩相的岩石力学性质差异

根据渤海湾盆地渤南洼陷沙四段低渗透油藏取心井资料，研究了其岩相类型，利用不同岩相常规三轴压缩实验分析资料，建立了静态岩石力学参数油藏围压条件的恢复图版，分析了不同岩相静态力学参数及应力-应变关系的差异性。渤南洼陷沙四段低渗透油藏可划分为粗粒砂岩相、细砂岩相、粉砂岩相、泥质砂岩相及碳酸盐质砂岩相5种岩相；同一岩相随着围压的不断增加杨氏模量变大，泊松比增加；随着岩相粒度变粗，存在杨氏模量增加、泊松比减小的整体趋势；粗粒砂岩相的泊松比不遵循整体趋势，较细粒砂岩相大，比粉砂岩相小；岩相粒度变粗，应力-应变关系越趋近线弹性，初始颗粒重排列塑性段变小，高应力塑性段变短。      

南海北部神狐海域W19井天然气水合物储层类型与特征

针对南海北部神狐海域天然气水合物储层物性研究不系统,储层评价标准不明确等问题,运用岩心观察、激光粒度测试、扫描电镜和XRD测试等方法,剖析了神狐海域W19井天然气水合物储层的岩性、物性特征,并对其天然气水合物储层进行分类和有效评价。研究结果表明：神狐海域W19井处于能量较低且相对稳定的沉积环境,不同储层类型的水合物赋存状态不同;根据W19井天然气水合物岩性、物性及天然气水合物赋存状态等特征,将神狐海域水合物储层分为有孔虫控制型、石英控制型及黏土控制型。该研究可为海洋天然气水合物储层的勘探提供地质依据及理论指导。     

天然气水合物储层物理模型

通过不同成矿模式下海底天然气水合物储层微结构的研究,分析了水合物储层各种微结构的特点,建立了接触胶结模式、颗粒包裹模式、骨架颗粒支撑模式、孔隙填充模式和掺杂模式等5种均质储层的微结构物理模型,定量分析了储层波速和泊松比随水合物饱和度的变化关系,得到了不同微结构下水合物储层力学性质的变化规律,并分析了各种微结构的力学机理。根据所建物理模型对不同成矿模式下水合物储层的微结构进行声波诊断和泊松比诊断,并通过模拟储层和真实储层的资料数据对以上诊断模式进行了验证。