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。     

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。     

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。     

天然气水合物力学特性的实验研究

天然气水合物（简称“水合物”）堵塞一直是油气管道实际生产运行中的多发问题,在堵塞前期的沉积阶段可以利用管内流体的冲刷作用在不停工的情况下对其进行治理,水合物的力学特性是实施该方法的重要理论支撑。为研究水合物的力学特性,利用水合物生成装置和力学测试装置开展了水合物破坏实验,记录了实验过程中的竖向载荷变化,并计算得到竖向压力数据。以反应时间、是否添加粉砂和粉砂粒径作为实验变量,研究了这3个实验变量对水合物力学性质的影响规律。结果表明,在本实验工况（压力为4 MPa,恒温水浴设为0.5℃维持1 h,后设为-2.0℃维持9 h）下测得的破坏水合物所需的竖向压力为0.48 MPa;随反应时间增加,破坏水合物所需的竖向压力有所提高。相比于不含粉砂的水合物,破坏含粉砂水合物需要更大的竖向压力（0.86～2.21 MPa）;粉砂粒径越大,粉砂与水合物粘结得越紧密,破坏水合物所需的竖向压力越大。     

天然气水合物新型动力学模型与实验研究

研发了一种由液态烃和表面活性剂组成的复合水合促进剂,通过天然气水合物实验平台对预期效果进行了验证。建立了复合促进剂作用下的水合物生成动力学模型,利用VB软件编程实现模型求解。将不同反应溶液和不同反应气体条件下得到的诱导时间计算值与实验结果及理论分析结果进行比较,吻合度较高,较准确地描述水合物生成的诱导过程。该模型的建立为天然气水合物储运技术的应用与发展提供了理论支持。     

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...     

PDC单齿切削破碎天然气水合物参数优选研究

我国南海天然气水合物藏采用固态流化开采技术进行开采时,首先遇到的问题是如何高效切削破碎天然气水合物。根据我国南海天然气水合物赋存条件,通过查阅文献选取了类似我国南海天然气水合物特性的本构关系。同时,基于非线性有限元分析ABAQUS软件平台,建立了钻头牙齿破碎天然气水合物的三维仿真模型,开发了钻头牙齿破碎天然气水合物的有限元仿真方法和程序。利用所开发的程序评价了PDC单齿切削破碎天然气水合物的破碎效果。研究结果表明,PDC齿的最佳前倾角为[17.5°,20.0°],切削深度在4 mm以上为宜,最合适的PDC齿倒角建议在[45.0°,52.5°]之间。所开发的程序和得出的结论可为天然气水合物钻头设计奠定基础。     

天然气水合物开采模型研究进展与展望

天然气水合物商业开采风险很大,需要进行科学的评价和预测,因此开采模型准确与否非常重要.对降压法及注热法开采天然气水合物模型研究进展进行了调研,认为耦合水合物分解动力学过程的多相渗流模型更适合用于评价和预测水合物的开采,但在流动参数、热流动参数、动力学及热力学参数模型化和流固耦合研究方面亟待进一步完善.     

基于IAO-PNN模型的天然气水合物生成条件预测研究

为降低流动保障中水合物堵塞导致的问题,收集天然气水合物生成实验数据,构造了概率神经网络（PNN）模型。通过自适应权重和双曲正切函数,对天鹰（AO）算法进行改进,实现了平滑参数的优化,最终建立了基于IAO-PNN的水合物生成条件预测模型。通过与热力学模型及机器学习模型进行比较,验证了算法的优越性。结果表明,AO算法改进后（IAO）,寻优精度和收敛速度明显优于AO、粒子群（PSO）和麻雀（SSA）等智能算法;IAO-PNN模型与实验数据的吻合性相对最高,适合二元体系、多元体系、酸性体系和醇盐体系中的水合物生成条件预测,且在高压环境下的预测效果良好;与热力学模型及机器学习模型相比,IAO-PNN模型在训练集上的均方根误差（RMSE）为0.6176、决定系数（R2）为0.9994,测试集上的RMSE为0.7624、R2为0.9991,表现出良好的泛化性能。通过现场验证,IAO-PNN模型适用性良好,可为现场解堵措施的制定提供参考。     

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。     

天然气水合物预测模型研究的进展

对当前水合物生成预测模型进行了较为详尽的描述.对水合物相的描述,大致可以分为2类,一类是热力学模型,它们大多是在Vdw-Platteeum模型基础上加以改进,其中Ballard和Sloan提出的模型考虑了水合物作为固体溶液的非理想性,使得该模型能够在高压情况下有较高的精度;另一类是Chen-Guo基于水合物生成动力学而提出的模型,它相对于前一种,具有结构简单,高压情况预测精度高的优点.对于富水相的描述,根据体系的差异分为4种情况分别进行了介绍,同时提出了未来水合物相平衡理论研究的重点.     

天然气水合物注热开采数学模型

根据热力学第一定律及天然气水合物分解机理，在合理假设基础上，建立了包括物质守恒方程、能量守恒方程、分解动力学方程及辅助方程的天然气水合物注热开采数学模型。对数学模型进行差分处理得到差分方程组，采用隐式求解压力、显式求解饱和度（IMPES）的方法，考虑天然气水合物分解的压力、温度平衡条件，对模型进行求解，据此编制了数值模拟器。数值模拟器很好地拟合了注热开采实验的产气速率和温度分布，验证了数学模型的有效性。数值模拟及注热开采实验分析表明，天然气水合物注热开采可分为自由气释放、水合物分解及边界效应3个阶段，水合物分解存在分解前缘，注入端一侧水合物大部分已经分解，出口端一侧水合物分解较少，饱和度较高。图5表1参11     

A new empirical correlation for prediction of gas hydrate dissociation equilibrium

Abstract

To prevent the plug of hydrate it is important to study the relationship between temperature and pressure at which hydrate form and dissociate. An empirical correlation was developed to predict the equilibrium condition to form the gas hydrate with and without presence of inhibitors. Overall 600 data points of equilibrium, to form gas hydrate have used to obtain the empirical correlation. The overall average absolute deviations are found to have good agreement with the experimental data. The present study may be helpful for further understanding the correlation of gas hydrate formation equilibrium condition.     

天然气水合物微钻实验台设计

为了更好地掌握天然气水合物钻井过程中温度、压力以及循环液对水合物分解抑制及诱发分解机理 ,设计了人工合成天然气水合物微钻实验台。该设备为科研人员在实验室内进行天然气水合物形成条件、模拟自然环境下的天然气水合物钻采以及钻井工艺实验研究提供了良好的实验基础。介绍了设备的主要组成、材料选择及各部件的主要工作机理、设备可适用的实验内容等。该设备将合成装置与微型钻台有机地结合在一起 ,对模拟实际钻井条件 ,进行天然气水合物的勘探和开发研究具有重要的实际意义和科学意义。     

非成岩弱胶结天然气水合物沉积物弹性力学参数的实验分析

海洋环境中的大部分天然气水合物(以下简称水合物)都存在于弱胶结沉积物中,原状取心难度大、成本高,因而不得不通过室内试验来了解水合物声学性质与弹性力学性质之间的关系。为此,通过室内制备水合物沉积物样品,并对其进行岩石物理实验,通过实验测得了水合物沉积物的岩电、声波参数,根据弹性理论计算出3种不同三轴压力、3种不同粒径骨架、3种不同泥质含量情况下的动态弹性力学参数,分析不同条件对水合物沉积物动态弹性力学参数的影响规律。研究结果表明:(1)在一定的水合物饱和度范围内,水合物的饱和度和沉积物的弹性参数呈现出一定的正比关系;(2)当水合物饱和度一定时,随着粒径(0.125～1.180mm)的变大、泥质含量的减少、轴压的增大,水合物沉积物的动态杨氏模量增大,而泊松比与轴压的关系则不大;(3)建立了弹性参数与泥质含量、轴压的关系模型。结论认为,利用声波测井方法分析水合物的动态弹性力学参数,可以解决水合物取心难、造价高、无法获取连续数据的问题;该研究成果为利用测井资料计算水合物沉积物的力学性质提供了借鉴和参考。     

输气管道天然气水合物段塞形成机理

针对现有的多数水合物预测模型无法描述输气管道水合物段塞形成过程这一问题,依据管道中气液分布特点,构建了描述输气管道中水合物生成状态的物理模型。以此为基础,借用传热学、多相流和相平衡理论建立了预测水合物段塞形成的数学模型。给出了定解条件,继而采用数值模拟方法对水合物段塞的形成过程进行了研究。结果表明,模型可以成功预测段塞的形成位置、形态及变化过程;气流量、绝热层的厚度和导热系数对初始状态下水合物生成区域会产生明显的影响,而且随着气流量的增加,气芯的携液能力增强,液膜厚度减小;水合物段塞形成过程中引起管线压降增大、温度降低、气芯携液能力增强、液膜厚度减小等一系列参数的变化,这些变化又可以作用于段塞使其进一步生成。     

基于等效介质理论的天然气水合物岩石物理建模方法

地震岩石物理建模是将地震信息(地球物理观测值)定量转化为物性信息的桥梁,合理的水合物岩石物理模型可为开展水合物地层地震响应特征分析、饱和度预测、叠前地震反演提供理论基础,但水合物微观赋存方式存在多样性,它既可以作为骨架,又可以作为孔隙填充物存在于地层中,因而具有不确定性.为此,基于等效介质理论,在考虑水合物剪切性质的同...     

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。