天然气水合物沉积物分解过程中本构关系研究

天然气水合物具有储量大、分布广泛、清洁燃烧等优点,近年来受到研究人员的广泛关注。为了实现天然气水合物资源的安全高效开采,对其沉积层的力学稳定性进行系统评估是十分必要的。本研究在实验室内重塑了40%孔隙度的天然气水合物沉积物试样,并基于力学实验设备,对其在不同围压条件下分解过程中的力学强度及变形进行了一系列测试,获取了相应的应力应变数据。研究结果表明,水合物分解会造成沉积层强度的降低。此外,基于实验数据,在借鉴土力学邓肯-张本构模型的基础上,考虑了围压及分解时间对沉积物力学特性的影响,本文构建了适用于不同围压条件下天然气水合物沉积物分解过程中的本构模型,研究结果表明,该模型可以较好地模拟沉积物试样在分解过程中的应力应变关系,可为实现天然气水合物的安全开采提供一定的理论依据。     

水合物沉积物三轴试验存在的关键问题分析

三轴剪切试验是获得含水合物沉积物强度参数最有效的途径之一。目前国内研究者从不同的角度进行了大量研究,在某些关键科学问题上形成了共识,但仍存在诸多科学问题需要业内同仁共同探讨。本文在充分调研国内外含水合物沉积物三轴力学测试成果的基础上指出：由于缺乏统一的测试标准和规范,目前国内含水合物沉积物三轴剪切试验仍存在不同研究成果横向可比较性差、经验模型通用性不足、测试结果与现场实际差距大等关键科学问题;制样方法、粒度分布规律、沉积物本身固结程度、试验温度、剪切速率、气体类型、饱和度测量方法、试样尺寸等的差异是造成上述问题的关键因素。为了增强研究成果的指导意义,笔者建议各研究者在发表研究成果的同时公布详细的测试方法和测试条件,通过建立统一的行业标准来促进含水合物沉积物三轴剪切试验的发展,从而为水合物资源的安全高效开采提供科学依据。     

基于宽频复电阻率的含黏土沉积物中水合物饱和度计算方法

天然气水合物沉积物中的黏土成分显著影响沉积物的电学特性以及水合物饱和度的计算模型。以自主设计开发的复电阻率参数测量装置为实验平台,在20 Hz ~ 100 kHz频率范围内测试了黏土条件下含水合物海沙体系的复电阻率,分析了复电阻率的频散特性、黏土影响以及主导的电极化机制,利用泥质修正Archie公式建立了基于宽频复电阻率的水合物饱和度计算模型。研究结果表明：（1）含水合物海沙体系的复电阻率呈现出显著的频散特性,双电层极化和界面极化分别是20 Hz ~ 1 kHz和1 ~ 100 kHz频段主导的极化机制;（2）黏土颗粒表面的双电层发生形变增强了含水合物沉积物双电层极化作用,提高了复电阻率相角和虚部的绝对值;（3）在20 Hz ~ 100 kHz频率范围内泥质修正Archie公式岩性系数较为稳定,而胶结指数和饱和度指数与测试频率之间的关系在20 Hz ~ 1 kHz和1 ~ 100 kHz频段差异显著,因此应分频段建立水合物饱和度计算模型。本研究为探讨含水合物沉积物的低频电学特性和建立含黏土沉积物中水合物饱和度计算模型提供了新的途径。     

天然气水合物沉积物颗粒影响实验CSCD

通过利用SHW-Ⅲ型水合物岩样声电力学测试装置,以石英砂和棕刚玉作为赋存介质,开展了60%、80%孔隙饱和度下不同颗粒对天然气水合物沉积物基础物性(声波波速、动态力学参数、胶结强度)影响的实验研究。得到纵波波速范围3542.6~4383.7 m/s,横波波速范围2163.9~2572.1 m/s,动态力学参数杨氏模量范围21.995~40.731 GPa,泊松比范围0.156~0.237等实验数据。当前实验条件下研究结果表明:不同颗粒类型、不同颗粒粒径作为天然气水合物沉积物骨架,最终形成的水合物沉积物电阻值相差不大;同一种颗粒粒径下的沉积物孔隙饱和度越高,声波传播速度越快,而相同类型的沉积物声波传播速度随其颗粒粒径的减小而增加;得到适用于60%、80%孔隙饱和度下一定颗粒粒径范围(0.42~1.8 mm)的以石英砂作为赋存介质时合成的天然气水合物沉积物声波波速拟合公式。通过压缩实验发现:天然气水合物沉积物的抗胶结程度随着沉积物颗粒粒径的减小而增强,随着孔隙饱和度的减小而下降。     

基于TDR双参数的沉积物中水合物饱和度测量

针对沉积物中水合物饱和度的测量问题,立足于时域反射技术（TDR）能够同时获得含水合物沉积物表观介电常数和电导率的优点,提出了一种基于介电常数/电导率双参数的水合物饱和度评价新方法。在分析介电常数和电导率测量原理的基础上,设计了四氢呋喃（THF）水合物模拟实验与参数测量系统以及实验方案;基于TDR测量响应分析了孔隙水电导率对水饱和的以及含水合物的模拟沉积物介电常数和电导率的影响;利用TDR获取的不同水合物饱和度条件下的介电常数测量数据对比分析了经典介电常数模型的性能,并以Lichteneker-Rother（LR）模型为原型建立了水合物饱和度与介电常数之间的关系模型,以阿尔奇公式为原型建立了基于TDR测量电导率的水合物饱和度计算模型。研究结果表明：采用LR模型和Maxwell-DeLoor模型能够较准确地描述TDR测量表观介电常数与水合物饱和度之间的关系;基于表观介电常数/电导率双参数的水合物饱和度联合评价方法为提高评价结果的准确度和可靠性提供了新途径。将来需要结合水合物储层实际特征开展模拟实验并进一步完善饱和度计算模型,将基于TDR双参数的饱和度联合评价方法推广应用到含天然气水合物沉积物。     

含水合物沉积物力学-声学联合试验设备的开发和初步应用

为开展天然气水合物沉积物力学、声学特性的试验研究，对高压-温控三轴试验设备的管道线路进行重新规划，并引入GCTS超声波测试系统。为了检验仪器性能，利用福建标准砂和甲烷气体制备不同水合物饱和度的沉积物试样，开展不同有效围压下的三轴排水剪切试验。结果表明：设备能稳定制备含水合物试样并进行力学试验，试验全过程可实时测试试样的压缩波速和剪切波速；波速变化与试样内部密实度、颗粒分布的变化等密切相关，可反映试样体积的变化及剪切初期的剪胀特性；通过固结后的波速计算试样的泊松比，在0.16～0.31之间。     

含甲烷水合物沉积物电–声响应特性联合探测：装置开发与实验研究

为了满足开展天然气水合物模拟实验、测试电学和声学特性参数以及建立特性参数与含水合物饱和度之间关系的需求，开发了一套电–声响应特性联合探测实验装置，以海沙模拟松散沉积物开展了甲烷水合物生成和分解模拟实验，联合探测了电学和声学参数，分析了被测体系的电学和声学响应特性。研究表明：（1）通过电–声响应联合探测实验装置能够同步获取宽频率范围电学阻抗谱和超声波接收信号波形；（2）通过设计电声复合传感器及其阵列式排布方式和“分时轮流”工作模式能够获取电学和声学参数的空间分布信息；（3）基于所提出的波动百分比和相关系数指标对不同频率阻抗模值进行评价所获得的100 kHz阻抗模值随含水合物饱和度的增加先减小后增大，经过有效压力校正后的超声波接收信号波动幅度值随含水合物饱和度的增加而升高；（4）上述两者分别可以作为分析和建立与含水合物饱和度之间关系的电学和声学有效特征参数。所开发的实验装置为将来开展含水合物复杂沉积物的模拟实验与测试工作提供了必要条件，所得到的电学和声学有效特征参数为含水合物饱和度计算模型的建立奠定了基础。     

基于卸围压试验的砂岩卸荷本构模型及其应用

鉴于岩体本构模型受岩样应力路径、加卸载状态等因素的影响,为研究卸荷条件下砂岩的本构模型,采用RMT-150C岩石力学试验系统对宜昌砂岩岩样进行了升轴压峰前卸围压、轴压和围压等量减小两种应力路径下的卸围压试验。结果表明,卸荷应力路径不同时,卸荷变形阶段的应力—应变曲线形态有很大差异,但岩样变形模量随围压降低而劣化的规律一致;岩样卸荷破坏强度特征可用Hoek-Brown准则拟合。由此推导出增量形式的卸荷弹脆塑型本构模型,并以算例分析验证了该模型的正确性。     

“CH4-CO2”置换法开采天然气水合物

天然气水合物作为一种储量巨大的清洁能源,其开采价值已引起越来越多的关注。当前天然气水合物开采技术仍不足以商业化应用,还需进一步的实验研究进行理论支撑。二氧化碳置换开采天然气水合物被认为是能同时实现天然气水合物开采与二氧化碳减排、封存的双赢技术,近年来得到了较广泛的研究。置换过程中,混合天然气水合物的热力学和结构性质是预测含水合物沉积物中的热流和水合物解离所需的热量以及评估水合物储层的CO₂储存能力的关键因素。本综述在调研国内外天然气水合物开采技术研究现状的基础上,围绕CO₂置换开采天然气水合物的热力学特性、微观机理与置换效率等,总结了各研究取得的成果,针对置换研究中存在的问题进行了分析,认为当前置换法开采天然气水合物最关键难点在于提高置换效率,而解决该问题的根本在于从热力学和动力学角度弄清楚置换反应的微观机理及控制性因素,明确置换机理,从而在未来的研究有的放矢。     

基于电-力-声多物理场耦合数值模型的含水合物多孔介质声速和衰减特性研究

在物理模拟实验中对水合物微观赋存模式和饱和度进行准确控制和评价尚存在技术困难,仅依赖实验技术研究含水合物沉积物声学特性、建立储层参数解释模型存在局限性。采用基于有限元的数字岩石物理技术,针对悬浮、接触和胶结三种典型的水合物微观赋存模式分别建立多孔介质的三维电-力-声多物理场耦合模型,考察了微观赋存模式和水合物饱和度对多孔介质声速和衰减的影响规律,对比了声速数值模拟与理论模型计算结果,建立了声波衰减参数与水合物饱和度之间的关系式。研究结果表明：（1）对于三种水合物赋存模式,由于水合物相比孔隙水具有更高的弹性模量,多孔介质的声速随着水合物饱和度的增大而增大;水合物的存在导致声波在传播过程中遇到更多不连续的声阻抗界面,声衰减随着水合物饱和度的增大而近似线性增大;（2）悬浮和接触赋存模式条件下,水合物饱和度对多孔介质的声速和衰减影响规律基本一致;对于相同的水合物饱和度,胶结模式条件下含水合物多孔介质具有更高的声速和更小的声衰减;（3）通过合理选择参数值,利用权重方程与Lee改进的Biot-Gassmann Theory(BGTL)模型估算的含悬浮和接触模式水合物多孔介质的声速较为准确;通过等效...     

Mechanical experiments and constitutive model of natural gas hydrate reservoirs

Natural gas hydrate is a new type of green energy resources and has great development prospects, and it has attracted worldwide attentions. The exploitation of natural gas hydrate may result in a series of geological disasters. Therefore, the constitutive model of natural gas hydrate bearing sediments needs to be established to reveal deformation laws of the reservoir sediments and accurately evaluate mechanical properties of hydrate reservoirs. This is the basic guarantees for the effective exploitation of natural gas hydrate resources. The triaxial compressive tests were conducted on samples of natural gas hydrate sediment. Furthermore, the Duncan-Chang hyperbolic model was modified by considering the influences of hydrate saturation based on the test results to obtain the constitutive model according with the deformation characteristics of natural gas hydrate reservoirs. The results show that the stress-strain curves of natural gas hydrate reservoirs show unobvious compaction stage and peak strength, short elastic stage, long yield stage, and significant strain hardening characteristics. After applying loads on natural gas hydrate bearing sediments, the internal solid particles were dislocated and slid. When the loads were small, the sediments demonstrated elastic deformation. With the increase of loads, plastic flows appeared in the interior, and the hydrate crystals were re-orientated, thus the sediments showing plastic deformation. Initial tangent elastic modulus increased with the effective confining pressures, which had little correlations with hydrate saturation. Furthermore, the damage ratio increases with the increase of effective confining pressures, while slightly decreases with the increase of natural gas hydrate saturation. The predicted results of stress-strain curves of sediments with different hydrate saturations well coincide with the results of triaxial compressive tests, indicting the feasibility and rationality of this model.     

A state-dependent subloading constitutive model with unified hardening function for gas hydrate-bearing sediments

Natural gas hydrate in ocean sediments and permafrost areas may become a significant potential energy resource. Since the hydrate dissociation may affect the stability of production wells and even lead to geological hazards, it is essential to study the mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments (GHBS) for the efficient and safe extraction of gas hydrate. This study presents an extended subloading Modified Cam-Clay model for clayey-silty and sandy GHBS. The state-dependent unified hardening function and equivalent skeleton void ratio are newly introduced to consider the coupled effects of stress level, void ratio, dilatancy, and hydrate saturation on the mechanical behavior of GHBS. Based on the theory of hyperelasticity, an elastic constitutive relation accounting for the influences of cementation caused by hydrate formation and sediment structure change caused by hydrate dissociation is established by using a stiffness evolution function related to hydrate saturation. The bonding and debonding law of strength reflecting the hydrate cementation and its degradation are used. The model is applied to simulate different triaxial tests of GHBS, and its performance in predicting the isotropic compression, strain hardening and softening, shear contraction and dilation, and collapse induced by hydrate dissociation is investigated.     

Modeling the mechanical response of gas hydrate reservoirs in triaxial stress space

Exploitation of gas from deep-sea methane hydrate-bearing layers might lead to some geological disasters, including marine landslides and excessive settlement of marine ground. The first offshore gas production tests for methane hydrate-bearing sediments were carried out in eastern Nankai Trough. However, knowledge on mechanical behavior of gas hydrate reservoirs with similar gradation and minerology component to the marine sediment is still insufficient. Consequently, proper modeling of geomechanical properties of methane hydrate-bearing sediments is crucial for reservoir simulation and deep ocean ground stability analysis for long-term gas production in the future. This study conducted a series of triaxial shear tests to examine the shear response of methane hydrate-bearing sediments with a similar grading curve and minerology components to the hydrate-rich sediments in Nankai Trough. The test results demonstrated that the presence of hydrate mass between sand grains altered the stress-strain pattern from strain-hardening to postpeak strain-softening. A simple constitutive model based on several empirical relationships of granular materials is proposed to describe the stress-strain relationship of methane hydrate-bearing sediments under triaxial stress condition. This model can reproduce the enhancement of shear strength, initial stiffness, and dilation behavior of methane hydrate-bearing sediments containing different amounts of fines content with a rise in the methane hydrate saturation at a wide range of effective confining pressures. The numerical results indicate that the parameter A associated with initial stiffness of stress-strain curve and the parameter $\text{α}$ related with dilation properties are jointly governed by the confining pressure, fines content, and hydrate saturation.     

海底天然气水合物地层钻井潜在风险及控制措施

天然气水合物是一种清洁高效能源,其广泛分布于大陆永久冻土带和海洋环境中,其中海洋环境又以海洋大陆斜坡和深海盆地为主。对海底天然气水合物地层进行钻井是研究海底天然气水合物及获得海底地层油气资源最直接的手段之一,但海底天然气水合物地层地质环境复杂,钻井面临诸多风险。本文通过综合分析海底天然气水合物地层的储层特性,探讨了海底地层中天然气水合物分解与再形成对钻井工程的影响、可能诱发的地质灾害及环境效应,并提出了相应的应对措施,以期为我国海底天然气水合物地层钻井提供参考。     

海洋天然气水合物地层钻井安全问题研究进展

由于天然气水合物的特性及海底天然气水合物地层地质环境的复杂性,在海洋天然气水合物地层进行钻井作业时会面临诸多的安全问题。目前科研工作者主要通过实地钻井项目、实验研究及数值模拟的方式对海洋天然气水合物地层钻井安全问题展开研究。本文基于对国内外海洋天然气水合物钻井安全问题研究的广泛调研,针对海洋天然气水合物地层钻井面临的主要安全问题及其最新的研究进展进行了讨论和总结。同时,分析了海洋天然气水合物地层钻井安全问题研究目前存在的问题以及未来研究的重点方向。     

Analysis of physical properties of gas hydrate-bearing unconsolidated sediment samples from the ultra-deepwater area in the South China Sea

Marine natural gas hydrate has recently attracted global attention as a potential new clean energy source. Laboratory measurements of various physical properties of gas hydrate-bearing marine sediments can provide valuable information for developing efficient and safe extraction technology of natural gas hydrates. This study presents comprehensive measurement results and analysis of drilled hydrate-bearing sediments samples recovered from Qiongdongnan Basin in the South China Sea. The results show that the gas hydrate in the core samples is mainly methane hydrate with a methane content of approximately 95%, and the other components are ethane and carbon dioxide. The saturation of the samples fluctuates from 2%–60%, the porosity is approximately 38%–43%, and the water content is approximately 30%–50%, which indicate that high water saturation means that timely drainage should be paid attention to during hydrate extraction. In addition, the median diameter of the sediment samples is mainly distributed in the range of 15 to 34 μm, and attention should be paid to the prevention and control of sand production in the mining process. Moreover, the thermal conductivity is distributed in the range of 0.75 to 0.96 W/(m∙K) as measured by the flat plate heat source method. The relatively low thermal conductivity of hydrates at this study site indicates that a combined approach is encouraged for natural gas production technologies. It is also found that clay flakes and fine particles are attached to the surface of large particles in large numbers. Such characteristics will lead to insufficient permeability during the production process.     

含水合物沉积物的渗透率实验研究

天然气水合物储层的渗透率是影响水合物开采时气、水运移的关键,也是水合物开采潜力评价、资源评价、开采工艺选择等需要了解的关键参数.目前,国内外学者对天然气水合物储层的渗透率进行了一定的研究并有了初步认识.但是,对于围压、轴向压力、水合物饱和度、赋存模式等对水合物沉积物渗透率的影响机制和机理还不清楚.本文在自主设计的水合物...     

天然气水合物的研究及利用

介绍了水合物的形成和抑制机理，以及多种预测水合物形成条件的模型；分析了用水合物储存和运输天然气面临的问题，各种水合物促进剂的作用机理以及对水合物生成速度、储气密度的影响；叙述了开采、利用天然气水合物资源的研究进展和一种将水合物转化成液体燃料的方法。     

天然气水合物储层水力压裂研究进展

天然气水合物是一种广泛分布于海底地层中重要的未来战略能源,但在开采过程中,由于水合物储层介质颗粒粒径较小,孔隙多被固态水合物占据,储层渗透率低,制约着天然气水合物开采的产业化进程。当今水力压裂技术已广泛应用于低渗透油气藏的增产作业中,本文总结了近年来国内外对天然气水合物储层应用水力压裂技术的研究现状,从压裂实验、数值模拟和压裂液等方面进行了讨论。结果表明,水力压裂可以创造人工裂缝,扩大水合物解离面积,提高储层渗透率和天然气产量,有利于商业开发。储层的脆性响应问题、开发新型压裂液以及压裂对水合物储层地质安全的影响,都是水合物储层水力压裂研究亟待解决的问题。