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...     

含甲烷水合物的石英砂渗透率实验和分形模型对比研究

含水合物的多孔介质渗透率是影响水合物开采的关键参数,多孔介质渗透率与水合物的饱和度密切相关。定量研究多孔介质渗透率随水合物饱和度的变化,对自然界中天然气水合物藏内渗流场的研究具有重要的理论价值。本文以平均粒径为139.612 μm的石英砂为多孔介质,采用稳态注水法测量在不同甲烷水合物饱和度（0 ~ 28.56%）下的石英砂渗透率,将实验数据与两种不同水合物赋存形式（颗粒包裹、孔隙填充）下的石英砂渗透率二维分形模型进行了对比。结果表明,石英砂渗透率比K_r随甲烷水合物饱和度S_h的增大呈现指数减小的趋势。当水合物饱和度低于11.83%时,渗透率比下降缓慢。而当水合物饱和度高于11.83%时,渗透率比下降迅速;当饱和度指数n = 12时,渗透率分形模型与实验数据吻合良好。通过分形模型与实验数据对比,发现当水合物饱和度低于11.83%时,甲烷水合物的赋存形式为颗粒包裹型。在11.83% ~ 28.56%水合物饱和度范围内,甲烷水合物的赋存形式为孔隙填充型。本研究成果量化了石英砂渗透率与甲烷水合物饱和度的关系,确定了含甲烷水合物的石英砂的渗透率分形模型的参数取值。     

BSR与CSEM识别天然气水合物的优缺点对比

天然气水合物是一种分布广泛的新型清洁能源,是目前能源勘探界的研究热点之一。提升天然气水合物勘探技术以探测天然气水合物分布和进行资源量估算,对我国天然气水合物的开采和利用至关重要。本文对比总结了似海底反射（BSR）和海洋可控源电磁法（CSEM）识别天然气水合物的优势与局限性。结果表明,BSR是目前识别海洋天然气水合物的一种常用且重要的方法,但BSR与天然气水合物的存在并非一一对应,难以准确估算天然气水合物饱和度和资源量。海洋CSEM能相对准确地识别天然气水合物,并可通过获取储层电阻率估算天然气水合物饱和度和储量。两者的结合将有效提高天然气水合物的钻探成功率、降低勘探风险和节约勘探成本。     

祁连山冻土区天然气水合物形成对岩芯电阻率及介电常数的影响

选取祁连山天然气水合物钻探区DK-8井岩心样品中的砂岩,利用模拟气合成含天然气水合物砂岩样品,并进行电阻率及介电常数研究。砂岩样品在天然气水合物形成后电阻率明显增大。在温度震荡过程中,电阻率测量能检测到水合物或冰的二次形成。在天然气水合物形成过程中,体系的介电常数变化规律复杂,在1 kHz ~ 100 kHz频段内,含水合物岩石的介电常数存在频散特性,频率高于100 kHz,频散特性变弱。从介电常数的实验结果来看,基于介电常数的电法勘探技术可用来定性分析含水合物储层,但很难定量研究储层的水合物饱和度。     

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。     

南海北部陆坡天然气水合物研究进展

综合调查已揭示了一系列显示南海北部陆坡存在天然气水合物的地质、地球物理和地球化学指标。结果表明两类天然气水合物系统即低通量扩散型水合物和高通量渗漏型水合物共存于南海北部陆坡,特别是东沙海域和神狐海域。天然气水合物钻探航次获得的资料为进一步理解神狐海域和东沙海域的天然气水合物系统提供了基础。钻探结果证明强似海底反射往往与低饱和度的含天然气水合物沉积物薄层联系在一起;高饱和度的天然气水合物一般不需要与地震剖面上识别的似海底反射对应,而与气体渗漏和断裂构造等特征相关。地球化学资料显示神狐海域和东沙海域的天然气水合物气源主要为微生物成因气。神狐海域钻探证实的天然气水合物分布区具有160亿立方米的甲烷地质储量,在目前天然气水合物开采技术和工艺条件下,开采具有较大困难,有待于开发更为先进的技术。随钻测井资料显示东沙海域浅部存在中等-高饱和度水合物,而深部水合物稳定带底界上方存在低饱和度天然气水合物。南海北部陆坡天然气水合物有待于深入探究其赋存状态、饱和度、储层特性和资源前景。     

天然气水合物开采的关键地质参数敏感性研究

采用TOUGH+HYDRATE数值模拟工具,探讨降压开采方案下天然气水合物藏（无下伏游离气水层）开采的地质参数。以单次单因子敏感性分析方法为基础,在统一变化幅度范围内研究某一储层参数（温度、压力、孔隙度、渗透率、水合物饱和度、地层厚度）的变化在60天短期与5年长期开采中对水合物开采结果的定性影响关系,并以变量敏感度为依据,定量计算储层地质参数对水合物开采评价指标的敏感度值。结果发现,在整个开采周期内,储层温度与分解气体量及产气量之间有较强的相关性;当水合物储层压力增大时,水合物分解气体体积随之减小,而在60天开采中,储层压力增大使得产气量增大,在5年开采中,储层压力的变化对产气量基本无影响,另外,储层压力与产水量之间呈线性增加的关系;水合物总分解气体量、总产气量与孔隙度之间呈负相关关系,但对产气量的变化影响相对较小;渗透率对水合物开采有明显的影响;水合物前期分解气体体积与产水量随水合物饱和度的增大而减小;在60天开采中,水合物厚度越大反而不利于水合物分解,但5年开采中,地层厚度增大,水合物分解量增大。另外,通过对地质参数敏感度计算发现,无论是以哪一开采指标作为水合物开采潜力的评价标准,水合物地层温度、地层压力以及绝对渗透率是三个至关重要的地质参数。     

天然气水合物储层渗透率研究进展

天然气水合物是清洁、高效、储量巨大的未来最具潜力资源之一,而储层的渗透率是影响水合物资源开采时产气效率的重要参数。目前,国内外对天然气水合物储层的渗透率进行了大量的研究并取得一定进展,本文从数值模拟、储层现场探井、实验研究等方面全面回溯,分析总结了孔隙度、饱和度、应力应变情况等对储层渗透率的影响,讨论目前储层渗透率研究存在人工合成水合物沉积物与自然储层存在差异,不同多孔介质形成的水合物沉积物应力敏感性不同,多相渗流研究不够充分,储层渗透率改造研究不足等问题,对未来的研究方向提出了展望。     

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...     

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。     

Experimental study on dynamic acoustic characteristics of natural gas hydrate sediments at different depths

Acoustic properties are important geophysical parameters, compared to resistivity, pore water and other parameters that need to be obtained through drilling, the acoustic wave velocity of hydrate deposits is much easier to obtain. Therefore, the study of acoustic characteristics of hydrate reservoir is the basis for geophysical exploration and resource evaluation for hydrates. In this study, an experimental apparatus was developed to measure dynamic P- and S-wave velocity of gas hydrate bearing sediment. The effect of sensitivity factors including hydrate saturation, confining pressure, and reservoir solid phase particle size on the acoustic characteristics of hydrate reservoir were explored. The experimental results showed that the longitudinal and transverse wave velocities of natural gas hydrate rock samples correlated positively with hydrate saturation and confining pressure and the particle size of the solid phase exhibited little effect on the vertical and horizontal wave velocity of the gas hydrate reservoir. The results of this study indicated that the compression factor of different rock samples is the main factor affecting the vertical and horizontal wave velocity of the reservoir through mechanical experiments. At the same time, acoustic experiments and computed tomography results revealed the existence of different contact modes between natural gas hydrate and sediment particles under different saturations. Furthermore, the possibility of detecting the microscopic distribution of hydrates in sediments by acoustic waves was verified. The data can be used in well logging to determine hydrate saturation and other properties of hydrate bearing formations.     

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。     

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。     

Shear strength and pore pressure characteristics of methane hydrate-bearing soil under undrained condition

Hydrate exploitation requires a deep understanding on the mechanical behavior of methane hydrate-bearing sediment (MHBS). Due to the low permeability of overlying strata, partial MHBS likely exhibit failure behavior under undrained condition. Therefore, it is essential to understand the undrained shear strength and excess pore pressure behavior of MHBS for facilitating the evaluation of the stability of hydrate-bearing layer during methane hydrate recovery. This study conducted several undrained triaxial compression and hydrate dissociation tests on methane hydrate-bearing sand specimen to analyze the shear strength and excess pore pressure characteristics of MHBS under undrained condition. The experimental result shows that hydrate saturation and initial effective confining pressure significantly affect the undrained mechanical behavior of MHBS. Hydrate saturation increases the shear strength and negative excess pore pressure. High initial effective confining pressure also enhances the shear strength but suppressed the negative excess pore pressure. Hydrate saturation has a minimal effect on the undrained internal friction angle but remarkably enhances the undrained cohesion. The effective internal friction angle and cohesion exhibits an increase with the increase in hydrate saturation. Notably, completely different from the common soil, the effective undrained strength indexes are not equivalent to the drained strength indexes for MHBS, which should be careful in evaluating the stability of methane hydrate-bearing layer. In addition, the hydrate dissociation test by thermal stimulation method concludes that hydrate dissociation induces the positive excess pore pressure, axial compression, and volume expansion under undrained condition. The large deviatoric stress enhances volume expansion of MHBS but hinders the generation in excess pore pressure during hydrate dissociation. These findings significantly contribute to the safe exploitation process of methane hydrate.     

Gas production from different classes of methane hydrate deposits by the depressurization method

There are four primary classes of natural gas hydrate deposits in natural world. The differences between them are in the distribution of the methane hydrate, free gas, and free water layers. A reactor which the height was 120 mm and the inner diameter was 103 mm was used in hydrate formation and dissociation, and 17 thermocouples measured the distribution of temperature during the mining process. Different experimental means were applied to simulate three classes of methane hydrate deposits, in which water and glass beads filled in different orders. The hydrate samples were dissociated by depressurization, and the results showed no need to test a backpressure greater than 94% of the equilibrium pressure of methane hydrate. Class 1 sample's methane hydrate decomposition rate was slower than that of class 3 sample at the beginning of depressurization when backpressure was 2.3 and 2.6 MPa, but then, the opposite happened. The average dissociation rate decreased nearly linearly with the increase in backpressure for the class 1 samples.