南海神狐海域水合物对岩心电阻率的影响

研究南海神狐海域天然气水合物的电学特性,对资源量的估算具有重要意义。选取南海神狐海域SH7B站位岩心样品,采用高过冷度和冰点以下温度震荡等方式,合成含天然气水合物的岩心样品,实验研究含天然气水合物海底沉积物的电学特性。甲烷在3.6℃形成天然气水合物时,岩心样品电阻率从1.220Ω·m(水饱和状态)增加至2.150Ω·m(水合物饱和度S_h为37.7%);当S_h≤18.0%时,样品电阻率变化明显,水合物开始胶结于沉积物颗粒;当18.0%S_h≤25.0%时,电阻率变化较平缓,水合物可能以接触模式存在于沉积物孔隙;当S_h25.0%时,大量的水合物可能胶结于沉积物孔隙,以致电阻率增加较快。最终甲烷气体难以扩散至被水合物封闭的孔隙流体中,电阻率趋于稳定。     

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。     

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。     

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。     

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。     

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。     

天然气水合物成藏条件与富集控制因素

天然气水合物是由烃类气体(主要是甲烷)和水在一定温度、压力条件下形成的一种固态似冰状笼形化合物。与常规油气藏系统不同,天然气水合物成藏的关键因素主要包括天然气水合物稳定条件、水源条件、气源条件、流体运移条件和储集空间条件。天然气水合物的成藏要素决定了天然气水合物稳定带内天然气水合物的产出既非连续也非随机,不同地质背景下的天然气水合物有着不同的分布范围和地质特征。天然气水合物成藏特征和富集控制因素体现在以下几方面:天然气水合物形成与分布受温度和压力条件控制,在天然气水合物稳定带内动态成藏;天然气水合物主要赋存在晚中新世以来松散沉积物中,埋藏深度较浅,通常位于海底0~500m;天然气水合物资源丰度普遍较低,大面积分布、局部富集,存在"甜点"核心区;天然气水合物形成气兼具微生物成因和热成因特征,天然气水合物规模化成藏富集有赖于流体运移;天然气水合物以固态形式赋存,生长和赋存模式多样,存在构造型、地层型和复合型天然气水合物藏。     

日本南海海槽东部天然气水合物产出与富集特征

根据日本南海海槽东部天然气水合物钻探与综合大洋钻探计划研究成果,分析总结了该区天然气水合物形成的地质背景与赋存特征。南海海槽区作为构造活动强烈的会聚式大陆边缘,大型增生楔与断裂系统十分发育,富含重力流沉积物。特别是该海槽北部向陆斜坡水深2 000 m以浅海域,发育一系列弧前盆地,盆地内第四系未固结沉积物广泛分布,沉积速率较高,为水合物的形成提供了良好的环境。水合物钻探取心分析揭示,南海海槽东部天然气水合物为Ⅰ型结构,水合物分解气中甲烷组分占比普遍高达99.9%以上,甲烷碳同位素分析显示为典型的生物成因气。水合物主要以孔隙填充型产出,优先选择在富砂层中富集,富砂层段水合物饱和度一般为50%~60%,可高达80%~90%,泥质层中水合物饱和度极低。     

南海沉积物中天然气水合物饱和度与声学特性的关系

中国南海蕴藏丰富的天然气水合物（气水合物）资源,研究其赋存区沉积物中气水合物的声学响应特征,对南海气水合物的调查和资源估算具有重要意义。利用新型弯曲元探测技术和套管型时域反射技术（TDR）,采用模拟实验手段研究了南海神狐海域沉积物中气水合物形成的声学响应特征,发现在气水合物饱和度（S_h）为0~14% 时,声波信号随气水合物形成而逐渐减弱,而当S_h>14% 后,声波信号渐渐增强;气水合物形成过程中,纵、横波速度（v_p、v_s）随S_h的增加而增大,且v_s在S_h>14% 后增长速度加快。这些现象表明,气水合物在南海沉积物中可能先在孔隙流体中以微粒子的状态生成,对声波造成了较大的散射衰减,导致声波信号变弱,但对剪切模量的贡献不明显;当S_h高于14% 后,微粒子数量的增多使气水合物聚集,并与沉积物颗粒接触,从而加快了v_s的增长。     

海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究进展

对国内外有关海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律方面的研究进行了详细调研,得到如下结论:天然气水合物的生成和分解条件在海底沉积物中与在井筒、管道中有明显不同,其主要原因是多孔介质中流体与孔隙壁面间的界面效应对海底沉积物中天然气水合物的形成条件会产生明显影响;在海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的数值模拟技术研究方面,研究者大都假设以天然气水合物作为盖层的成藏类型,借助常规油气藏数值模拟技术进行模拟研究;影响海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的因素很多,因此海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究必须借助试验模拟、数值模拟和现场测试相结合的综合方式进行。该调研成果可为今后天然气水合物经济有效开采技术方案选择和进行天然气水合物危害控制等提供参考。     

基于热弹性理论的天然气水合物和游离气饱和度估算

目前大多通过双相介质理论的纵波速度来估计水合物和游离气的饱和度.含水合物的地层具有低导热和高纵波速度等特性,以热弹性理论为基础,建立天然气水合物和游离气饱和度与纵波速度之间的关系,就可以估算出天然气水合物和游离气的饱和度.首先给出了热弹性理论估算水合物和游离气饱和度的方法;然后利用ODP164航次实际地震资料估算了布莱克海台地区的水合物和游离气的饱和度.纵波速度通过约束宽带反演方法得到,天然气水合物和游离气饱和度的估算采用迭代正演模拟法.同时,对影响饱和度的因素进行了分析,认为地层孔隙度是影响水合物和游离气饱和度的关键因素.对水合物而言,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏高;反之,饱和度偏低.对游离气来说,若假定的地层孔隙度比实际孔隙度高,则反演得到的饱和度就偏低;反之则偏高.     

南海天然气水合物的形成条件和分布特征

从物理海洋、古气候、沉积环境和构造环境分析入手,研究了南海天然气水合物的形成条件。研究结果认为,在整个南海海域,天然气水合物生成的条件是存在差别的。南海东北部,在氧同位素2、4、6期,由于菲律宾海的高盐度海水的注入,使这里的生物生产率特别高,陆坡上沉积了丰富的有机物质,加上此期间该处的沉积速率高,为天然水合物的生成具备了物质条件;另外,自中新世末以来,由于菲律宾海板块与欧亚板块在台湾地区发生碰撞,对南海北部产生北西向挤压,加快了流体在沉积物中的活动,为天然气水合物的生成具备了良好的构造环境。因此,研究认为南海东北部陆坡应是南海天然气水合物最丰富的地区。     

多孔介质中甲烷水合物形成与分解实验研究

基于实际海洋水合物资源的赋存状态及温度、压力条件,在人工多孔介质中物理模拟海底水合物稳定带的水合物藏进行了水合物的形成与分解的实验研究。分析甲烷水合物在多孔介质中的形成与降压开采过程,揭示了其温度、压力和产气速率的变化规律。采用逐步降压的方法测定了多孔介质中水合物在特定温度下最小分解推动力,比较了不同降压模式下的累计产气量。结果表明,水合物形成过程中通过不断注水保持系统压力,甲烷可完全生成水合物,最终水合物藏中仅有水和水合物两相;实验条件下水合物的分解主要受压差影响,压差越大,分解速率越大,累计产气量越高;在一定温度下水合物的分解需有一个最小推动力。比较不同降压模式发现,累计产气量只与压差有关,而与降压模式无关。     

海域天然气水合物的形成及其对钻井工程的影响

将气体生成水合物的条件与深水钻井井筒温度压力、地层温度压力分布相结合，证实了深水钻井过程中形成水合物和钻遇天然气水合物层的可能性。天然气水合物的形成会改变钻井液的性质、堵塞井筒、环空及防喷器；水合物层的分解会造成沉积物坍塌、井壁失稳，引起井漏、井喷等一系列问题，给钻井作业造成巨大的经济损失，甚至使钻进无法正常进行。国内外近几年在天然气水合物研究勘探方面的经验表明，解决水合物问题常用的方法是加入水合物抑制剂，或者是采取必要的措施来防止井喷，将钻井液中的气体循环出去。     

利用声波资料计算天然气水合物饱和度的可靠性实验

为了探讨利用声波速度数据计算天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的可靠性,通过岩石物理实验测量非固结砂泥沉积物中水合物生成过程中的纵、横波速度及其变化值;利用物质平衡方程,结合pVT状态方程及其测试条件,建立了实验过程中水合物饱和度的计算模型;在此基础上,分析了非固结沉积物声波速度随水合物饱和度增加的变化规律,利用修正的Lee权重声波公式,计算了水合物的饱和度,并与实验得到的饱和度数据进行了比较。研究结果表明:(1)在水合物含量达到一定程度的情况下,可以利用声波资料计算水合物的饱和度;(2)随着沉积物中水合物含量的不断增加,非固结砂泥沉积物的纵、横波速度也随之增大,二者之间具有较好的线性相关性;(3)利用声波资料计算所得的水合物饱和度数值与实验室测试得到的结果可比性较高、误差较小。结论认为,该研究成果为利用实际声波测井资料计算水合物的饱和度提供了依据。     

沉积层水合物的生成动力学模型

分析了沉积层中天然气水合物形成的原因。在公认的水合物形成地质模型基础上,借助分形几何理论,对分形维数df进行了修正。描述了天然气水合物在分形介质中的扩散特性及生成动力学特性,对水合物的形成速率方程进行了数值求解,研究了分形维数df及扩散半径r的改变对水合物形成速率的影响,将所得结果与实验室数据进行了比较。通过对水合物在天然多孔介质中的生成过程的模拟,为实现对我国南海地区天然气水合物矿藏的预测与分析做了理论探索。     

介观孔隙中天然气水合物生成过程模拟

目前,对沉积物中天然气水合物（以下简称水合物）的生成过程研究大部分集中在实验研究以及水合物生成的本征动力学方面,在孔隙尺度方面缺乏对水合物生成过程的全方位考虑。为此,从介观角度出发,结合实验模拟结果,研究了沉积物孔隙中甲烷及二氧化碳水合物的生成过程。首先对甲烷水合物和二氧化碳水合物在沉积物中的生成过程进行了实验模拟（沉积物样品选用南海浅表层沉积物,粒径为60~100 目）,结果表明：水合物在沉积物孔隙中的生成过程比较平缓,体系温度基本没有大的变化;在初始阶段水合物生成量比较大,随着反应的进行,水合物生成速率逐渐减小。在实验的基础上,以孔隙水中溶解气体的浓度为变量,从介观角度数值模拟了甲烷水合物和二氧化碳水合物在沉积物中的生成过程,并以单个沉积物孔隙空间的水合物生成表征沉积物体系内水合物的生成特性。结论认为：沉积物颗粒堆积孔隙内部的水合物先在沉积物壁面处生成,然后水合物层逐渐加厚,向孔隙中心生长,水合物呈层状生成,最后填满整个沉积物颗粒孔隙;伴随着水合物的生成,沉积物体系孔隙率降低。通过模拟计算得到的水合物转化率与实验结果进行对比,其误差范围介于3%~7%,表明该模型具有较强的可靠性。