多孔介质中CO2水合物饱和度与阻抗关系模拟实验研究

确定沉积物中天然气水合物饱和度是评估水合物资源、开发利用天然气水合物工作中的一项基础而关键的工作。利用青岛海洋地质研究所自主设计、研制的天然气水合物阻抗监测模拟实验装置,研究了CO ₂气体与去离子水在多孔介质中天然气水合物的生成与分解过程。指出：天然气水合物生成过程会使多孔介质阻抗增大;天然气水合物分解过程导致多孔介质阻抗减小。并且多孔介质的阻抗变化与反应体系的温度压力变化相互对应,能够体现天然气水合物生成与分解各阶段的特点。此外,还利用Archie公式,使用天然气水合物的阻抗值计算多孔介质中水合物的饱和度,得到了多孔介质中天然气水合物饱和度随反应时间的增长曲线。     

多孔介质中CO_2水合物饱和度与阻抗关系模拟实验研究

确定沉积物中天然气水合物饱和度是评估水合物资源、开发利用天然气水合物工作中的一项基础而关键的工作.利用青岛海洋地质研究所自主设计、研制的天然气水合物阻抗监测模拟实验装置,研究了CO2气体与去离子水在多孔介质中天然气水合物的生成与分解过程.指出:天然气水合物生成过程会使多孔介质阻抗增大;天然气水合物分解过程导致多孔介质阻抗减小.并且多孔介质的阻抗变化与反应体系的温度压力变化相互对应,能够体现天然气水合物生成与分解各阶段的特点.此外,还利用Archie公式,使用天然气水合物的阻抗值计算多孔介质中水合物的饱和度,得到了多孔介质中天然气水合物饱和度随反应时间的增长曲线.     

海域水合物藏样品实验室制备及生成特性

实际海域水合物藏样品不易获取，其资源化开采仍需大量室内基础实验作为支撑。为实现代表性水合物藏样品的精确制备，实验室研制了一套天然气水合物三维模拟装置，采用多次注水的方式对目标样品中气、水和水合物饱和度及生成后体系的温压条件进行控制，分析了甲烷水合物生成过程中系统内压力、温度及电阻率等参数的变化特性。结果表明，多次注水的方式可有效控制样品中各相饱和度；驱动压力及过冷度较大时难以观察到水合物生成诱导期的存在；在周围水浴良好的传热作用下，水合物生成放热引起的温升现象可能会被消除；电阻率的变化显示水合物在多孔介质中生成可能存在“爬壁效应”，而影响电阻率的因素较多，或难以用于准确评估多孔介质中水合物的生成过程。此外，初始气液比增大可促进水合物生成速率增大。     

天然气水合物人工矿体高温分解模拟实验

天然气水合物(以下简称水合物)藏对地质条件的变化较为敏感,微弱波动即可造成水合物藏被破坏。为研究水合物藏在温度突变下的分解过程,在水合物三维成藏物模实验系统(装置主体为32 MPa高压反应釜,反应釜内部由5个温度传感器和30个电阻率探测电极构成空间点阵)中合成了100 L的人工水合物矿体,测定了水合物矿体在外界温度升高到295 K后其内部温度、电阻率的变化情况,并以此为基础分析了水合物薇在温度发生突变以后的演化行为。实验结果表明:①人工水合物矿体在环境温度升高后会迅速分解(经过600 h才生成并达到稳定的矿体仅需38 h即可完全分解),通过监测实验过程中介质温度和电阻率变化,可以对分解过程中的分解量、分解速度进行考察;②分解过程中,电阻率变化受水合物饱和度、孔隙水盐度以及地层位置的影响,其中,水合物饱和度较高的区域发生少量分解时,由于孔隙水被稀释会导致电阻率上升;③对于海底水合物藏,当发生持续、显著的温度变化后,其气体组分、赋存方式等均会发生明显改变。     

粉土内甲烷水合物形成与分解过程中的水分特征

用可探测土壤内部水含量变化的pF-meter探头开展了甲烷水合物形成与分解过程中多孔介质内部水含量变化研究,结果表明,该新型研究方法可有效探测实验过程中多孔介质内水含量变化.通过研究指出:水合物生成时会对介质内的水产生吸力,将水向水合物处抽吸;水合物分解时会释放水,使介质内水含量增大;温度升高会使存于多孔介质内毛细管中的水向下流动;水合物在粉土中的二次形成范围比一次形成范围更大.     

储气罐中天然气水合物生成的温度特性研究

为了研究储气罐中天然气水合物生成的温度变化特征,利用自制的天然气水合物三维模拟装置从甲烷气体和水溶液中成功生成了甲烷水合物,通过温度-压力变化对甲烷水合物在多孔介质中的整个生成过程进行了研究。实验结果表明,注气从垂直中心井注入,导致中心区域温度升高,并向四周蔓延,水合物从中心井往外聚集。由于多孔介质的毛细管作用,甲烷水合物在多孔介质中产生爬壁效应,外侧水合物生成较多,在多孔介质中呈不均匀分布。     

饱和孔隙流体作用下甲烷水合物降压分解机制及实验研究

水合物地层中常含有饱和的孔隙流体,饱和孔隙流体的存在改变了水合物藏的传热及传质特性。通过实验模拟了饱和孔隙流体下多孔介质尺寸、分解温度、压降和注入流体类型对水合物的降压分解过程中产气速率的影响。结果表明：饱和孔隙流体下,产气速率受多孔介质尺寸、压降和注入流体类型影响较大,而受分解温度影响较小。实验范围内,水合物在大压降和小尺寸介质中分解更快速。水合物分解初始阶段,分解速率随着流体盐度的增加而增大;在中后阶段,分解速率随流体盐度的增加而降低。气体扩散阻力因盐溶液水化离子氛存在而增加并进一步阻碍水合物的分解。实际水合物藏开采过程中可通过增大压降和降低溶液盐度来解决该问题。     

温度梯度对粗砂中甲烷水合物形成和分解过程的影响及电阻率响应

评价甲烷水合物形成和分解过程中电阻率的变化对多年冻土区天然气水合物的勘测具有重要意义。利用本实验室自主研发设计的测量冻土相变温度和电阻率分布的装置,研究温度梯度对粗砂中甲烷水合物形成和分解过程的影响以及在此过程中的电阻率响应。实验表明,该装置可以准确有效地探测出水合物成核、形成、聚集及分解的过程。同时温度梯度的大小对多孔介质中水合物的形成和分布具有很大影响,随着温度梯度的增大,水合物的分布越不均匀,在高温端富集的水合物越多,水合物发生富集的时间间隔就越短。随着反应过程中水合物饱和度的增大,电阻率随之也增大.     

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。     

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。     

多孔介质中甲烷水合物聚散过程的交流阻抗谱响应特征

电学特性实验是探索天然气水合物(以下简称水合物)生成分解过程及其动力学特征的有效技术手段。较之于过去单一的仅对电阻率参数进行测试的实验方法,交流阻抗谱测试方法可以获得一定频率范围内被测体系的阻抗(包括电阻、电抗)特性变化规律,从而有助于更全面深入地认识水合物的电学性质特征。为此,设计了甲烷水合物交流阻抗谱测试系统,以甲烷水合物一多孔介质一浓度为3.5%的盐水为研究体系,测试了水合物在多孔介质内合成与分解过程中研究体系的阻抗谱,并分析了阻抗谱特征参数随水合物饱和度变化的规律。结果表明:①采用激发源的不同频率测试的结果差异明显,在低测试频率(0.1~10.6 Hz)下,测试体系的水合物饱和度与阻抗谱参数之间未表现出明显的规律性关系,而在中高测试频率(101.8 Hz~1 MHz)下,阻抗谱参数随着测试体系水合物饱和度的增加而增加;②当测试频率为101.8Hz、1 114Hz和10 746 Hz时,在一定的误差允许范围内,测试体系的阻抗谱参数与水合物饱和度之间符合单调递增的线性关系;③阻抗幅值的频散特性与水合物饱和度之间存在着明显的对应关系。     

多孔介质中天然气水合物生成的主要影响因素

目前有关天然气水合物(以下简称水合物)的研究主要集中在物理化学性质考察和开采(分解)方法探索方面。在进行后者的研究过程中,地层渗流过程的物理模拟至关重要,但目前借助于石油开采研究中广泛应用的填砂管等多孔介质对水合物进行动态过程的研究却鲜有报道。为此,利用河砂填砂管在岩心驱替装置上进行了甲烷水合物生成过程的物理模拟,考察了地层温度、甲烷压力及地层模型性质参数等对水合物生成过程的影响。结果表明:(1)利用冰融水作为地层模型的束缚水可显著提升甲烷水合物的生成速率;(2)多孔介质条件下过程驱动力(即实验压力或温度偏离水合物相平衡对应值的程度)对甲烷水合物的生成起着决定性作用;(3)当甲烷压力高于水合物相平衡压力1.4倍以上,或者实验温度低于相平衡温度3℃以下时,甲烷水合物生成诱导期几乎不随温压条件的变化而变化;(4)渗透率、含水饱和度、润湿性等参数对实验中甲烷水合物的生成率不构成明显影响。     

冰点以下甲烷水合物分解实验对天然气储运的影响

天然气水合物储运技术涉及水合物的生产、运输和再气化等过程,其中水合物的生产过程、运输过程是要解决的关键问题。实验采用6种不同粒径的冰颗粒形成甲烷水合物,并且在不同的温度条件下开展甲烷水合物分解实验。通过分析认为,冰颗粒对甲烷水合物形成过程有一定的影响,冰颗粒粒径越小越容易形成水合物,形成时间也较短;而在分解过程中,大粒径的冰颗粒形成的甲烷水合物在2种温度条件下均表现出较强的自保护效应,能长时间保持亚稳定状态而不发生分解反应。根据实验中出现的这些特性,提出对天然气水合物储运技术的设想,在水合物形成过程中选取一个最佳的粒径冰颗粒合成水合物,并且在-4℃的温度条件下进行储运。      

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。     

置换减压法开发天然气水合物工艺及数值模拟

天然气水合物是能源领域尚未开发的领域之一,有巨大的潜力来满足未来的能源需求,降压、热刺激、碳交换和抑制剂注入是其生产过程中涉及的四种开采方法。文章提出了采用双水平井降压 ＋二氧化碳置换法开采天然气水合物,应用油藏模拟器 ＣＭＧ对矿藏条件下水合物进行数值模拟分析,模拟了多组分、多相流体和热流在地下的流动和传输,以及甲烷饱和度和温度分布,估算了水合物解离产气量和出砂量。模拟结果表明,随着开采的进行,甲烷饱和度降低,顶部的水合物优先开始分解,二氧化碳置换区域地层温度提高 ２～５℃,温度升高促进甲烷持续解离,形成了一个连续交换和生产的循环过程;同时随着甲烷产量的增加,生产井出砂量也随之增加。采用双水平井开采技术,扩大了水合物储层的波及面积,有效增加了产气量,达到商业开采价值规模。研究结果为科学评价天然气水合物开采技术的可行性、经济性提供了理论依据。     

X-ray computed-tomography observations of water flow through anisotropic methane hydrate-bearing sand

We used X-ray computed tomography (CT) to image and quantify the effect of a heterogeneous sand grain-size distribution on the formation and dissociation of methane hydrate, as well as the effect on water flow through the heterogeneous hydrate-bearing sand. A 28 cm long sand column was packed with several segments having vertical and horizontal layers with sands of different grain-size distributions. During the hydrate formation, water redistribution occurred. Observations of water flow through the hydrate-bearing sands showed that water was imbibed more readily into the fine sand, and that higher hydrate saturation increased water imbibition in the coarse sand due to increased capillary strength. Hydrate dissociation induced by depressurization resulted in different flow patterns with the different grain sizes and hydrate saturations, but the relationships between dissociation rates and the grain sizes could not be identified using the CT images. The formation, presence, and dissociation of hydrate in the pore space dramatically impact water saturation and flow in the system.     

海底沉积物中热解成因天然气水合物的形成与分布

利用中国石油大学自制的一维天然气水合物成藏模拟装置,采用常规热解成因气为气源,海底沉积物为多孔介质,进行了水合物形成模拟实验,并采用电阻率法对沉积物中水合物形成与分布进行观测分析.结果表明,沉积物不同部位电阻率的变化不同,沉积物中下部电阻率先增加后趋于稳定,中上部电阻率呈降低-增加(或稳定)-降低-增加-稳定的变化趋势,这种电阻率的变化反映了不同部位的水合物的生成和分布.在中上部水合物诱导成核时,中下部已进入水合物生长阶段,由于温度梯度的影响,水合物生长缓慢,分散状分布;在气体供应充足的条件下,中上部水合物能大量生成,呈块状分布.在上述分析的基础上建立了沉积物中水合物生长与分布模式.      

不同井型下的天然气水合物降压开采产气产水规律

目前的研究成果表明，降压法及其改良方案可能是实现海域天然气水合物（以下简称水合物）高效开采的最佳途径，但现有降压条件下的产气能力距离水合物商业开发需求仍存在着不小的差距，因而提高水合物藏分解效率、提升储层气液运移产出能力，进而形成安全高效的水合物开采新方法，是水合物开发过程中急需解决的瓶颈问题。为此，利用自制的水合物复杂结构井模拟实验装置，分别开展了垂直井、水平二分支井（夹角90°）开采水合物的实验室模拟实验，据此分析不同开采条件下各井型的产气、产水规律。研究结果表明：①垂直井与分支井开采中，降压幅度是控制前期产气速率的主要因素，而后期环境温度对水合物分解量的影响则逐渐加强；②井型对水合物开采产能具有明显的控制作用——垂直井开采降压幅度越大，产气情况越好，但实验尺度下累计产水量则相差不大，水平二分支井（夹角90°）开采过程中，产气速率比射孔面积相同的垂直井更高，波动较小，但初始阶段产水明显；③降压—热激联合作用更有利于水合物的分解和稳定产气，在其联合作用下，水平二分支井（夹角90°）比垂直井更有利于水合物的长期稳产。