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。     

水合物沉积物介电特性测量实验

介电常数法是探测冻土区水合物的一项有效技术。通过物理模拟实验,研究冻土区砂岩水合物沉积物的介电特性与水合物饱和度、骨架粒度等因素的关系,对水合物的勘探和开发具有重要意义。在实验室以不同粒度石英砂为骨架制备甲烷水合物和四氢呋喃（THF）水合物沉积物样品,并使用探地雷达测量其介电常数。结果显示：不同石英砂粒度条件下,两种甲烷水合物沉积物的介电常数均随饱和度增大而减小;相同饱和度条件下,围岩粒度小的甲烷水合物沉积物介电常数高,推断是孔隙内未反应的水引起的;在相同石英砂粒度条件下,THF水合物沉积物与甲烷水合物沉积物的介电常数随饱和度变化趋势相同,均表现为介电常数随饱和度增大而减小;在相同饱和度和石英砂粒度条件下,甲烷水合物沉积物介电常数整体大于THF水合物沉积物,推断是甲烷水合物沉积物孔隙中气相因素及未反应的水等综合因素所致。     

天然气组分对水合物形成温度的影响研究

天然气的水合物形成温度不仅和压力有关,而且不同组分的天然气在等压下形成水合物的温度也不同,因此有必要对天然气中各主要组分与水合物形成温度之间的关系进行研究,有效地确定水合物抑制剂的用量,有利于水合物的防治工作。文章研究了乙烷、丙烷、丁烷和戊烷与天然气水合物形成温度的关系,得到了丙烷和丁烷对水合物的影响最大,而乙烷和戊烷对水合物的影响较小的结论,从而为根据天然气不同的气质组分进行水合物的防治提供了科学的依据。     

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.     

天然气水合物沉积物的岩石物理特性

天然气水合物沉积物是一种有着重要意义的全球性甲烷资源。它存在于地下和海底。然而。天然气水合物的不稳定性和甲烷释放也可呈现出一种潜在的危害。甲烷释放对海底大陆斜坡不稳定性、海底设备及全球气候变化都有影响。目前，对天然气水合物沉积物岩石物性的了解在很大程度上来源于对纯水合物的实验和理论研究，来源于对水合物岩心、地层测井测量值的观察。迫切要求提高对水合物沉积物的性质和稳定性的了解。环境条件下不稳定性的天然气水合物沉积物需要进行特殊的实验室研究。建议用加压岩心技术和钻井船上的样品转移筒进行水合物取样。然而，地层和技术的发展能很先进地进行水合物取样。有必要试着在减压、打开、重取样前描述加压的天然气水合物的性质扣范围。这种以岩石物理学描述远程加压岩心筒内天然气水合物的能力提供了一个描述天然气水合物的范围和性质的线路。在此目的下，正在实验室内进行在一定范围的沉积物中制造一定的人造天然气水合物形态。迄今为止，我们已成功地制作出一定的纯的沉积物CO2水合物作为制造甲烷水合物的前沿工作。连续的实验是用不同的沉积物主体研究几何、内部结构和组构(由块状到分散）。这些归类的水合物组可对非侵入水合物形态的特性描述提供理论根据。由这些实验室结果建立备忘录来指导用高压GEOIEK岩心测井仪在钻井船上的实验室转移筒处于加压状态下进行天然沉积物水合物岩心的地球物理测井。GEOTEK能够进行水合物样品的特性描述和分类。随着对水合物习性的进一步认识，也会指导在减压和水合物开始分解之前研究取样程序。利用天然气水合物的非常珍贵的样品进行详细的船上科学工作计划编制。新的认识为水合物沉积物的岩石物理分析提供了更高的理论基础，增强了岩石物理测量资料，更好地限制了现场水合物的评价。它也对评价水合物沉积物的稳定性和对全球环境气候变化的潜在危害提供了更高的资料。     

天然气水合物合成实验软件系统的设计

为了采集天然气水合物合成试验中的数据,设计了这套系统,针对所要解决的问题包括数据的采集,设备的控制,采集数据的动态显示,数据的保存,以及数据的回放,提出具体解决方法,最后介绍软件的主要界面及功能。这套系统已经在实验中得到较好应用。     

基于温度震荡的天然气水合物增量合成实验

在多孔介质中生成较均一的高饱和度天然气水合物,是进行水合物开采模拟实验的基础。“爬壁效应”和“铠甲效应”是制约水合物生成质量低于理论值的重要影响因素,温度震荡方法是提高水合物生成饱和度的重要手段。目前基于温度震荡的方法虽然增加了天然气水合物的生成饱和度,但其温度震荡区间下限选择在冰点以下,没能很好地解决水合物生成的均一性问题。从增大诱导阶段气-水过渡区域角度出发,提出了在冰点以上进行温度震荡,在1~17 ℃震荡区间内,可有效克服水合物合成的不均一性。共进行了3轮次的温度震荡水合物增量合成实验,结果表明:冰点以上的多轮次温度震荡,能够实现天然气水合物的增量合成,但随着震荡次数的增加,水合物合成增量不断减小,具有明显的次效性,温度震荡次数不宜超过3次。     

温度和应变速率对水合物沉积物强度影响试验研究

在不同温度和应变速率条件下,对天然气水合物沉积物进行三轴压缩试验。试验结果表明:(1)温度越低,水合物沉积物破坏强度越大,在一定温度范围内可用线性表示。随着温度的进一步降低,破坏强度的增加趋势有所减小,最终趋于定值;(2)水合物沉积物试样的破坏强度随着应变速率的增大而增大。另外,应变速率可明显的改变材料的塑性性能。(3)割线模量E50随着温度的降低线性增加。     

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。     

不同粒度沉积物介质对气体水合物成核的影响

为了探究沉积物介质粒度对气体水合物(以下简称水合物)成核分布的影响,参考我国南海神狐海域含水合物沉积物的粒度特征,利用可视高压反应釜,在6种沉积物介质中开展水合物成核动力学实验,测定不同粒度沉积物介质中水合物成核诱导时间,并结合概率分布函数分析其分布规律,考虑毛细管作用对沉积物孔隙中液相—气相界面张力的影响,基于Kashchiev模型,结合Arrhenius方程,建立了沉积物孔隙半径—水合物成核诱导时间理论模型,并将模型计算结果与实验结果进行对比分析。结果表明:(1)实验结果显示,较大粒度沉积物介质可以有效缩短水合物成核诱导时间、增大诱导时间集中程度;(2)由理论模型公式推算得出,受沉积物孔隙表面张力作用的影响,水合物成核诱导时间随沉积物粒度的逐渐增大呈先增大后减小的变化趋势,存在着一个临界粒径尺寸;(3)沉积物粒度的增大与水合物形成难度的变化趋势表现为非正相关对应关系,在一定范围内随沉积物粒度的增大,水合物形成难度逐渐减小。该研究成果可以为海洋天然气水合物矿藏的勘探提供技术支撑。     

盐含量对天然气水合物防聚剂性能的影响

传统的天然气水合物(以下简称水合物)防聚剂评价实验一般在纯水中进行,而现场的水相中通常会混入一定的海水或含有矿化度的地下水,因而前者的评价结果与现场的实际情况存在着较大的差距。为了在更加接近现场实际情况的条件下评价水合物防聚剂的性能,首先使用高压透明蓝宝石釜从宏观角度对水合物浆液的形态进行观察,然后应用粒度仪从微米级进行水合物浆液中液滴—水合物粒径分布的观察测试,最后结合油水界面张力的变化规律对含盐体系水合物防聚剂的防聚行能进行了分析。研究结果表明:①在含3%NaCl条件下,水合物防聚剂CJ(以下简称CJ)对水合物的防聚效果较好;②水合物形成以前,在机械力的搅拌作用下,含CJ的水合物乳液粒径随着含盐量的增加而减小,含盐有利于液滴在油相中的分布;③水合物形成以后,在含3%NaCl的条件下,水合物颗粒分布更小,适量的盐有利于水合物形态的控制;④在2℃条件下,含盐量为3%时,油水界面张力值为最大,达到4.453 mN/m。结论认为,随着盐含量的增加,CJ对水合物的抑制效果增强,但在水合物形成以后抑制效果则不明显,相反盐含量的增加还容易破坏油水乳液的稳定性甚至破坏水合物防聚剂的使用效果。     

结晶法制备天然气水合物实验研究

由于天然气水合物的生成过程与盐溶液结晶过程极为相似,采用饱和溶液提供第二相晶种代替水合物晶核自发形成的方式,首次提出了基于饱和溶液结晶法制备天然气水合物的方法,实验研究了饱和Na2SO4溶液、饱和MgSO4溶液、饱和NH4HCO3溶液、饱和CuSO4溶液四种饱和溶液对天然气水合物生成速度及储气量的影响。结果表明：饱和Na2SO4溶液中天然气水合物生成速度较快,平均为去离子水中水合物生成速度的11.8倍,最大瞬时生成速度为去离子水的386倍,储气量为去离子水的11倍;饱和MgSO4溶液中水合物平均生成速度为去离子水的20倍,最大瞬时生成速度为去离子水的165倍,储气量为去离子水的7.2倍;饱和NH4HCO3溶液中水合物的平均生成速度为去离子水的7.8倍,储气量为去离子水的10倍,饱和CuSO4溶液中水合物平均生成速度为去离子水的8.6倍,储气量为去离子水的6.7倍。采用饱和溶液结晶法后可以实现高效制备天然气水合物,可为天然气以水合物的形式运输储存提供理论指导。     

降温速率和粒径对砂土中甲烷水合物形成过程影响研究

为研究降温速率和多孔介质粒径对天然气水合物形成过程的影响,在2种不同粒径的砂土中开展了甲烷水合物的形成实验研究。5个不同的降温速率被应用到2种粒径砂土中甲烷水合物的形成实验。实验结果表明,降温速率对砂土中甲烷水合物的成核时间有明显的影响。降温速率越快,甲烷水合物所需的成核时间就越短。同时,降温速率越慢,甲烷气体形成甲烷水合物的气体转化率就越高。不同的降温速率也影响形成实验中降温阶段和恒温阶段的甲烷水合物形成情况。在较低的降温速率下,恒温阶段的气体转化率相对较少。不同的多孔介质对甲烷水合物的形成过程也具有明显的影响。相对来说,在相同条件下,甲烷水合物在粗砂土中比在细砂土中更容易形成;在粗砂土中形成甲烷水合物,其气体转化率比在细砂土中形成的甲烷水合物更高。     

准噶尔盆地气井天然气水合物生成实验研究与分析

针对准噶尔盆地气井高压易形成水合物冰堵的情况,应用实际矿场的气样进行水合物生成室内实验研究与分析。实验分析结果表明,气样中甲烷含量与氮气含量之和可作为判断天然气生成水合物难易程度的标准;气样中杂质对水合物生成有一定促进作用,实验搅拌速度越快水合物生成时间越短,反映到气井中则是杂质颗粒越多越容易生成水合物,气井产量越大且开关井频繁越容易生成水合物。研究结果可为指导气井水合物预测与预防提供依据。     

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。     

沉积物体系中甲烷水合物平衡温度、压力条件实验模拟

研究沉积物中甲烷水合物的平衡温度和压力条件，对认识甲烷水合物的稳定性以及对未来准确评价和利用甲烷水合物能源非常重要。在温度为270．9～278．2K、压力为2．47～4．31 MPa条件下，分别对平均孔径为53．2nm、27．2nm和15．5nm的沉积物体系中甲烷水合物的分解平衡温度和压力条件(即相平衡)进行了测定，结果表明，近自然沉积物的平均孔径大小会影响甲烷水合物的相平衡条件。相同温度条件下，纯水体系中甲烷水合物的平衡压力比在沉积物体系中的低；随着孔径的增大，甲烷水合物在相图中稳定区的面积逐渐增加，但当体系中温度降低到冰点以下或者沉积物孔径增大到超过60nm时，沉积物孔隙毛细管对甲烷水合物稳定性的影响非常小，与纯水中的重合或者接近。甲烷水合物在沉积物体系中的相平衡数据可以用经验热力学方程拟合，拟合结果能反映孔径大小与甲烷水合物平衡压力、温度条件的相互关系。图3表1参20     

N-甲基二乙醇胺溶液中CO2气体吸收与水合物生成特性实验研究

目的酸性气田开发气流中往往含有二氧化碳(CO₂)和硫化氢(H₂S)等酸性组分,易形成天然气水合物(简称水合物),引起管道堵塞。解决酸性组分吸收剂对水合物作用机制不明确问题,为脱除酸性气体组分并防治水合物生成提供理论依据。 方法 采用恒温恒容法研究了N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液质量分数、搅拌状态及初始压力对CO₂气体吸收规律的影响、MDEA溶液对CO₂水合物生长速率和宏观晶体形态的影响,并与传统热力学抑制剂乙二醇(EG)效果进行对比。 结果CO₂气体吸收量随MDEA溶液质量分数的增加表现为先增后减的趋势。开启搅拌和降低压力可加快CO₂气体的吸收速率,增加气体吸收量。在气液界面,水合物晶体以二维模式生长,并且MDEA可改变CO₂水合物的宏观形貌,增加其质量分数可显著增加CO₂水合物覆盖溶液表面的时间、降低CO₂水合物的生长速率。与EG相比,MDEA水合物的动力学抑制效果较差,但水合物膜覆盖时间较长,生长速率较慢。 结论MDEA可与溶液中水分子形成氢键,与水合物竞争水分子,减少水的活性,同时,MDEA分子可与CO₂分子结合,与水合物竞争CO₂,显著降低水合物生长速率。研究结果对酸性气体的分离捕获和天然气流动的安全保障具有理论指导意义。      

海洋天然气水合物地层钻井液优化实验研究

海洋天然气水合物（以下简称水合物）地层钻井过程中，钻井液侵入地层有可能造成水合物分解，进而引发井壁失稳等问题。为了破解上述难题，实验研究了甲烷水合物在不同分解方式下的分解规律，引入Peng-Robinson方程计算实验过程中甲烷气体摩尔数的变化，优化了钻井液抑制水合物分解评价实验方法，并利用该方法实验分析了动力学抑制剂DY-1和改性卵磷脂对水合物分解特性的影响规律，进一步优化出适用于水合物地层使用的水基钻井液。研究结果表明：①注冷溶液不卸压的方式是钻井液抑制水合物分解最佳的评价实验方法；②水合物动力学抑制剂DY-1和改性卵磷脂均可通过吸附在水合物表面阻缓传热传质来延缓水合物分解，可作为钻井液水合物分解抑制剂；③优化出的钻井液体系具有良好的低温流变性和抑制水合物生成及分解性能，同时具有良好的页岩抑制性和润滑性等，可以满足海洋水合物地层钻井液技术的基本要求。结论认为，该研究成果可以为我国水合物开发提供钻井液技术支撑。     

石英砂介质中甲烷水合物生成过程和相平衡的实验研究

为研究小梯度温度范围内甲烷水合物在石英砂介质中生成过程的热力学和动力学特性,开展了定容条件下273.75K、273.85K、273.95K3种恒温水浴体系的甲烷水合物生成实验。研究结果表明:(1)反应温度越低,釜内甲烷水合物生成过程中反应热释放越快,相比于273.95K的反应体系,273.75K体系的反应釜内首次温度上升值为0.9K,约为273.95K体系的6倍;(2)随反应温度的增加,水合物的生成量和转化率逐渐下降;(3)反应温度越低,甲烷水合过程的前期反应速率越大,气液界面和石英砂表面生成的水合物薄膜阻碍了甲烷气与水之间的进一步传递,使得甲烷的单位消耗速率随反应的进行呈阶梯型递减。通过石英砂介质内甲烷水合物的生成实验,以期为工业上气体水合物的合成、储存与运输提供借鉴。