基于分形孔隙模型的含天然气水合物沉积物电阻率数值模拟

电阻率法是确定天然气水合物(以下简称水合物)饱和度的重要方法,通过数值模拟可以有效研究含水合物沉积物的电阻率特性,但过去构建的孔隙模型由于约束条件较少,而与实际的孔隙结构存在着较大的差异。为此,基于自然界沉积物具有自相似特征,选定地毯总边长为3和颗粒边长为1的谢尔宾斯基地毯作为沉积物的分形孔隙模型,根据等效电阻网络模式建立了含水合物沉积物的电导模型,并利用上述模型分析了孔隙度、孔隙水电导率、沉积物骨架电导率等因素对含水合物沉积物电阻率与水合物饱和度关系的影响。研究结果表明:(1)含水合物沉积物的电阻率可以表示为孔隙度、面积比、微观结构尺寸、孔隙水电导度、沉积物骨架电导率及经验参数的函数;(2)孔隙水电导率和孔隙度的减小都会导致沉积物电阻率的增大;(3)含水合物沉积物的电阻率随水合物饱和度的增大而增大;(4)在高水合物饱和度范围内,含水合物沉积物的电阻率随沉积物颗粒骨架电导率的增大而明显减小。结论认为:在一定的水合物饱和度范围内,该分形孔隙模型计算结果与实验数据和测井数据都能较好地吻合,准确度较高。     

含水合物沉积物损伤统计本构模型及其参数确定方法

通过建立含天然气水合物沉积物本构模型,揭示沉积物的变形规律,准确预测水合物储层的力学性质,是有效开发天然气水合物资源的基本保证。基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设,将统计强度理论与统计损伤理论有机结合,建立了能同时描述含水合物沉积物应变软化规律和应变硬化规律的损伤统计本构模型,探讨了模型参数求解思路,验证了模型的准确性。结果证明,含水合物沉积物屈服后发生应变软化还是应变硬化,取决于有效围压、水合物饱和度的综合影响,反映在模型参数上表现为Weibull参数m、F₀的共轭特性。模型参数主要影响含水合物沉积物损伤后的变化过程,对未损伤部分的影响较小。     

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。     

天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型

准确描述水合物沉积物的变形规律和力学性质是经济安全开发天然气水合物资源的重要前提。天然气水合物沉积物受到有效围压和水合物含量等多种因素的影响从而表现出应变软化和应变硬化两种力学特性。为精确描述其变形特性,基于复合材料细观力学混合率理论和岩石孔隙损伤理论,考虑岩石统计损伤,考虑水合物含量、围压和沉积物内部孔隙变化对天然气水合物沉积物力学性质的影响,结合水合物沉积物的微元强度统计分布规律,建立了天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型,并建立了全部参数的确定方法。与已有实验研究结果对比表明,该模型不仅可以很好描述水合物沉积物的变形规律和力学特性,且具有模型参数易于确定、便于使用的优点。所建模型可用于水合物沉积物破碎工艺选择中的破碎模拟和破碎成孔中的孔稳定性分析评估,对非成岩天然气水合物的经济安全开采具有一定推动作用。     

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。     

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.      

沉积物中天然气水合物微观分布模式及其声学响应特征

天然气水合物（以下简称水合物）的微观分布与其形成条件、流体运移通道等密切相关,对天然气水合物资源勘探与评价具有重要意义。为了解水合物在固结沉积物和松散沉积物中的微观分布及其声学响应特征,采用超声和时域反射联合探测技术实时测量了沉积物中水合物生成、分解过程中声速等参数的变化情况。结果表明,在固结沉积物中,水合物先在孔隙流体中形成,随后逐渐向骨架靠拢,当饱和度大于30%后水合物开始胶结沉积物颗粒生成,这种胶结模式会圈闭部分孔隙流体,使之因得不到气源的补充而难以形成水合物,因此固结沉积物中水合物饱和度最终为65.5%左右;在松散沉积物中,少量的水合物（饱和度1%左右）胶结沉积物颗粒生成,当饱和度大于1%后水合物开始在孔隙流体中以悬浮状形态生成,由于水合物与沉积物颗粒间尚有流体运移通道,水合物能进一步生成,最终几乎完全充填沉积物孔隙。不同的水合物微观分布特征对沉积物的声速具有不同影响：水合物在孔隙流体中生成时,10%饱和度的水合物对固结沉积物的声速影响不明显;当水合物胶结沉积物颗粒生成时,约1%饱和度的水合物可使松散沉积物的纵波速度增长200~300 m/s。     

泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学特性

天然气水合物开采过程中,厘清储层力学参数的演化特征是进行工程地质风险评估的基础,但目前针对中国南海含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质评价与测试相关研究的报道却鲜见。为此,以南海北部神弧海域W18/19矿体天然气水合物顶界沉积物为研究对象,用四氢呋喃(THF)水合物代替天然气水合物,以此来探讨泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学参数演化特征。研究结果表明:①在低质量丰度条件(小于等于16.7%)下泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系呈现应变硬化破坏特征,抗剪强度、切线模量、内聚力随着水合物含量的增大而增大;②纯天然气水合物的应力—应变曲线表现出明显的脆性破坏特征,与低丰度条件下的泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系破坏特征截然不同。进而提出了采用丰度(质量丰度或体积丰度)代替原有的砂质沉积物中饱和度概念来表征天然气水合物含量的建议,在考虑天然气水合物合成结束后泥质粉砂沉积物含水率影响的基础上,将泥质粉砂型天然气水合物—沉积物混合体系划分为纯沉积物、含天然气水合物沉积物、含沉积物天然气水合物和纯天然气水合物4种基本类型,以克服目前针对含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质研究中所存在的不足。     

天然气水合物沉积物不排水剪切特性的离散元模拟

天然气水合物资源广泛分布于深海浅层沉积物中,具有储量大、能量密度高、燃烧清洁等优点,是一种极具开发前景的环保能源,深入研究天然气水合物沉积物的力学特性是实现天然气水合物资源安全开采的重要前提.利用常体积方法对天然气水合物沉积物的不排水剪切特性进行了离散元模拟,并依据物理实验结果对数值模拟结果进行了标定,最后对剪切过程中...     

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.     

采用多点地质统计法重构页岩的数字岩心

由于实验设备获得的页岩岩样大多是微米或毫米尺度,如果要获得更大尺度和范围内的孔隙结构,必须通过对其特征的三维重构才能实现。为此,提出了基于纳米精度的体数据与多点地质统计方法的页岩三维数字岩心重构方法。以页岩纳米CT数据为训练图像,使用数据模板提取其中的结构特征,通过多点地质统计方法将结构特征重构到数字岩心中;形成了以变差函数曲线、孔隙直径分布和孔隙连通性来判别重构岩心与真实页岩结构相似度的判别方法 ;基于格子玻尔兹曼方法验证了相似度评价方法。结果表明:(1)变差函数可以检验重构岩心与真实岩心的空间相似性,孔隙直径分布和孔隙连通性可以检验流动特征的相似性;(2)当变差函数曲线、孔隙直径分布和孔隙连通性相似时,重构岩心与真实岩心的渗透率相近,表明所提出的重构方法与结构相似度评价方法是有效的;(3)由于强非均质性,不同位置的重构页岩岩心渗透率差异可超过100倍。该研究成果对构建三维大尺寸强非均质性页岩数字岩心、认识页岩孔隙结构、分析流动规律具有指导作用。     

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     

海洋气水同产井井筒中天然气水合物非平衡生成风险预测

受海水低温环境的影响,气水同产井井筒中天然气水合物(以下简称水合物)非平衡生成问题突出,增加了井筒堵塞等安全事故发生的风险。为此,基于前人建立的甲烷水合物相平衡模型、水合物生成与分解动力学模型,建立了含水天然气采出过程中井筒温度和压力分布模型、海洋气水同产井水合物非平衡生成与分解理论模型;然后基于有限差分法进行数值模拟计算,形成了一套适用于海洋气水同产井生产过程中水合物非平衡生成风险预测方法(以下简称水合物生成风险预测方法);在此基础上,采用某陆上产气井LN-X的数据对该预测方法的可靠性进行了验证,进而研究了不同参数影响下海洋气水同产井井筒中水合物的非平衡生成与分解规律。研究结果表明:①随着日产气量增大或含水率升高,井筒中生成水合物的区域范围减小,同时水合物物质的量也减小,井筒越不易被堵塞,对海洋气水同产井的安全生产越有利;②井口油压越大,井筒中生成水合物的区域范围越大,同时水合物物质的量也越大,越容易堵塞井筒,对海洋气水同产井的安全生产越不利;③不同海面温度下水合物生成区域的范围一致,并且水合物分解区域的范围也一致,水合物物质的量仅在井口位置附近有差异,海面温度越高,水合物物质的量越低。结论认为,所形成的水合物生成风险预测方法可靠,可以为海上气藏的安全生产管理提供理论指导。     

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为了解甲烷水合物在沉积物中的储存规律，利用高压水合物合成装置，对水+沉积物系统中甲烷水合物在沉积物中充填率进行了测试，研究了不同初始生成压力，不同初始生成温度和不同沉积物孔径对甲烷水合物在沉积物中充填率的作用和规律。研究结果表明，初始生成温度不变，随初始生成压力的增加，甲烷水合物在沉积物孔隙中的充填率增加；初始生成压力保持不变，初始生成温度的降低会增加甲烷水合物的生成数量及其充填率；随着孔径及孔隙度的加大，甲烷水合物在多孔介质中的生成数量及充填率明显变大。因此，初始生成压力、温度和沉积物孔隙度对甲烷水合物生成量和填充率具有一定的控制作用，其中初始生成压力和沉积物孔隙度的影响比较明显，而初始生成温度影响较小。