层状型天然气水合物沉积物力学特性研究

为保障天然气水合物开采过程中储层的安全稳定,针对沉积物内水合物赋存方式对储层力学稳定性存在显著影响的问题,开展了天然气水合物沉积物三轴压缩试验研究工作,探讨了水合物位置和围压对水合物沉积物的强度和变形特性影响。结果表明：1)低围压下,试样应力应变曲线类型与水合物层位置无关,试样变形呈应变硬化现象;2)试样的破坏强度随围压增大和水合物层下移而增大;3)起始屈服强度、起始屈服模量及割线模量均随着围压增大表现为整体增大趋势,与水合物层位置之间的关系较为复杂;4)由摩尔-库伦准则分析可知,层状型水合物沉积物力学性质的差异主要体现为粘聚力对试样强度的影响。该研究对认识层状型天然气水合物沉积物的力学特性,评价层状型天然气水合物储层的开采稳定性具有一定的指导意义。     

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。     

含冰甲烷水合物的应力与应变关系

对含冰甲烷水合物试样进行了三轴压缩试验,分析了与其应力、应变行为相关的起始屈服应变、起始屈服强度和起始屈服模量随围压和温度变化的关系;并利用Duncan-Chang双曲线模型获得含冰水合物的初始变形模量、极限偏主应力和破坏比,分析了它们与围压和温度的关系。结果表明,起始屈服应变、起始屈服强度、初始变形模量和极限偏主应力均随围压的增加和温度的降低而增加;起始屈服模量仅受温度影响;破坏比随围压的升高有降低的趋势,而随温度降低有增加的趋势;实验数据拟合结果表明,起始屈服应变、起始屈服强度和极限偏主应力分别与温度和围压呈线性关系,初始变形模量与温度和围压呈幂函数关系。     

天然气水合物岩样三轴力学试验研究

天然气水合物是一种洁净、高效、资源量巨大的新型能源,而天然气水合物的力学性质与水合物的钻探、海底地质灾害等密切相关,因此,开发天然气水合物需要了解其力学性质。为此,用覆膜砂烧结成岩样,采用原位合成方式制取不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样,利用自主研制的水合物原位测量系统,在不同围压条件下研究了不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样的力学性质。结果表明,水合物沉积物岩样的抗压峰值强度随着围压、水合物饱和度的增大而增大,内聚力随着水合物饱和度的增大而增大,而泊松比、内摩擦角不随水合物饱和度变化。根据库伦-摩尔准则并结合试验结果建立了围压、水合物饱和度与含水合物岩样峰值强度的半经验数学模型,可为深水水合物钻探所涉及的水合物强度参数的选取,以及室内试验的理论分析及数值模拟提供一定的支持。      

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。     

水合物沉积物动态弹性力学参数试验研究

水合物沉积物的声学特性是水合物藏资源评估、水合物地层钻探开发的重要依据,而目前实际原状取心难度大、成本高,故通过试验的方法对该问题进行研究具有重要意义。利用中国石油大学岩石力学实验室自主设计开发的水合物声波原位测量系统,在不同围压条件下对不同水合物饱和度的原位合成沉积物岩样进行了声波测试,并根据弹性理论,利用所测得的超声波波速,计算得到试样的动弹性力学参数。结果表明:水合物沉积物的纵横波速以及动态弹性模量均随着围压、水合物饱和度的增大而增大。      

南海北部深水浅层天然气水合物储层力学特性试验及强度准则建立

我国南海北部海域蕴藏有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,但目前针对水合物储层的力学特性研究较少,也缺乏相应的储层强度判定准则。通过模拟我国南海北部水合物储层的地质条件,根据浅部地层特点制作黏土质粉砂岩水合物储层岩样,进行了不同天然气水合物饱和度、有效围压条件下的三轴力学试验,结果表明:水合物储层的抗压峰值强度随水合物饱和度增加而增加,但水合物饱和度对岩样的刚度和泊松比影响不明显;水合物储层的抗压峰值强度和弹性模量随有效围压增大而线性增大,但增加幅度逐渐减小,而泊松比受有效围压影响没有明确的函数关系;黏土质粉砂岩水合物储层应力-应变曲线无明显的压密阶段和抗压峰值强度,弹性阶段较短,屈服阶段较长,表现出明显的应变硬化特征。根据试验结果建立了适用于南海北部的黏土质粉砂岩水合物储层强度准则,可计算不同有效围压、水合物饱和度情况下的储层内聚力,进而预测不同条件下的储层抗压强度,从而为我国南海北部水合物储层勘探开发过程中地层力学稳定对策的制定奠定理论基础。     

南海北部深水浅层天然气水合物储层力学特性试验及强度准则建立

我国南海北部海域蕴藏有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,但目前针对水合物储层的力学特性研究较少,也缺乏相应的储层强度判定准则。通过模拟我国南海北部水合物储层的地质条件,根据浅部地层特点制作黏土质粉砂岩水合物储层岩样,进行了不同天然气水合物饱和度、有效围压条件下的三轴力学试验,结果表明:水合物储层的抗压峰值强度随水合物饱和度增加而增加,但水合物饱和度对岩样的刚度和泊松比影响不明显;水合物储层的抗压峰值强度和弹性模量随有效围压增大而线性增大,但增加幅度逐渐减小,而泊松比受有效围压影响没有明确的函数关系;黏土质粉砂岩水合物储层应力-应变曲线无明显的压密阶段和抗压峰值强度,弹性阶段较短,屈服阶段较长,表现出明显的应变硬化特征。根据试验结果建立了适用于南海北部的黏土质粉砂岩水合物储层强度准则,可计算不同有效围压、水合物饱和度情况下的储层内聚力,进而预测不同条件下的储层抗压强度,从而为我国南海北部水合物储层勘探开发过程中地层力学稳定对策的制定奠定理论基础。     

分解促进剂对水合物力学的特性影响分析

目的在不同类型的分解促进剂作用下多级降压开采天然气水合物,研究水合物分解的力学性质对储层稳定性的影响。 方法采用不同有效围压、不同分解促进剂及其不同含量、焖井时间等多因素,通过多级降压分解,水合物沉积物储层岩石力学稳定性性能影响效果评价和规律分析。 结果随着降压分解,水合物饱和度降低,抗剪强度和弹性模量逐渐降低,甲烷水合物沉积物呈脆性破坏。 结论分解剂含量越大,对水合物的力学影响越大;注入含量越大,焖井时间越长,水合物强度越低,分解剂对水合物强度减弱的效果越明显;醇类分解剂(乙二醇)比盐类分解剂(CaCl₂)开采水合物更容易减弱水合物试样的强度,降低储层稳定性。      

沉积物粒度及组分与天然气水合物合成速率关系实验

天然气水合物快速合成在水合物技术工业化中至关重要,故研究水合物合成速率的影响因素具有重要意义,但沉积物粒度及组分与水合物合成速率关系的实验数据严重不足。为此利用自制水合物装置,在3℃、10 MPa轴压及围压、SDS体系下合成天然气水合物沉积物,建立了不同沉积物粒径大小、粒径占比与水合物合成速率的关系模型。结果表明:水合物合成速率随沉积物粒径增大而下降,下降幅度逐渐减小;沉积物粒径足够小时,水合物合成速率与沉积物介质类型关系不大;不同粒径占比下,随着小粒径介质占比增大,水合物合成速率先上升后下降,且小粒径介质达到一定占比时,水合物合成速率大于单一介质;沉积物粒径大小和占比主要改变了沉积物颗粒的比表面积大小,进而影响水合物合成速率。这对天然气水合物快速合成有一定的参考价值,有助于推动水合物技术工业化进程。     

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。     

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。     

渤海湾盆地沾化凹陷陆相页岩储层岩石力学特征及可压裂性研究

页岩储层的岩石力学性质与可压裂性对页岩油气的开发具有重要影响。目前对于陆相页岩的岩石力学特征和可压裂性方面的研究较少。利用X射线衍射和岩石力学实验等方法，测试沾化凹陷沙河街组陆相页岩全岩矿物组分、在不同成熟度、不同围压条件下的抗压强度、杨氏模量和泊松比等力学参数，并且对页岩储层的可压裂性进行了分析。页岩矿物成分主要为碳酸盐矿物，平均为44.93%，脆性矿物含量稍高于黏土矿物，分别为30.98%和24.09%；单轴压缩时页岩多为劈裂式破裂，易形成缝网；加围压后破坏形式变为剪切式，抗压强度、杨氏模量和泊松比均增大，可压裂性降低；页岩可压裂性与加热温度，即热成熟度呈正相关。综合考虑页岩矿物成分、力学性质、成岩作用和围压等因素，建立可压裂系数数学模型，可对页岩储层的可压裂性进行定量评价，为压裂选层提供依据。      

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。     

旋转射流冲蚀天然气水合物试验及数值模拟研究

为探究适合南海天然气水合物特点的高效开发模式,对比分析了淹没围压条件下锥形射流和旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物的成孔规律。首先,利用 LS-DYNA软件,建立了旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物的拉格朗日–欧拉（ALE）流固耦合模型,分析了淹没、围压条件对旋转/锥形射流冲蚀天然气水合物沉积物效率的影响;然后,利用自主设计研制的天然气水合物生成及射流冲蚀可视试验装置,进行了天然气水合物沉积物生成及冲蚀试验,天然气水合物二次生成后,在冲蚀坑中注石膏,测量冲蚀孔孔深及孔径。对比分析数值模拟和室内试验结果发现:围压在增强天然气水合物沉积物强度的同时,抑制了射流扩散能力,降低了射流冲蚀天然气水合物沉积物的效率;在无围压和围压5 MPa条件下,旋转射流冲蚀天然气水合物沉积物体积分别是锥形射流的1.8和1.7倍。研究结果表明,对于泥质粉砂储层天然气水合物沉积物,旋转射流在保证冲蚀孔孔深的同时,具有比锥形射流更强的扩孔能力,这为固态流化法开采天然气水合物提供了依据。      

川东北地区致密碎屑岩动静弹参数实验研究

利用“MTS系统”对四川盆地东北部上三叠统和中侏罗统致密碎屑岩进行了模拟地层条件下的波速及力学参数同步测试,并讨论了弹性参数的变化规律以及动静态参数间的关系。随着岩石中泥质含量和孔隙度的增加,波速和杨氏模量均降低。多数情况下,平行层理方向样品的波速、动态杨氏模量和体积模量大于垂直层理方向。随着温度的升高,波速、动态杨氏模量和体积模量都呈下降趋势。随着有效围压的增加,波速、动态杨氏模量和体积模量均呈现增加趋势,而泊松比在饱水时降低、干燥时增加。随着轴向差应力的增加,波速先增后降;对于砂岩,纵横波峰值速度大致在极限强度的80%和50%处。饱水样品的纵波速度和动弹模量明显大于干燥样品,而横波速度与饱水与否无关。动杨氏模量大于静杨氏模量,而动静泊松比间的相对大小关系不明显。     

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。     

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。     

颗粒抗滚动作用对水合物沉积物宏观及微观力学特性的影响

因其清洁无污染且储量巨大,天然水合物被认为是21世纪重要的战略资源。为有效考虑水合物沉积物中由于不规则的颗粒形状对宏观响应产生的影响,在离散元数值模拟中引入抗滚动线性接触模型,对抗滚动系数为0、0.2、0.4、0.6、0.8以及不同饱和度(10%、20%、30%、40%)的水合物沉积物数值试样进行了20组常规三轴压缩试验,探究了抗滚动作用对水合物沉积物的宏观力学特性的影响及微观作用机理。研究结果表明:抗滚动作用可以有效提高水合物沉积物的宏观强度和剪胀程度,但是抗滚动作用对于强度和剪胀的促进作用并不会无限增大,而是存在一个临界值,大于临界值之后,抗滚动作用对宏观力学特性的影响越来越小。这是由水合物沉积物内部微观结构的演化决定的:抗滚动系数的增大,虽然配位数降低,孔隙率有所增加,但颗粒的平均接触力将会随之增大,内部形成贯穿试样的强力链,从而使沉积物体系更加稳定,而当抗滚动系数增大至特定值时,平均接触力、配位数以及孔隙率受到抗滚动作用的影响逐渐减小,从而使水合物沉积物的宏观力学特性受到抗滚动作用的影响也会越来越小。