不同因素对天然气水合物稳定带厚度的影响

天然气水合物在未来能源、自然环境和灾害等方面具有重要的研究意义,天然气水合物稳定带厚度用来表示水合物发育与分布的可能范围,与地温梯度、海水深度和海底温度等参数密切相关。根据Dickens和Quinby相平衡公式,定量计算了不同地温梯度、海水深度和海底温度参数下的水合物稳定带厚度。在保证其中2个参数不变的情况下,天然气水合物稳定带厚度随地温梯度增加而有规律的递减,随海水深度增加不断增加,随海底温度增加水合物稳定带厚度降低并且呈良好的线性关系。海底温度不变条件下,水合物稳定带厚度从地温梯度大、水深浅的区域,向地温梯[JP2]度小、水深较深的区域不断增大。海底深度不变时,从地温梯度大、海底温度高的区域到地温梯度小、海底温度低的区域,水合物稳定带厚度不断增大。此外,讨论了基于Dickens和Quinby、Brown及Peltzer和Brewer等3种相平衡公式计算水合物稳定带厚度的差异,根据Dickens和Quinby相平衡公式计算的水合物稳定带厚度最大,其他相平衡公式计算的水合物稳定带厚度相对较小。     

天然气水合物三维成藏物模实验系统的构建与检验

现有的天然气水合物（以下简称水合物）成藏模拟装置侧重于合成少量均相水合物或含水合物沉积层,受制于装置体积,而某些影响因素如地温梯度等难以在室内实验中再现。为此,提出了建立水合物成藏大型三维物模实验系统来解决相关问题的技术思路。首先通过调研分析,确定了系统的设计指标：最大工作压力为32 MPa,模拟地温梯度介于3～6 K/100 m,可再现自然界扩散、渗漏、原位3种水合物成藏机理。据此建立了物模实验系统：①系统主体高压反应釜容积为196 L,内置30个PT100温度传感器、30个电阻率探测电极、16对声偶极子,构成覆盖整个沉积层的传感器点阵;②系统可在海底和陆地水合物成藏典型温压条件下模拟多种天然气供气方式,考察水合物的动态生成行为,以及成藏后新鲜海水循环下的水合物动态演化行为。试运行结果表明：该系统满足设计指标中提出的各项要求,实验流程可确保安全、稳定、长期运行;传感器经过标定后,可以准确测定各个物理量。最后,通过测定实验介质的多项物性参数值,进一步验证了该系统的可行性和可靠性。     

天然气水合物的热物理性质

天然气水合物的热物理性质是研究和发展天然气水合物技术的基础。本文搜集和查阅了国内外关于天然气水合物热物理性质方面的最新研究成果,对天然气组成的单组分水合物的导热率,吸附热,分解热和比热等热物理性质进行了归纳和总结,明确了影响这些热物理性质的相关因素。针对目前的研究现状,提出了在已知水合物气体组成情况下,如何建立分析组分不同的天然气水合物的热物理性质的理论模型问题。     

海洋天然气水合物的形成机理探讨

综述了国内外对天然气水合物成因机理的研究现状和天然气水合物的气体成因类型。重点探讨了海底之下天然气水合物的形成机理,提出了强渗漏和弱渗漏系统的概念和分析了基于这两种系统的水合物形成模式和特点。认为:强渗漏系统是指海洋底部由地壳构造活动产生的挤压或拉伸等变形作用,或者由于海洋沉积物的侧向挤压变形作用而出现断层,许多圈闭的烃类气体由此向上渗流并大量漏出,形成较稳定的水合物形成所需的气源,该系统形成的天然气水合物分布集中,储量密度大,具有实际开采价值;弱渗漏系统是指以甲烷为主的烃类气体由微生物和热作用生成后散布于原地的海底之下较为松散的多孔沉积物中,这些沉积物因温压变化可形成天然气水合物,但这类水合物分布分散,不能成藏,不利于开采。另外还探讨了我国南海天然气水合物成藏的可能性。     

对琼东南盆地Q深水区块天然气水合物的几点探讨

此文分析了琼东南盆地Q深水区块的水深、海底温度和地温梯度条件,并在此基础上计算了此区块天然气水合物稳定域（GHSZ,gas hydrate stable zone）,计算结果为:（1）在此区块的海底温度和地热梯度条件下,水深大于600 m的海域才能满足在海底形成天然气水合物的温度和压力条件;（2）天然气水合物稳定域的厚度与水深成正比,此区块范围内GHSZ最大厚度在350 m左右。另外,分析了琼东南盆地Q深水区块三维地震资料,并同韩国郁陵盆地的高分辨率地震资料进行了对比,两者有类似的地震异常:都发现了大量的浅层气、碎屑流堆积体、气烟囱等。韩国已在郁陵盆地相应地震异常区域获得了不同类型的水合物实物样品。可以推测,在琼东南类似地震特征处也可能取到相应类型的水合物。通过天然气水合物温度和压力条件计算得出的天然气水合物稳定域底界埋藏深度,可以作为一个约束条件,指导地震剖面中浅层气与水合物的解释。     

深水钻井井筒中天然气水合物生成风险评价方法

综合考虑天然气水合物相平衡条件、井筒温度-压力场和地温梯度,建立了深水浅部地层天然气水合物生成区域预测方法和深水钻井中井筒内天然气水合物生成区域预测方法。分析结果表明深水浅部地层钻井比深部地层钻井生成天然气水合物的风险更大。在此基础上引入过冷度密度对不同井深处的天然气水合物生成风险进行定量评价,同时基于施工参数的无因次化建立了重点区域天然气水合物生成风险定量评价方法。实例计算表明:深水钻井中海底井口附近和隔水管下部水合物生成风险等级最高;钻井液导热系数、入口温度、排量和NaCl浓度对井筒中天然气水合物生成风险影响最大,可以根据各施工参数的敏感因子并结合现场实际情况定量优化钻井设计和施工,从而降低或避免风险。     

水合物法天然气管道输送的实验研究

随着海洋油气开发向深海进军,海底油气混输管线受困于天然气水合物堵塞问题。天然气水合物浆液管道输送技术是保障深水油气田开发的新工艺,而研究天然气水合物浆液的流动特性则是实现上述管输新技术大规模工业应用的重要基础。为此,自行设计了一套模拟海底油气管道天然气水合物生成及其浆体流动的实验装置,分析了模拟海底管道工况下天然气水合物的生成特点,推断出海底管道中天然气水合物生成大致经历乳状物→粒状物→团状物→云状物4个过程;测定了不同工况下天然气水合物生成的诱导时间和生成时间,发现随着反应压力增大,天然气水合物的诱导、生成时间逐渐缩短;比较了温度对天然气水合物生成的影响,发现随着温度升高,天然气水合物的诱导、生成时间均变长;研究了不同工况下的耗气量;初步探讨了海底管道中流动体系下天然气水合物的生成机理。该成果为海底管道以水合物法输送天然气提供了技术依据。     

天然气水合物注热开采能量分析

天然气水合物储量巨大、清洁环保，作为一种潜在战略能源逐渐受到了重视。综述了天然气水合物开采方式并进行了分析，认为由于水合物以固体形式存在，原始状态下渗透率极低，压力传播范围十分有限，降压法开采面临一定的困难；考虑了加热法开采水合物过程中地层内的所有吸热因素，把水合物加热分解过程分为了三个阶段；计算了各部分吸收热量占注入热量的比例。结果表明：注热开采水合物的大部分能量被非水合物升温所消耗，因此提供足够的热源是水合物开发的关键。针对海底水合物开采所需要大量能量供给的状况提出了两种经济廉价的热源。     

地面分解法开采海底天然气水合物

在海底和永久冻土地带天然气水合物的储量巨大，很多国家加大了对海底天然气水合物的勘探和研究力度。由于受物理化学特性的影响，天然气水合物在压力、温度改变的情况下会发生分解，海底天然气水合物的开采难度大。热溶法、抑制剂刺激法等理论方法都不适合于海底表层天然气水合物的开采。介绍了地面分解法这一天然气水合物开采的新方法，该方法利用海底采矿技术，将水合物通过管道输送到海上平台，加以分解利用。该方法在理论上克服了海底天然气水合物在海底分解时吸收热量使周围环境温度降低而无法继续进行的困难，也克服了不能用传统的减压法开采等缺点，具有简单、经济适用，能长期工作等特点。但在实际生产中，需要对工作参数的合理确定、沉渣排放对海洋环境的影响等问题进行深入研究。     

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天然气在海底沉积层多孔介质中可能存在分形扩散行为,在此基础上，分析了沉积层中天然气水合物的形成原因。在公认的水合物形成的地质模型的基础上,提出了一个海底沉积层中天然气水合物的形成过程由气体的分形扩散过程主导的基本假设，并综合运用分形几何理论及经典扩散理论建立了一个新的水合物生成动力学模型。该模型描述出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，并通过对分形维数的修正，进一步对水合物的形成速率方程进行了数值求解，分析了分形维数及扩散半径的改变对水合物形成速率的影响，并将所得结果与实验室数据及实地勘测数据进行了比较。预测了我国南海海下天然气水合物的储量，得到了一个比目前常规方法所预测结果偏小的储量预测值，并进一步对此进行了分析。     

基于机器学习方法的天然气水合物稳定带厚度计算

随着互联网大数据发展,人工智能算法逐渐能自动学习数据特征和挖掘大数据隐藏的信息,且其预测结果具有极高的准确度和可靠性。机器学习是人工智能的核心算法,目前已应用于多个领域,在地球科学领域的应用也已兴起。天然气水合物稳定带是评估水合物资源潜力的关键参数,其准确性直接影响水合物勘探进程和结果。前人在计算水合物稳定带厚度时往往采用较为简单的模型,忽略气体组分、热导率等因素的影响,计算结果存在较大偏差。基于不同海水盐度和气体组分条件下的天然气水合物实验数据构建机器学习模型,利用机器学习算法预测天然气水合物的相平衡条件;进而结合南海北部的气体组分、热流、热导率等数据,计算得到南海北部水合物稳定带厚度。结果分析表明机器学习模型预测的水合物相平衡曲线与实验数据高度吻合,决定系数高达0.997。计算的南海北部水合物稳定带厚度与水合物钻井和地震资料揭示的结果基本一致。 本研究提供了一个机器学习算法在水合物稳定带厚度估算中的应用实例,表明人工智能算法在未来天然气水合物资源预测和潜力评价中具有较大的应用前景。     

新型相变材料对低热水泥浆性能的影响

深水低温天然气水合物地层固井,需要水泥浆体系在水化过程中少发热,尽量降低水合物地层温度上升的程度。因此,针对深水天然气水合物地层固井,研究了一种用于低热水泥浆体系设计的新型相变材料,并研究了相变材料的热存储性能及其对水泥浆体系性能的影响。实验结果表明,新型相变材料相变峰值温度为15.5℃,相变温度在井下低温与常温之间,且相变潜热较大。当相变材料在77.8℃以下时,具有良好的热稳定性,且在0℃～60℃之间经历多次升降温后,相变材料化学结构没有发生变化。随着相变材料加量的增加,水泥浆的流变数据呈现增大的趋势,但加量达到8%时流变性依然满足固井施工要求。此外,新型相变材料可以改善水泥浆体系的稳定性。相变材料对低热水泥浆体系的抗压强度影响不大,加入8%相变材料的水泥石抗压强度也达到8.9 MPa,抗压强度最大下降幅度小于5%。当加入2%、4%、6%、8%相变材料后,水泥浆体系稠化时间比无相变材料水泥浆体系最大缩短约15 min,水泥浆体系72 h水化热较空白水泥浆体系分别下降5.2%、29.1%、35.6%、47.6%。研究结果为天然气水合物层低热水泥浆体系的设计提供了支持与参考。      

氧化石墨烯作为新型促进剂加速CO_2水合物生成实验

为了解决气体水合物生成速率慢、储气密度低、生成条件苛刻等难题,利用高压反应釜生成实验装置,探究了添加质量浓度为0.2 g/L的氧化石墨烯对CO_2水合物生成的诱导时间、气体消耗量及CO_2水合物相平衡压力的影响,揭示了温度和压力的变化规律,与去离子水中CO_2水合物生成实验进行了比较并分析了其促进机理。结果表明:①氧化石墨烯具有动力学促进和热力学促进的双重作用,能够加快CO_2水合物体系的传热传质效率,促进气体溶解,提高成核速率和气体消耗量,降低相平衡压力;②与去离子水相比,氧化石墨烯体系下CO_2水合物生成诱导时间缩短了74%~85%;③温度为6℃时,随着初始压力的不同氧化石墨烯均能提高气体消耗量,在4 MPa时气体消耗量增长幅度最大,达17.2%,提高了水合物储气密度;④氧化石墨烯降低CO_2水合物相平衡压力的最大降幅为20%。结论认为,该新型促进剂能够提高CO_2水合物的生成速率和储气密度。     

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在标准状况下1m^3的水合物可包容150－180m^3的天然气，其巨大的储气能力和相对“温和”的储气条件为天然气储运展现了很好的前景。介绍了水合物储存天然气的实验装置，并对合成天然气（甲烷，乙烷，丙烷的体积百分比分别为91．47％，4．94％，3．09％）的水合物形成过程进行了初步的实验研究，获得了水合物形成过程的耗气速度，储气密度与水合物形成条件（压力，温度）的关系。在压力为3.79MPa，温度为273．95K的试验条件下，单位体积的水合物可储存约145体积的天然气（标准状况下），水合物填充率达到理想填充率的81％。     

深水高温高压井钻井液技术

LS25-1S-1深水高温高压井实钻井深为4 448 m,完钻层位为梅山组,采用六开井身结构,φ212.7 mm井段为目的层段,压力系数预测为1.70~1.84,安全密度窗口窄,需重点关注井控、防漏和水合物生成的预防;同时由于井底温度约为147℃,而出口温度只有17℃,保持钻井液在高密度下的高、低温稳定性、防重晶石沉降、良好流变性和储层保护是该井段技术重点。以LS区块气源为研究对象,通过利用水合物抑制软件HydraFLASH绘制不同抑制剂浓度下水合物P-T相图,优选出钻进及静止期间水合物抑制配方:（9%~15%）NaCl+5% KCl+10% KCOOH+（0~45%）乙二醇。选用了抗高温降滤失剂HTFL,其加量为0.8%时体系高温高压滤失量小于10 mL,泥饼质量好。研发了一种新型的封堵剂PFFPA,PF-FPA较FLC2000具有更好的封堵降滤失效果。性能评价结果表明,该体系抗温达170℃,高低温流变性平稳,能抗10%的钙土污染,而且沉降稳定性好,封堵能力强,渗透率恢复值在80%以上,储层保护效果好。在现场应用中,通过Drill Bench软件模拟,将排量降至1 400 L/min,此时ECD为1.94 g/cm3,小于漏失压力当量密度（1.96 g/cm3）,ROP为10 m/h,岩屑传输效率仍在85%以上,满足携岩要求。该井顺利完钻,表明该套钻井液技术解决了现场作业难题。      

黑海水合物气资源评价

黑海是欧洲东南部和小亚西亚之间的内海,是古地中海的一个残留盆地。从20世纪70年代到90年代科学家多次在黑海发现了天然气水合物样品,证实了天然气水合物广泛分布在黑海陆坡、陆脚和深水盆地。综述了多篇文献对黑海水合物气的资源评价结果:黑海天然气水合物稳定带的厚度依据海底深度变化而变化,海底深度越大,气水合物稳定带的厚度越大,反之亦然;黑海气水合物稳定带沉积物体积为25600～30000km2,天然气水合物的体积为(300～350)×109m3,其中天然气水合物所含的天然气为(42～49)×1012m3。     

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。     

OCEANIC METHANE HYDRATE: THE CHARACTER OF THE BLAKE RIDGE HYDRATE STABILITY ZONE, AND THE POTENTIAL FOR METHANE EXTRACTION

Oceanic methane hydrates are mineral deposits formed from a crystalline "ice" of methane and water in sea-floor sediments (buried to less than about 1 km) in water depths greater than about 500 m; economic hydrate deposits are probably restricted to water depths of between 1.5 km and 4 km. Gas hydrates increase a sediment's strength both by "freezing" the sediment and by filling the pore spaces in a manner similar to water-ice in permafrost. Concentrated hydrate deposits may be underlain by significant volumes of methane gas, and these localities are the most favourable sites for methane gas extraction operations. Seismic reflection records indicate that trapped gas may blow-out naturally, causing large-scale seafloor collapse.
In this paper, we consider both the physical properties and the structural integrity of the hydrate stability zone and the associated free gas deposits, with special reference to the Blake Ridge area, SE US offshore, in order to help establish a suitable framework for the safe, efficient, and economic recovery of methane from oceanic gas hydrates. We also consider the potential effects of the extraction of methane from hydrate (such as induced sea-floor faulting, gas venting, and gas-pocket collapse). We assess the ambient pressure effect on the production of methane by hydrate dissociation, and attempt to predict the likelihood of spontaneous gas flow in a production situation.     

天然气水合物成因类型及成矿特征与南海北部资源前景

世界上迄今勘查发现的天然气水合物成因类型,根据其烃气源构成及供给特点与成矿特征,可划分为自源生物气扩散型、他源热解成熟气渗漏型以及自源生物气—他源热解气混合型3大类,但目前自然界分布比较普遍的是“自源生物气扩散型”水合物,其他类型天然气水合物由于受烃气源供给及输送通道等条件制约,仅限于存在深部烃气源供给输导系统的局部地区。南海北部深水盆地新生代处于准被动大陆边缘的区域地质背景,具有北部拉张裂陷的大陆边缘性质,其凹陷裂陷深、沉积充填规模巨大,不仅有利于深水油气藏的形成,而且亦是天然气水合物形成与分布的有利区域。初步预测表明该区不但深部具有丰富的深水油气,而且浅层深水海底沉积物中天然气水合物资源潜力巨大。     

一种新型低放热水泥材料的室内性能研究

海洋深水钻探常常钻遇浅层水合物层,常规低温水泥浆放热量大,固井期间会引起水合物层不稳定,影响固井质量。通过对几种胶凝材料的筛选研究,开发了一种新型低放热水泥材料,从而建立了一套可适于深水浅层水合物层固井的低热水泥浆体系。该水泥浆体系在密度为1.40～1.60 g/cm3时,3 d的水化热均小于200 J/g,水泥石在10℃下养护24 h后的抗压强度大于3.5 MPa,降失水性能较常规低热水泥有较大提高,均小于50 mL,流变性测试φ₃₀₀均在300以下,同时新型低热水泥性能比普通低热水泥水化热更低,稠化时间可调,室内实验表明,新型低热水泥浆体系在低温环境下具有低水化热、高早强、低失水以及稠化性良好等特点,能够满足海洋深水水合物层固井作业的要求。