含甲烷水合物沉积物电–声响应特性联合探测：装置开发与实验研究

为了满足开展天然气水合物模拟实验、测试电学和声学特性参数以及建立特性参数与含水合物饱和度之间关系的需求，开发了一套电–声响应特性联合探测实验装置，以海沙模拟松散沉积物开展了甲烷水合物生成和分解模拟实验，联合探测了电学和声学参数，分析了被测体系的电学和声学响应特性。研究表明：（1）通过电–声响应联合探测实验装置能够同步获取宽频率范围电学阻抗谱和超声波接收信号波形；（2）通过设计电声复合传感器及其阵列式排布方式和“分时轮流”工作模式能够获取电学和声学参数的空间分布信息；（3）基于所提出的波动百分比和相关系数指标对不同频率阻抗模值进行评价所获得的100 kHz阻抗模值随含水合物饱和度的增加先减小后增大，经过有效压力校正后的超声波接收信号波动幅度值随含水合物饱和度的增加而升高；（4）上述两者分别可以作为分析和建立与含水合物饱和度之间关系的电学和声学有效特征参数。所开发的实验装置为将来开展含水合物复杂沉积物的模拟实验与测试工作提供了必要条件，所得到的电学和声学有效特征参数为含水合物饱和度计算模型的建立奠定了基础。     

祁连山冻土区天然气水合物形成对岩芯电阻率及介电常数的影响

选取祁连山天然气水合物钻探区DK-8井岩心样品中的砂岩,利用模拟气合成含天然气水合物砂岩样品,并进行电阻率及介电常数研究。砂岩样品在天然气水合物形成后电阻率明显增大。在温度震荡过程中,电阻率测量能检测到水合物或冰的二次形成。在天然气水合物形成过程中,体系的介电常数变化规律复杂,在1 kHz ~ 100 kHz频段内,含水合物岩石的介电常数存在频散特性,频率高于100 kHz,频散特性变弱。从介电常数的实验结果来看,基于介电常数的电法勘探技术可用来定性分析含水合物储层,但很难定量研究储层的水合物饱和度。     

基于TDR双参数的沉积物中水合物饱和度测量

针对沉积物中水合物饱和度的测量问题,立足于时域反射技术（TDR）能够同时获得含水合物沉积物表观介电常数和电导率的优点,提出了一种基于介电常数/电导率双参数的水合物饱和度评价新方法。在分析介电常数和电导率测量原理的基础上,设计了四氢呋喃（THF）水合物模拟实验与参数测量系统以及实验方案;基于TDR测量响应分析了孔隙水电导率对水饱和的以及含水合物的模拟沉积物介电常数和电导率的影响;利用TDR获取的不同水合物饱和度条件下的介电常数测量数据对比分析了经典介电常数模型的性能,并以Lichteneker-Rother（LR）模型为原型建立了水合物饱和度与介电常数之间的关系模型,以阿尔奇公式为原型建立了基于TDR测量电导率的水合物饱和度计算模型。研究结果表明：采用LR模型和Maxwell-DeLoor模型能够较准确地描述TDR测量表观介电常数与水合物饱和度之间的关系;基于表观介电常数/电导率双参数的水合物饱和度联合评价方法为提高评价结果的准确度和可靠性提供了新途径。将来需要结合水合物储层实际特征开展模拟实验并进一步完善饱和度计算模型,将基于TDR双参数的饱和度联合评价方法推广应用到含天然气水合物沉积物。     

多孔介质中甲烷水合物的微观分布对电阻率的影响

电阻率测井技术是天然气水合物储层资源量估算的重要手段,明确储层电阻率与水合物在沉积物孔隙中微观分布的关系对准确估算水合物饱和度有重要意义。使用自主研发的天然气水合物计算机断层扫描（CT）技术-电阻率测量装置,开展多孔介质中甲烷水合物生成实验,同时进行CT观测与电阻率测试,得到了反应过程中扫描图像和电阻率数据,讨论了孔隙中水合物在不同微观分布模式下电阻率与水合物饱和度的关系。结果表明：水合物饱和度低于10.50%时,水合物以接触分布模式为主,与水合物对孔隙的填充效应相比,排盐效应更加显著,电阻率随水合物饱和度增大略有下降;水合物饱和度为10.50% ~ 22.34%时,水合物为悬浮与接触共存分布模式,悬浮分布模式下的水合物对孔隙水连通截面的阻塞作用较大,电阻率随水合物饱和度的增大急剧升高;水合物饱和度为22.34% ~ 27.50%时,水合物仍然为悬浮与接触共存分布模式,在大部分孔隙已被堵塞的情况下水合物的填充作用对电阻率影响较小,电阻率随水合物饱和度增大而升高的趋势逐渐变缓。可见,电阻率响应特性在不同的水合物饱和度范围下明显不同,与水合物的微观分布有关。     

含天然气水合物硬岩体系介电常数实验研究

含天然气水合物沉积物的介电常数是水合物资源勘探开发过程中的重要参数。祁连山冻土区钻探表明水合物储集层多属致密型岩石类型,因此无法精确定位水合物储层及估算资源量,探地雷达及介电测井成为重要的备选方案。本文设计并建立含水合物岩心介电常数测试系统,对祁连山水合物钻探区DK-8井岩心样品进行实验。结果表明,含水合物砂岩样品的介电常数与外加电场的频率相关,即介电常数总趋势是随频率增高而减小,而在低频端出现高值,介电常数与频率呈现指数关系,含水合物砂岩的实验结果符合岩石介电常数规律。同一岩石样品,含水合物岩石的介电常数介于饱水岩石和干岩石介电常数之间。在气饱和条件下,同一岩石孔隙中较高介电常数的极化水转化为较低介电常数水合物导致含水合物岩石介电常数低于饱水岩石;但是水合物的介电常数高于空气的介电常数使含水合物岩石的介电常数高于同一块干岩石的介电常数,说明岩石中水合物增大了岩石的介电常数。含水合物样品在10 ~ 40 MHz频段存在频散特性;频率高于50 MHz,频散特性变弱,介电常数变化很小。     

基于电-力-声多物理场耦合数值模型的含水合物多孔介质声速和衰减特性研究

在物理模拟实验中对水合物微观赋存模式和饱和度进行准确控制和评价尚存在技术困难,仅依赖实验技术研究含水合物沉积物声学特性、建立储层参数解释模型存在局限性。采用基于有限元的数字岩石物理技术,针对悬浮、接触和胶结三种典型的水合物微观赋存模式分别建立多孔介质的三维电-力-声多物理场耦合模型,考察了微观赋存模式和水合物饱和度对多孔介质声速和衰减的影响规律,对比了声速数值模拟与理论模型计算结果,建立了声波衰减参数与水合物饱和度之间的关系式。研究结果表明：（1）对于三种水合物赋存模式,由于水合物相比孔隙水具有更高的弹性模量,多孔介质的声速随着水合物饱和度的增大而增大;水合物的存在导致声波在传播过程中遇到更多不连续的声阻抗界面,声衰减随着水合物饱和度的增大而近似线性增大;（2）悬浮和接触赋存模式条件下,水合物饱和度对多孔介质的声速和衰减影响规律基本一致;对于相同的水合物饱和度,胶结模式条件下含水合物多孔介质具有更高的声速和更小的声衰减;（3）通过合理选择参数值,利用权重方程与Lee改进的Biot-Gassmann Theory（BGTL）模型估算的含悬浮和接触模式水合物多孔介质的声速较为准确;通过等效介质理论模型C计算的含胶结模式水合物多孔介质的声速更为准确。研究结果可为获取复杂条件下含水合物沉积物的声学特性提供数值建模方法,为基于声波测井数据的水合物储层精细评价提供理论支撑。     

含甲烷水合物的石英砂渗透率实验和分形模型对比研究

含水合物的多孔介质渗透率是影响水合物开采的关键参数,多孔介质渗透率与水合物的饱和度密切相关。定量研究多孔介质渗透率随水合物饱和度的变化,对自然界中天然气水合物藏内渗流场的研究具有重要的理论价值。本文以平均粒径为139.612 μm的石英砂为多孔介质,采用稳态注水法测量在不同甲烷水合物饱和度（0 ~ 28.56%）下的石英砂渗透率,将实验数据与两种不同水合物赋存形式（颗粒包裹、孔隙填充）下的石英砂渗透率二维分形模型进行了对比。结果表明,石英砂渗透率比K_r随甲烷水合物饱和度S_h的增大呈现指数减小的趋势。当水合物饱和度低于11.83%时,渗透率比下降缓慢。而当水合物饱和度高于11.83%时,渗透率比下降迅速;当饱和度指数n = 12时,渗透率分形模型与实验数据吻合良好。通过分形模型与实验数据对比,发现当水合物饱和度低于11.83%时,甲烷水合物的赋存形式为颗粒包裹型。在11.83% ~ 28.56%水合物饱和度范围内,甲烷水合物的赋存形式为孔隙填充型。本研究成果量化了石英砂渗透率与甲烷水合物饱和度的关系,确定了含甲烷水合物的石英砂的渗透率分形模型的参数取值。     

水合物沉积物三轴试验存在的关键问题分析

三轴剪切试验是获得含水合物沉积物强度参数最有效的途径之一。目前国内研究者从不同的角度进行了大量研究,在某些关键科学问题上形成了共识,但仍存在诸多科学问题需要业内同仁共同探讨。本文在充分调研国内外含水合物沉积物三轴力学测试成果的基础上指出：由于缺乏统一的测试标准和规范,目前国内含水合物沉积物三轴剪切试验仍存在不同研究成果横向可比较性差、经验模型通用性不足、测试结果与现场实际差距大等关键科学问题;制样方法、粒度分布规律、沉积物本身固结程度、试验温度、剪切速率、气体类型、饱和度测量方法、试样尺寸等的差异是造成上述问题的关键因素。为了增强研究成果的指导意义,笔者建议各研究者在发表研究成果的同时公布详细的测试方法和测试条件,通过建立统一的行业标准来促进含水合物沉积物三轴剪切试验的发展,从而为水合物资源的安全高效开采提供科学依据。     

含水合物沉积物力学-声学联合试验设备的开发和初步应用

为开展天然气水合物沉积物力学、声学特性的试验研究，对高压-温控三轴试验设备的管道线路进行重新规划，并引入GCTS超声波测试系统。为了检验仪器性能，利用福建标准砂和甲烷气体制备不同水合物饱和度的沉积物试样，开展不同有效围压下的三轴排水剪切试验。结果表明：设备能稳定制备含水合物试样并进行力学试验，试验全过程可实时测试试样的压缩波速和剪切波速；波速变化与试样内部密实度、颗粒分布的变化等密切相关，可反映试样体积的变化及剪切初期的剪胀特性；通过固结后的波速计算试样的泊松比，在0.16～0.31之间。     

天然气水合物储层力学特性研究进展

自然界中的水合物一般产出于深水海底浅层未固结成岩的松散沉积物中和陆域冻土区岩石裂隙或孔隙中。水合物的分解会导致地层胶结强度、孔隙度、地质结构等发生变化，从而引发地质灾害，严重威胁水合物资源的安全开采。本文在大量调研文献的基础上，结合已有的天然气水合物制样、三轴力学测试研究现状和本构模型研究进展，系统分析影响含水合物沉积物的力学特性的主要因素和本构模型的发展趋势，梳理了获得的共识和存在的问题，提出了下一步研究方向，从而为下一步含水合物沉积物力学强度实验、本构模型开发以及储层稳定性研究等提供参考。     

Modeling the mechanical response of gas hydrate reservoirs in triaxial stress space

Exploitation of gas from deep-sea methane hydrate-bearing layers might lead to some geological disasters, including marine landslides and excessive settlement of marine ground. The first offshore gas production tests for methane hydrate-bearing sediments were carried out in eastern Nankai Trough. However, knowledge on mechanical behavior of gas hydrate reservoirs with similar gradation and minerology component to the marine sediment is still insufficient. Consequently, proper modeling of geomechanical properties of methane hydrate-bearing sediments is crucial for reservoir simulation and deep ocean ground stability analysis for long-term gas production in the future. This study conducted a series of triaxial shear tests to examine the shear response of methane hydrate-bearing sediments with a similar grading curve and minerology components to the hydrate-rich sediments in Nankai Trough. The test results demonstrated that the presence of hydrate mass between sand grains altered the stress-strain pattern from strain-hardening to postpeak strain-softening. A simple constitutive model based on several empirical relationships of granular materials is proposed to describe the stress-strain relationship of methane hydrate-bearing sediments under triaxial stress condition. This model can reproduce the enhancement of shear strength, initial stiffness, and dilation behavior of methane hydrate-bearing sediments containing different amounts of fines content with a rise in the methane hydrate saturation at a wide range of effective confining pressures. The numerical results indicate that the parameter A associated with initial stiffness of stress-strain curve and the parameter $\text{α}$ related with dilation properties are jointly governed by the confining pressure, fines content, and hydrate saturation.     

甲烷水合物及其沉积层导热特性的研究现状

总结了近年来国内外甲烷水合物及其沉积层导热特性的研究现状,从实验测试和模拟研究两方面分析了甲烷水合物及其沉积层的导热影响因素、相关规律和导热机理。研究结果表明：纯质水合物的导热性能与外界温度、压力、客体分子数量、多孔介质、笼形结构等因素有关,其值大小主要由主体水分子形成的笼形结构决定;而水合物沉积层导热系数的大小主要依赖于实验样品的组成成分、初始水饱和度、各组分分布,与温度、压力以及垂直有效应力关系不大。最后,指出了现存研究方法中一些值得改进的地方,并对今后的研究工作进行了展望。     

A state-dependent subloading constitutive model with unified hardening function for gas hydrate-bearing sediments

Natural gas hydrate in ocean sediments and permafrost areas may become a significant potential energy resource. Since the hydrate dissociation may affect the stability of production wells and even lead to geological hazards, it is essential to study the mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments (GHBS) for the efficient and safe extraction of gas hydrate. This study presents an extended subloading Modified Cam-Clay model for clayey-silty and sandy GHBS. The state-dependent unified hardening function and equivalent skeleton void ratio are newly introduced to consider the coupled effects of stress level, void ratio, dilatancy, and hydrate saturation on the mechanical behavior of GHBS. Based on the theory of hyperelasticity, an elastic constitutive relation accounting for the influences of cementation caused by hydrate formation and sediment structure change caused by hydrate dissociation is established by using a stiffness evolution function related to hydrate saturation. The bonding and debonding law of strength reflecting the hydrate cementation and its degradation are used. The model is applied to simulate different triaxial tests of GHBS, and its performance in predicting the isotropic compression, strain hardening and softening, shear contraction and dilation, and collapse induced by hydrate dissociation is investigated.     

天然气水合物沉积物分解过程中本构关系研究

天然气水合物具有储量大、分布广泛、清洁燃烧等优点,近年来受到研究人员的广泛关注。为了实现天然气水合物资源的安全高效开采,对其沉积层的力学稳定性进行系统评估是十分必要的。本研究在实验室内重塑了40%孔隙度的天然气水合物沉积物试样,并基于力学实验设备,对其在不同围压条件下分解过程中的力学强度及变形进行了一系列测试,获取了相应的应力应变数据。研究结果表明,水合物分解会造成沉积层强度的降低。此外,基于实验数据,在借鉴土力学邓肯-张本构模型的基础上,考虑了围压及分解时间对沉积物力学特性的影响,本文构建了适用于不同围压条件下天然气水合物沉积物分解过程中的本构模型,研究结果表明,该模型可以较好地模拟沉积物试样在分解过程中的应力应变关系,可为实现天然气水合物的安全开采提供一定的理论依据。     

含水合物地层渗流特性实验研究进展及瞬态压力脉冲法适用性分析

调研了含水合物地层渗流特性实验研究进展,归纳总结了现有的缺点与不足;概述了瞬态压力脉冲法的基本原理及其应用现状,分析讨论了该方法应用于含水合物地层渗流特性实验研究的适用性。主要结论如下：保持稳定渗流难、测量耗时长和水合物易扰动是现有实验研究存在的主要不足;瞬态压力脉冲法能够解决上述不足,且测量精度高,具有良好的适用性,特别适用于我国南海含水合物地层。建议开展我国南海水合物成藏与开采过程中地层渗流特性模拟实验研究工作。