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。     

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。     

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。     

基于宽频复电阻率的含黏土沉积物中水合物饱和度计算方法

天然气水合物沉积物中的黏土成分显著影响沉积物的电学特性以及水合物饱和度的计算模型。以自主设计开发的复电阻率参数测量装置为实验平台,在20 Hz ~ 100 kHz频率范围内测试了黏土条件下含水合物海沙体系的复电阻率,分析了复电阻率的频散特性、黏土影响以及主导的电极化机制,利用泥质修正Archie公式建立了基于宽频复电阻率的水合物饱和度计算模型。研究结果表明：（1）含水合物海沙体系的复电阻率呈现出显著的频散特性,双电层极化和界面极化分别是20 Hz ~ 1 kHz和1 ~ 100 kHz频段主导的极化机制;（2）黏土颗粒表面的双电层发生形变增强了含水合物沉积物双电层极化作用,提高了复电阻率相角和虚部的绝对值;（3）在20 Hz ~ 100 kHz频率范围内泥质修正Archie公式岩性系数较为稳定,而胶结指数和饱和度指数与测试频率之间的关系在20 Hz ~ 1 kHz和1 ~ 100 kHz频段差异显著,因此应分频段建立水合物饱和度计算模型。本研究为探讨含水合物沉积物的低频电学特性和建立含黏土沉积物中水合物饱和度计算模型提供了新的途径。     

多孔介质内甲烷水合物生成动力学研究

天然气水合物作为一种潜在的新型潜在替代能源,分布广泛、储量巨大。水合物生成动力学特性对于了解自然界天然气水合物形成规律与水合物相关技术应用具有重大意义。针对甲烷水合物生成动力学特性进行研究,设计开发了甲烷水合物生成测试系统,研究了不同温度和不同孔隙粒径的多孔介质对于水合物生成动力学的影响。结果表明,随着温度的降低以及多孔介质孔隙粒径的减小,甲烷水合物生成过程中的气体消耗速率越快,生成结束时消耗的气体的量越多。同时,利用水合物生成多步骤机制模型,获得了甲烷水合物生成过程各中间产物的变化规律。     

声波在电站锅炉含颗粒介质气体中的衰减特性

采用数值计算方法研究了可听声频率范围内声波在电站锅炉炉膛中的衰减机理,建立了电站锅炉含颗粒介质气体中的声衰减系数计算公式,得到了声衰减系数与声频率、颗粒介质体积分数、颗粒粒径及烟气温度的关系.根据多体多次散射理论,对颗粒介质体积分数较大的循环流化床锅炉中的声波衰减特性进行了讨论,并对其声衰减系数进行了修正.结果表明:对于一般燃煤锅炉,随着烟气温度的升高以及颗粒介质体积分数和声频率的增大,声衰减系数增大,随着颗粒粒径的增大,声衰减系数减小;循环流化床锅炉中的声波衰减主要来源于颗粒介质表面的热传导耗散.     

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。     

南海北部陆坡天然气水合物研究进展

综合调查已揭示了一系列显示南海北部陆坡存在天然气水合物的地质、地球物理和地球化学指标。结果表明两类天然气水合物系统即低通量扩散型水合物和高通量渗漏型水合物共存于南海北部陆坡,特别是东沙海域和神狐海域。天然气水合物钻探航次获得的资料为进一步理解神狐海域和东沙海域的天然气水合物系统提供了基础。钻探结果证明强似海底反射往往与低饱和度的含天然气水合物沉积物薄层联系在一起;高饱和度的天然气水合物一般不需要与地震剖面上识别的似海底反射对应,而与气体渗漏和断裂构造等特征相关。地球化学资料显示神狐海域和东沙海域的天然气水合物气源主要为微生物成因气。神狐海域钻探证实的天然气水合物分布区具有160亿立方米的甲烷地质储量,在目前天然气水合物开采技术和工艺条件下,开采具有较大困难,有待于开发更为先进的技术。随钻测井资料显示东沙海域浅部存在中等-高饱和度水合物,而深部水合物稳定带底界上方存在低饱和度天然气水合物。南海北部陆坡天然气水合物有待于深入探究其赋存状态、饱和度、储层特性和资源前景。     

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。     

海域天然气水合物钻探研究进展及启示:储集层特征

本文基于世界范围内天然气水合物勘探的研究成果,系统回顾和总结了含水合物的沉积体类型,即水合物的储集体。根据水合物的实际分布和产出特征,将水合物藏划分为非渗透的细粒泥质沉积物中浸染状水合物、含裂隙的细粒泥质沉积物中裂缝充填型水合物或结核结壳型水合物、流体喷口附近海底浅表层水合物、粗粒砂质沉积物中孔隙充填型水合物四类。其中细粒沉积物孔隙度较小,渗透率较低,水合物饱和度低,开采难度大;流体喷口附近浅表层水合物分布范围十分局限,开采风险大;裂缝充填型水合物的分布主要受活动断层或微裂隙的控制,其形成机制和原位资源量仍不清楚;粗粒沉积物孔隙度较大、渗透率较高、水合物以高饱和度的孔隙充填型为主,矿体展布集中、开采难度较小。根据水合物原位资源量和开采难度,它们分别自下而上位于水合物资源金字塔的底部到顶部。以水合物油气系统思想为指导,寻找砂体中的水合物藏是现在和将来水合物勘探的重要方向之一。     

天然气水合物储层水力压裂研究进展

天然气水合物是一种广泛分布于海底地层中重要的未来战略能源,但在开采过程中,由于水合物储层介质颗粒粒径较小,孔隙多被固态水合物占据,储层渗透率低,制约着天然气水合物开采的产业化进程。当今水力压裂技术已广泛应用于低渗透油气藏的增产作业中,本文总结了近年来国内外对天然气水合物储层应用水力压裂技术的研究现状,从压裂实验、数值模拟和压裂液等方面进行了讨论。结果表明,水力压裂可以创造人工裂缝,扩大水合物解离面积,提高储层渗透率和天然气产量,有利于商业开发。储层的脆性响应问题、开发新型压裂液以及压裂对水合物储层地质安全的影响,都是水合物储层水力压裂研究亟待解决的问题。     

天然气水合物储层渗透率研究进展

天然气水合物是清洁、高效、储量巨大的未来最具潜力资源之一,而储层的渗透率是影响水合物资源开采时产气效率的重要参数。目前,国内外对天然气水合物储层的渗透率进行了大量的研究并取得一定进展,本文从数值模拟、储层现场探井、实验研究等方面全面回溯,分析总结了孔隙度、饱和度、应力应变情况等对储层渗透率的影响,讨论目前储层渗透率研究存在人工合成水合物沉积物与自然储层存在差异,不同多孔介质形成的水合物沉积物应力敏感性不同,多相渗流研究不够充分,储层渗透率改造研究不足等问题,对未来的研究方向提出了展望。     

含水合物沉积物的渗透率实验研究

天然气水合物储层的渗透率是影响水合物开采时气、水运移的关键,也是水合物开采潜力评价、资源评价、开采工艺选择等需要了解的关键参数.目前,国内外学者对天然气水合物储层的渗透率进行了一定的研究并有了初步认识.但是,对于围压、轴向压力、水合物饱和度、赋存模式等对水合物沉积物渗透率的影响机制和机理还不清楚.本文在自主设计的水合物...     

不同粒径分布颗粒声波团聚联合喷雾实验研究

针对不同粒径分布的飞灰颗粒进行了声波团聚联合喷雾实验研究.实验结果表明,喷雾不改变声波团聚最佳频率,在1 200 Hz时团聚效果最好.颗粒物团聚效果与粒径分布有关,粒径分布范围较小的颗粒团聚效率随声压级增大而增大,粒径分布范围较宽的颗粒存在最佳声压级,声压级过高易引发团聚体破碎,降低团聚效率.加入喷雾能够提高团聚效率,同时避免宽粒径范围颗粒在高声压级下的团聚破碎.     

海底天然气水合物成因影响因素探讨

自然界中的天然气水合物资源主要存在于海洋中,海底的自然条件是形成天然气水合物的基础.文章探讨了多孔沉积物、孔隙水成分等因素对天然气水合物形成条件的影响,分析了海底天然气水合物的成藏特性.     

多孔介质中甲烷水合物的生成特性研究进展

天然气水合物是一种清洁高效的能源,常常在自然界中的海底沉积物多孔介质孔隙中生成,同时水合物在工业上还能与多孔介质材料一起作为储存及分离气体的一种方式,因此开采利用水合物以及发挥水合物工业技术的前提都跟多孔介质有莫大的关系,对多孔介质中天然气水合物生成特性的研究进行总结与分析具有非常重要的意义。本文总结分析了国内外关于不同类型多孔介质中甲烷水合物的生成过程及特性的研究文献,将多孔介质根据其孔径大小进行划分。结果显示,在微孔介质中,甲烷水合物的生成侧重于气体的存储及运输方面;在介孔介质中,甲烷水合物的生成动力学受孔径影响较大;在大孔的沉积物中,甲烷水合物的生成及分布的机理性研究仍比较缺乏。因此,需要进一步的研究来丰富甲烷水合物在多孔介质中的生成动力学理论,本文将在文献调研的基础上为今后的研究方向提出一些展望和思路。     

运聚体系—天然气水合物不均匀性分布的关键控制因素初探

海域天然气水合物的聚集和分布呈现出明显的不均匀性。本文运用“天然气水合物油气系统”的理论和方法,从墨西哥湾、布莱克海台、水合物脊、南海海槽等国际典型水合物赋存区的稳定条件、气体组分和来源、流体运移、沉积条件四个方面解剖各区水合物的成藏控制因素。通过分析和对比认识到水合物赋存区的范围相对较小,海底温度和压力可视为均一条件,热成因气和生物成因气均可作为水合物的气体来源,同一个区域内的气体组分相对稳定,但有利沉积体和为含气流体运移提供通道的运移条件,也即“天然气水合物运聚体系”是控制水合物分布的关键因素。南海北部陆坡神狐海域水合物储集于颗粒相对较粗、孔隙空间相对较大沉积体中,而下部的气烟囱和断层构成了神狐海域的含气流体运移通道,这种有利的运聚体系有机结合可能是天然气水合物富集的关键因素。因此,针对水合物储集体的精细沉积学解释和流体运移通道的解剖,可能是南海北部陆坡天然气水合物勘探中需要引起重视的一个方向。     

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。