CH4和CO2的水合物沉积物力学特性对比研究

为了深入探讨CO2置换开采技术的可行性,针对开采过程中可能引起的水合物储层力学稳定性变化等问题,该文基于CH和CO2水合物沉积物的三轴压缩实验,开展了力学特性对比研究工作.结果 表明:置换前后水合物沉积物的应力应变关系均呈现应变硬化型;围压、温度对2种水合物沉积物的强度及模量的影响规律基本保持一致;在相同工况条件下,C...     

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。     

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。      

围压对含水合物沉积物力学特性的影响

将实验室人工合成天然气水合物与高岭土混合制成岩心样以模拟海底含水合物沉积层,在不同围压条件下,对不同高岭土体积含量的含水合物沉积物进行三轴压缩试验。试验结果表明,当围压较低时,含水合物沉积物试样破坏强度随围压的增大而增大;而随着围压的进一步增加,试样强度有平缓下降的趋势。围压对含水合物沉积物试样的初始弹性模量影响很小,而割线模量受围压的影响较大,割线模量先随着围压的增大而增大,达到峰值后逐渐降低。高岭土含量对含水合物沉积物的内摩擦角影响不大,但对黏聚力有一定影响,随高岭土含量的增加,沉积物强度增大。图6表2参9     

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。     

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。     

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。     

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。     

天然气水合物开采的土力学问题:现状与挑战

有效确定含天然气水合物(以下简称水合物)沉积物的工程力学特性并厘清其随水合物分解过程的变化规律,是实现水合物安全、高效开采的前提和保证。为此,围绕水合物开采过程所涉及的关键土力学问题,从物理力学特性的关键测试技术、沉积物的力学特性、含水合物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程土力学多场耦合数值模拟等方面,分析和评述了国内外最新相关研究现状、存在的缺陷与不足,进而探讨了上述研究方向未来的发展趋势。结论认为,尽管经过20多年来的发展,有关水合物开采的理论、方法和技术均取得了显著的进展,但从岩土力学的角度来看,目前仍然面临着以下挑战:①大尺度含水合物沉积物试样的人工制备;②含水合物沉积物微细观组构的精细探测与定量表征;③组构变化对含水合物沉积物力学特性的影响机理与规律;④开采扰动下,流沙发生的条件及对储层稳定性的影响机制;⑤开采扰动下,多相多组分含水合物储层的多过程耦合问题;⑥水合物分解/生成条件下,含水合物沉积物的本构响应;⑦有关水合物开采过程数学模型的适定性问题;⑧高效稳定的水合物开采过程数值模型的全耦合解法。     

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。     

天然气水合物开采的土力学问题：现状与挑战

有效确定含天然气水合物（以下简称水合物）沉积物的工程力学特性并厘清其随水合物分解过程的变化规律，是实现水合物安全、高效开采的前提和保证。为此，围绕水合物开采过程所涉及的关键土力学问题，从物理力学特性的关键测试技术、沉积物的力学特性、含水合物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程土力学多场耦合数值模拟等方面，分析和评述了国内外最新相关研究现状、存在的缺陷与不足，进而探讨了上述研究方向未来的发展趋势。结论认为,尽管经过20多年来的发展，有关水合物开采的理论、方法和技术均取得了显著的进展，但从岩土力学的角度来看，目前仍然面临着以下挑战：①大尺度含水合物沉积物试样的人工制备；②含水合物沉积物微细观组构的精细探测与定量表征；③组构变化对含水合物沉积物力学特性的影响机理与规律；④开采扰动下，流沙发生的条件及对储层稳定性的影响机制；⑤开采扰动下，多相多组分含水合物储层的多过程耦合问题；⑥水合物分解/生成条件下，含水合物沉积物的本构响应；⑦有关水合物开采过程数学模型的适定性问题；⑧高效稳定的水合物开采过程数值模型的全耦合解法。     

天然气水合物加热分解储层变形破坏规律研究

为避免开采天然气水合物导致储层变形破坏,引起环境灾害,研究加热法开采天然气水合物过程中水合物饱和度、储层物性参数、超静孔隙压力变化对储层变形破坏的影响。建立了反映水合物分解引起储层力学物性劣化规律的热流固耦合模型,基于ABAQUS二次开发功能编写场变量子程序,对南海神狐海域水合物加热开采诱导储层变形破坏规律进行数值模拟分析。结果表明:天然气水合物储层分解区和力学性质劣化区范围随温度升高呈扩大趋势;未采气条件下,储层超静孔隙压力以加热井为顶点随分解影响距离呈抛物线型分布,超静孔隙压力过大是导致天然气水合物盖层变形破坏的主要因素;储层塑性变形影响范围随温度升高逐渐扩大,先出现在水合物储层与盖层、储层与下伏层接触界面。该研究为天然气水合物安全开采提供了借鉴。     

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。      

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。      

天然气水合物藏降压开采近井储层稳定性数值模拟

天然气水合物藏降压开采是一个含相态变化的非等温物理化学流固耦合渗流过程。目前有关天然气水合物藏开采的研究集中于产能模拟,且没有考虑流固耦合作用影响,有关水合物分解形成的弱胶结、低强度、高孔高渗近井储层的稳定性研究尚未开展。为此,将水合物分解效应融合到渗流场与岩土变形场的耦合作用中,建立了天然气水合物藏气、水两相非等温流固耦合数学模型,引入出砂判别准则,开发了天然气水合物藏降压开采流固耦合储层稳定性分析软件,利用该软件对天然气水合物藏降压开采近井储层稳定性的一般规律进行了分析,并建立了井壁不出砂的临界生产压差分析方法。研究表明:水合物分解效应是影响水合物分解区储层稳定性的主要因素,流固耦合作用的影响较小;近井水合物分解区储层稳定性较差,其中井壁最小水平地应力方向储层稳定性最差,是出砂的优先位置;过渡区储层稳定性介于水合物分解区与原状储层之间。      

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。      

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。     

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。