水合物地层中考虑相变的轴对称热传导问题

沉积层中水合物热分解是一个含有水合物相变的热传导过程,相变界面的演化过程是水合物分解规律及相关灾害分析的最基本问题。文中在试验观测和分析实际物理过程的基础上,建立了水合物沉积层中混相多相变阵面多区域的热传导理论模型,并针对轴对称问题进行了系列数值模拟;模型试验测定了四氢呋喃水合物沉积物中不同热源温度下水合物相变阵面的演化过程。通过对比,水合物分解相变阵面扩展的数值与试验结果吻合较好。     

松散沉积物中水合物降压分解阵面演化实验及数值模拟

水合物分解阵面是水合物 开采现场监测关注重点之一,其传播速率与水合物开采效率密切相关,但是目前松散沉积物中水合物降压分解阵面演化数据积累明显不足。进行了松散沉积物中水合物降压分解阵面演化实验 ,采用时域反射技术测量了水合物饱和度随时间的变化,分析了水合物分解阵面的传播规律;提出了轴对称水合物降压分解数学模型并进行了适用性验证,通过敏感性分析探讨了影响因素对 水合物分解阵面演化过程的影响关系。基于室内实验和数值模拟认为：(1)水合物降压分解阵面传播距离与其传播时间平方根呈近似线性关系;(2)水合物降压分解阵面传播速率随其传播距离 的增加而迅速减小;(3)水合物降压分解阵面传播速率随着绝对渗透率基准值、气体饱和度初始值和环境温度的增加而增大,随着水合物饱和度初始值、下降指数和出口压力的增加而减小。     

含天然气水合物沉积物分解过程的有限元模拟

温度和压力的变化会引起含天然气水合物沉积物的分解,其过程伴随着相态转换、孔隙水压力和气压力耗散、热传导、骨架变形等过程的相互耦合作用。基于多孔介质理论建立了描述含天然气水合物沉积物分解过程的数学模型,考虑了水合物分解产生的水、气流动、水合物相变和分解动力学过程、热传导、骨架变形等过程的耦合作用。基于有限元法,建立了模拟水合物分解过程的数值模型,并编制了计算机分析程序。通过对降压法和升温法开采过程的数值模拟,揭示了在水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的变化规律。结果表明：降压法和升温法都会导致储层变形以及产生超孔隙压力,但两种方法作用效果不同;同时,水合物分解过程包含渗流及热传导作用。     

降压开采导致天然气水合物系统状态演化模拟实验

天然气水合物是一种重要的潜在替代能源,降压法是现阶段水合物开采的首选方法。水合物降压开采涉及传热、多相渗流、分解相变和储层变形等多个相互影响的物理效应,深入理解其在降压开采过程中的演化规律,对于促进水合物开采效率、实现商业化开发具有重要的指导意义。本文基于一维实验模拟系统,开展了水合物降压开采储层多物理场演化模拟实验,在非均匀温度条件下采用过量气法合成水合物,分析了水合物非均匀性分布特征,探讨了降压过程中样品孔隙压力和温度的演化规律,对比了产气过程与传热演化过程的对应关系。结果表明:水合物合成后温度分布呈两侧高中间低的抛物线形状,水合物分布具有中间多而两侧无的非均匀性特征,且温度回升具有由两侧向中间发展的特点;降压分解产气过程与传热演化过程具有良好的对应性,稳态产气阶段由传热效应控制。控制降压模式、以对流换热替代热传导等方式有益于提升水合物开采产气效率。     

多孔介质中甲烷水合物相变过程模拟实验研究

天然气水合物相变过程不仅对沉积层温度场产生影响,也会改变沉积层介电常数等物理性质,深入研究水合物相变过程对周围环境的影响对今后水合物资源开发利用以及水合物地质灾害控制评估等方面都有重要的意义。通过使用专门设计的水合物模拟实验装置,综合采用二维温度梯度和时域反射等方法对甲烷水合物生成及分解过程进行监测。结果显示：水合物合成过程中甲烷水合物合成受气源和过冷度等因素影响,当气源充足时,水合物优先在过冷度大的区域合成,否则水合物优先在气源充足的区域合成;水合物相变过程引起周围多孔介质介电常数发生改变,并可据此计算沉积层中水合物饱和度;水合物稳定性受热刺激影响明显,含水合物多孔介质传热效率与热源距离成二次函数的衰减规律。     

钻井液侵入含天然气水合物地层的机理与特征分析

海洋含天然气水合物地层是具有渗透性的多孔介质体,钻进过程中钻井液不可避免地会与它发生能量和物质交换,从而影响测井响应、井壁稳定和储层评价。在过压钻井条件下,水基钻井液驱替侵入含天然水合物地层和温差下热传导导致的天然气水合物分解是耦合在一起的,其侵入可描述为一个包含相变的非等温非稳态渗流扩散过程。分析了天然气水合物在多孔介质中的分解特性,指出了多孔介质中天然气水合物分解的影响因素,通过钻井液侵入含天然气水合物地层与侵入常规油气地层的比较,提出了借鉴天然气水合物开采渗流模型建立钻井液侵入数值模型的思路。     

水合物分解对钻井液侵入影响的一维数值模拟研究

海洋含水合物地层往往是具有渗透性的多孔介质体,钻井过程中钻井液不可避免地会与它发生能量和物质交换,水基钻井液驱替侵入水合物地层和温差下热传导导致的水合物分解这二者是耦合在一起的,其侵入可描述为一个包含相变的非等温非稳态渗流扩散过程。在综合分析钻井液侵入含水合物地层特性的基础上,结合水合物开采数值模拟以及常规油气藏钻井液侵入模型,建立了一维径向钻井液侵入含水合物地层的侵入模型。利用编程,分析了钻井液侵入水合物地层时地层压力、各相饱和度和温度的分布规律。     

海底水合物矿藏降压开采与甲烷气体扩散过程的数值模拟

在深海条件下采用单井降压法开采的天然气水合物矿藏中,利用TOUGH+HYDRATE软件对其开采过程和甲烷气体扩散过程进行数值模拟。物理模型由上至下依次为上盖层、水合物沉积层和下盖层。将上、下盖层外边界的温度设为恒定,与含水合物沉积层之间有热量和质量交换,数值模型采用二维圆柱坐标网格。模拟结果表明开采过程中井口产气速率是一个升高—降低—波动升高的过程,水合物分解产生的气体有一部分通过上盖层溢出,能在一定程度上增加大气中温室气体的量。开采初期水合物分解速率降低的主要原因是水合物分解产生的甲烷气体在地层中大量累积,开采后期水合物分解速率产生波动的主要原因是发生"气穴现象"。井口附近由于压力变化较快水合物分解最为剧烈,其附近有个低温区存在。上、下盖层附近水合物分解速率也较快。     

考虑含水合物沉积物损伤的多场耦合模型研究

天然气水合物是一种新型的清洁能源,具有广阔的应用前景。但在水合物开采过程中温压条件的改变会引起水合物的分解,导致含水合物沉积物胶结强度的丧失;同时,沉积物在加载过程中由于其内部微裂纹、缺陷逐渐扩展以及土颗粒间的水合物逐渐破碎也会引发含水合物沉积物的损伤,而以往对于水合物分解过程中多场耦合模型的研究忽略了沉积物结构损伤演化过程及其对耦合过程的影响。因此,基于连续损伤理论,在损伤统计本构模型中引入三参数的Weibull分布和残余强度修正系数,建立起考虑损伤阈值和残余强度影响的含水合物沉积物损伤统计本构模型;进而将本构模型嵌入到水合物分解过程的多场耦合模型中,建立了考虑含水合物沉积物损伤的温度-应力-渗流-化学（THMC）多场耦合数学模型;基于该模型讨论了含水合物沉积物结构损伤对水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的影响规律。通过计算分析发现：含水合物沉积物结构损伤对水合物分解的多场耦合过程具有显著影响,并且随着分解时间的增加,其影响逐渐增大。     

天然气水合物分解和开采的机理及数学模型研究综述

回顾了25年来国内外水合物开采数值模拟研究的进展,分析了影响水合物开采过程的主要机理,即传热、气液流动和水合物分解。将已有的模型分为热力开采、降压开采和综合3种模型,并对各种模型所具有的特点进行了讨论。综合分析认为,TOUGH Fx/HYDRATE模型充分考虑了多相多组分并借鉴上述3类开采方式,可模拟开采过程中气液流动和相态变化,具有较高的应用价值。最后探讨了目前模型的主要问题以及发展方向,认为水合物矿藏岩石的绝对渗透率、相对渗透率、热传导系数等关键参数的测量及确定是精确模拟水合物开采过程的重要因素。     

天然气水合物加热开采机理及数学模型

在目前已有的主要水合物开采方法研究的基础上,进一步研究了天然气水合物加热开采法的机理。研究认为,水合物是加热分解、热传导和含化学分解的液、气两相渗流流动,它们之间既相互独立,又相互联系。并将水合物区划分为分解区和未分解区,将分解区前缘作为可移动的分界面,分区建立了加热分解热传导数学模型及含分解化学反应的液、气两相渗流流...     

中国南海天然气水合物开采储层水合物相变与渗流机理:综述与展望

【研究目的】中国地质调查局先后于2017年、2020年在南海北部神狐海域成功实施两轮水合物试采,创造了产气时间最长、产气总量最大、日均产气量最高等多项世界纪录,了解和掌握南海天然气水合物开采储层相变与渗流机理,有助于进一步揭示该类型水合物分解机理、产出规律、增产机制等,可为中国海域水合物资源规模高效开采提供理论基础。【研究方法】基于两轮试采实践,笔者通过深入研究发现,储层结构表征、水合物相变、多相渗流与增渗、产能模拟与调控是制约水合物分解产气效率的重要因素。【研究结果】研究表明,南海水合物相变具有分解温度低,易在储层内形成二次水合物等特点,是由渗流场-应力场-温度场-化学场共同作用的复杂系统;多相渗流作用主要受控于未固结储层的物性特征、水合物相变、开采方式等多元因素影响,具有较强的甲烷吸附性、绝对渗透率易突变、气相流动能力弱等特点;围绕南海水合物长期、稳定、高效开采目标,需要在初始储层改造基础上,通过实施储层二次改造,进一步优化提高储层渗流能力,实现增渗扩产目的。【结论】随着天然气水合物产业化进程不断向前推进,还需要着力解决大规模长时间产气过程中温度压力微观变化及物质能源交换响应机制以及水合物高效分解、二次生成边界条件等难题。创新点：南海水合物相变是由渗流场-应力场-温度场-化学场共同作用的复杂系统;南海泥质粉砂储层具有较强的甲烷吸附性、绝对渗透率易突变、气相流动能力弱等特点,多相渗流机理复杂。     

南海北部神狐区域 SH2 站位甲烷水合物成藏动力学模拟研究

南海北部神狐区域海底的高丰度水合物储层与生物成因为主的甲烷气源表明该区域很可能是一种特殊的复合型海洋水合物系统,其成藏动力学机制有待进一步的研究和澄清。建立了一个耦合沉积层地质属性-流体流动过程-水合物反应动力学的传输-反应模型,区别了两种不同类型的水合物形成(分解)动力学过程:(1)在通常情况下溶解甲烷和游离气共同形成水合物,(2)特殊情况下游离气直接生成水合物,结果表明在神狐海域热力学环境下游离气形成水合物速度比溶解甲烷快约4倍,气体含量和动力学常数比值越大生成水合物越快,而对比水合物分布的模拟结果与实测数据表明该区域水合物储层聚集和产状很可能受到了其他地质活动的影响。     

孔隙介质中天然气水合物相变过程的影响因素研究进展

天然气水合物储量巨大且富含甲烷,被视为21世纪最重要的潜在新型清洁能源之一。天然气水合物大多赋存在海底沉积物的孔隙介质中(少部分赋存于永久冻土层中),对其相变过程受孔隙介质影响规律的系统梳理和总结对未来的勘探开发具有重要意义。本文综合分析前人研究成果,将孔隙介质中天然气水合物的相变过程概化为水合物形成分解时的温压平衡条件变化、速率、稳定性、转化效率以及生长形态、分布状态等;将影响因素分为孔隙介质特性如孔径及粒径、润湿性、导热性能,以及孔隙介质中的物理化学因素如温压和水气条件,并总结了其影响规律和影响机理:(1)孔径及粒径能影响水合物温压平衡条件,较小粒径还能加快水合物相变速率,降低其转化效率。(2)润湿性能够决定水合物的微观生长形态及其与孔隙介质间的接触形式,亲水性强的介质表面能加快水合物的相变速率。(3)孔隙介质导热性能越强,水合物的相变速率越大。(4)温压条件控制下的温压驱动力越大,水合物的相变速率越大,但这种趋势不适用于温压驱动力过大的情形。(5)水气条件影响着水合物相变过程的温压平衡条件、相变速率、稳定性及分布状态。另外,本文分析了目前研究中的不足,并给出了未来的重点研究方向。     

水合物钻井液微观结构热传导分形模型研究

[摘 要] 在水合物勘探开发过程中,钻井液除常规作用外,还必须具有抑制水合物分解与再生成 的作用。钻井液的这些宏观作用由其内部微观结构所决定,而水合物的分解和生成与介质的传热过程 有关。由于钻井液微观结构与多孔介质相似,故其传热过程也相似。利用多孔介质的性质及其传热理 论,系统分析了水合物钻井液微观结构与多孔介质的异同,探讨了水合物在钻井液中的分解特性。接着 阐述了分形理论,对钻井液微观结构的传热分形模型进行了研究。最后得出钻井液中水合物分解的传 热过程,建立了钻井液微观结构的一维热传导分形模型,并得出有效导热系数的分形表达式。     

天然气水合物注热开采近井储层变形破坏的数值模拟研究

为了研究海洋地层中天然气水合物注热开采条件下,水合物沉积层近井储层的力学性质变化规律和变形破坏规律,基于多场耦合理论,考虑水合物分解产生的水、气形成的超静孔隙压力对地层有效应力的影响,建立了能够反映水合物注热分解条件下水合物沉积层温度场、渗流场和变形场耦合作用关系的热流固耦合弹塑性模型,并以ABAQUS软件为开发平台,在Fortran语言环境下编制子程序进行数值模拟。结果表明:注热温度越高,近井储层力学性质劣化的区域与有效应力减小的幅度越大,发生塑性变形破坏的范围和产生的等效塑性应变值也越大;井口最小水平地应力方向的有效应力值最小,等效塑性应变值和体积应变值最大,是首先发生变形破坏的关键位置;井口同一位置的有效应力随注热温度的升高而减小,而体积应变则随注热温度的升高而增大。     

降压开采过程中含水合物沉积物的力学特性研究

天然气水合物是一种潜在的能源资源,开采过程中,水合物的分解会造成工程和地质等安全隐患。为研究降压开采过程中多因素综合影响条件下沉积物的力学性质,在自主研发的低温高压三轴仪上进行了不同围压条件下含水合物沉积物的剪切试验。试验结合常规三轴剪切及一个试样多级加荷的方法,并加入了水合物的降压分解过程。结果表明：水合物的存在可以显著提高沉积物的抗剪强度。在降压分解过程中,含水合物沉积物试样的力学强度受到有效围压和孔隙中水合物含量的综合影响。前期试样由于孔隙压力降低导致有效围压大幅增加,试样抗剪强度增大,后期由于水合物含量的大幅降低,试样在较高有效围压下抗剪强度下降。有效围压对含水合物沉积物试样的体积应变有较大的影响,较高的有效围压会导致含水合物试样产生显著的剪缩现象。     

不同类型天然气水合物真空分解过程实验研究

在放置于恒温室内的真空装置内,对合成的冰粉-气体水合物(包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷-氮气、异丁烷、混合气水合物)、冰粉-不同粒度多孔介质甲烷水合物和祁连山冻土区及南海神狐海域天然气水合物进行了分解实验研究,初步探讨了不同气体水合物分解动力学特征和分解规律。实验结果表明,合成的冰粉-气体水合物的分解过程相似,除丙烷水合物和异丁烷水合物外,分解压力基本呈单调增长,均未出现明显的自保护效应;不同粒度多孔介质中甲烷水合物分解过程,压力增长呈现“快→慢→快”的特点,主要原因可能是多孔介质中的水合物尺寸较大,分解时更易产生自保护效应;祁连山冻土区天然气水合物的分解压力曲线与不同粒度多孔介质中甲烷水合物的相似,总体呈现“快→慢→快”的特点,水合物自保护效应明显;南海神狐海域天然气水合物分解气体压力变化虽然总体与祁连山冻土区天然气水合物压力增长过程相似,但同时呈现“阶梯状”增长,这可能与两种不同水合物岩心的岩性和水合物在岩心中的分布模式和赋存状态有关。     

注蒸汽开采冻土区天然气水合物数值计算与野外应用

试开采研究是天然气水合物从理论研究走向商业化开采的必经之路。提出的注蒸汽开采是一种综合开采方法,是在降压开采的基础上,往孔内注入热蒸汽对水合物目标开采层进行激振往复式热激发。注蒸汽开采能够避免“自保护效应”,促进水合物进一步分解,理论上能够扩大开采范围、提高产气量。利用FLUENT数值模拟软件对蒸汽加热水合物层动态过程进行数值计算,通过模拟计算结果对比分析,在满足开采要求的前提下确定最佳的注蒸汽功率为20 kW,注热时长为38 h。在青海木里盆地天然气水合物试采项目中,注蒸汽开采进行了5.2 h开采试验,产气量为3.25 m3。     

台西南盆地含天然气水合物沉积层测井响应规律特征及其地质意义

文章分析了台西南盆地渗漏型和扩散型天然气水合物沉积层的测井曲线特征,并通过对比DSDP 84航次570号钻孔含天然气水合物层段测井资料,结合研究区的区域地质条件、水合物饱和度、钻井岩心资料以及地震反射剖面特征,总结出台西南盆地天然气水合物沉积层的测井响应规律及其地质意义,结果表明:研究区含水合物沉积层的测井曲线有高电阻率、高声波速度、高中子孔隙度、低补偿密度和低自然伽马的"三高两低"的异常特征,渗漏型水合物层测井曲线"三高两低"特征较扩散型明显,渗漏型水合物沉积层内水合物碳氢气体浓度高,在断层通道内高度聚集形成块状水合物,水合物的饱和度最高达到100%,水合物分解后形成碳酸盐层,部分碳氢气体沿裂隙向上运移后再次形成的水合物层,扩散型水合物主要分布在水合物稳定带的底部,水合物呈分散状存在于沉积物中,水合物分布范围较大,气体容积扩散,碳氢气体浓度下降,水合物的最高饱和度为31%,水合物气源主要为微生物成因气,裂解气可能以生物降解气的形式与微生物气为水合物的形成共同提供气源。研究区断层、断裂和气烟囱等构造发育,地震反射剖面上具有似海底反射(BSR)、振幅空白带、BSR与地层斜交、穹状反射(速度振幅异常而形成的眼球状结构)等水合物响应特征。