海底多相流作用下的含水合物沉积地层静水力学性质分析

海底多相流动区域沉积物孔隙内流体迁移-甲烷输运-水合物形成是一种普遍模式,形成的水合物在孔隙内沉淀并与多孔介质骨架胶结从而改变当地的地层结构和性质。水合物的不断形成将减少沉积地层孔隙度,改变孔隙内各相间界面张力,增大当地孔隙的进入压力及毛细压力,增强地层滞后效应,降低地层渗透率,同时多相流体流动前缘气液分离带变厚而使得气柱变长。建立了在这类环境里水合物-水-气-盐共同作用下的水合物成藏模型,选择合适的参数分析了水合物形成对沉积地层静水力学性质等的影响关系。最后根据资料估算了南海北部神狐海域沉积物内甲烷气柱的分布,结果表明：随着水合物在沉积物孔隙内逐渐饱和,临界甲烷气柱长度将在接近海底面处达到最大,约为09 m。     

天然气水合物区多相流体运移模型：以南海神狐海域为例

天然气水合物是重要的海洋油气资源,近年来利用孔隙水地球化学手段结合流体反应运移模型对水合物进行勘探已 成为研究热点。文章针对南海神狐海域钻探GMGS-1航次的数据资料,用孔隙水溴碘摩尔数比值拟合全新世流体运移速率, 构建了二期次非稳态水合物多相流体运移模型,并以SH7站位作为应用,发现自更新世以来研究区水合物成藏系统处于衰 退状态。通过模型参数敏感性分析,了解到影响模型输出的参数权重从高到低依次是沉积物孔隙度、有机质含量和沉积埋 藏速率。进一步数值分析表明,在水合物成藏系统中,有机质含量与水合物饱和度满足线性相关,其他主要参数与饱和度 的关系并非单调函数,且主导水合物稳定区内的甲烷物源是深部外源流体所携带的甲烷。多相流体运移模型对水合物资源 勘查具有一定的理论意义。     

热脉冲探针-时域反射技术测量含水合物沉积物的热导率及水合物饱和度

我国在海洋和冻土区都已发现天然气水合物资源区并成功获取实物样品。含水合物沉积物的热导率是估算水合物资源量、设计合理开采方案的关键性数据之一。受水合物稳定条件和测量技术的限制,水合物热导率测定尚不完善。本文通过自主研制的天然气水合物热物理参数测量系统,开展了海洋沉积物中天然气水合物热导率与饱和度测量研究。实验使用取自南海神狐海域的沉积物作为反应介质,在压力7.8 MPa、温度2℃的条件下合成甲烷水合物,并利用热脉冲探针与时域反射技术联合测量的方式获得沉积物中水合物形成过程的热导率和饱和度等实验数据。结果表明,当水合物饱和度从0增加至49%时,体系热导率出现了先升高后降低的变化趋势。分析发现体系热导率随水合物饱和度的变化特征与水合物在沉积物中的填充方式有关,在实验选用的南海沉积物中,水合物优先选择在颗粒孔隙间成核生长,并最终与沉积物颗粒胶结共存。     

不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系

环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性存在重要影响,深刻揭示温度和孔隙压力对含水合物沉积物力学特性的影响机制并对其进行有效地模拟是含水合物地层稳定性评估的前提。在分析温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物的力学特性影响机制的基础上,引入温压条件参数来考虑温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物力学特性的影响,建立了考虑温度和孔隙压力影响的损伤本构模型。模型假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了损伤因子的演化规律。此外,还提供了一套模型参数的确定方法。通过一系列不同温度压力条件下的含水合物沉积物的三轴压缩试验结果对模型进行校核和验证,结果表明,该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,并且能较好地考虑水合物含量、环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性的影响。     

非饱和土一维固结混合流体方法的解析分析

对采用混合可压缩流体方法分析非饱和土一维固结问题的固结方程进行了求解,在得到的解析解的基础上,对影响非饱和土一维固结的因素进行了分析。分析结果表明,在采用混合流体方法计算非饱和土一维固结的孔隙水压力时,所用公式与计算饱和土一维固结的太沙基理论公式基本相同,不同之处在于引入Bishop有效应力系数来体现孔隙气对孔隙水的影响。而在非饱和土孔隙气压的计算公式中除了体现孔隙水对孔隙气的影响参数以外,还有体现孔隙气体的可压缩性对固结影响的参数。在所有影响因素中,影响非饱和土一维固结最重要的因素是孔隙流体的渗流路径。     

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。     

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。     

过冷度对气体水合物合成影响的实验研究

过冷度是甲烷水合物合成过程的主要驱动力,在沉积物中进行不同过冷度下甲烷水合物合成实验,有利于找出水合物合成过程的动力学影响因素,进而研究自然界沉积物中水合物的成藏过程。在定容条件下,以不同的过冷度进行甲烷水合物在沉积物中的合成实验。实验结果表明甲烷水合物在沉积物条件下的合成过程包括气液溶解、核化、生长、稳定4个阶段。在相同初始状态,不同过冷度条件下的水合物合成后系统状态均处在相平衡曲线上,而随着过冷度的减小,气体转换率和水合物的饱和度不断降低。通过实验数据回归得出在沉积物条件下过冷度与甲烷水合物诱导时间的经验关系式。通过对比发现,沉积物中水合物合成所需要的过冷度仅为2.5 ℃,大大低于不含沉积物的纯水体系。     

南海北部东沙群岛HD196站位地球化学特征及其对水合物的指示

南海北部是中国海上油气的重要基地,也是中国天然气水合物调查的首选地区。对南海北部东沙群岛附近具有BSR特征的HD196站位沉积物样品的地球化学特征进行综合分析,得到以下结果:柱状样沉积物的常量元素的分布具有分段性,且与沉积物孔隙水中的离子浓度和甲烷含量的变化趋势相一致,可能对其下面是否存在天然气水合物有指示意义;同时柱状样沉积物孔隙水中离子浓度的变化与世界上发现天然气水合物地点的孔隙水离子浓度的变化一致。HD196站位的地质条件表明本站位具有天然气水合物形成的温压条件、气源条件和构造条件,因此在本站位的下面赋存天然气水合物的可能性比较大,在此进一步工作有可能取得天然气水合物勘查的突破。     

天然气水合物地层渗透率研究进展

天然气水合物开采涉及传热、水合物分解相变、多相渗流和地层变形4个物理过程。多相渗流过程伴随着对流传热,影响传热效率;多相渗流过程影响孔隙压力的消散速率,引起有效应力改变而影响地层变形;多相渗流过程影响传热的效率和孔隙压力的消散速率,使温度和压力条件发生变化,影响水合物的分解。多相渗流过程中,某相流体的有效渗透率不仅与该相流体的饱和度有关,还与地层绝对渗透率有关。地层绝对渗透率是多相渗流过程的关键参数之一。概述不同贮存状态水合物、地层孔隙率、水合物饱和度和地层有效应力对地层绝对渗透率影响的研究内容。以国内外天然气水合物地层绝对渗透率研究成果为基础,将来的研究重点主要包括粉细砂、黏土类地层和各向异性地层多相渗流研究,以及地层有效应力对绝对渗透率影响研究。     

The methane hydrate formation and the resource estimate resulting from free gas migration in seeping seafloor hydrate stability zone

It is a typical multiphase flow process for hydrate formation in seeping seafloor sediments. Free gas can not only be present but also take part in formation of hydrate. The volume fraction of free gas in local pore of hydrate stable zone (HSZ) influences the formation of hydrate in seeping seafloor area, and methane flux determines the abundance and resource of hydrate-bearing reservoirs. In this paper, a multiphase flow model including water (dissolved methane and salt)-free gas hydrate has been established to describe this kind of flow-transfer-reaction process where there exists a large scale of free gas migration and transform in seafloor pore. In the order of three different scenarios, the conversions among permeability, capillary pressure, phase saturations and salinity along with the formation of hydrate have been deducted. Furthermore, the influence of four sorts of free gas saturations and three classes of methane fluxes on hydrate formation and the resource has also been analyzed and compared. Based on the rules drawn from the simulation, and combined information gotten from drills in field, the methane hydrate(MH) formation in Shenhu area of South China Sea has been forecasted. It has been speculated that there may breed a moderate methane flux below this seafloor HSZ. If the flux is about 0.5 kg m⁻² a⁻¹, then it will go on to evolve about 2700 ka until the hydrate saturation in pore will arrive its peak (about 75%). Approximately 1.47 × 10⁹ m³ MH has been reckoned in this marine basin finally, is about 13 times over preliminary estimate.     

Consequences of Water Level Drops for Soft Sediment Deformation and Vertical Fluid Leakage

Both water level drops and erosion have previously been suggested as causes of fluid overpressures in the subsurface. Quantification of the relevance of these processes to supra-lithostatic fluid pressure formation with a wide selection of input parameters is lacking, and thus desired. The magnitudes and drop times that are required for water level drops to result in supra-lithostatic pore pressures in a variety of situations are calculated. Situations with pore fluids consisting of water, water with dissolved methane, water with a gas hydrate layer and dissolved methane in the underlying sediments, and water with dissolved methane, a gas hydrate layer, and free gas accumulation below the hydrate layer are separately addressed. The overpressure formation from reservoir gas expansion is also simulated. The simulation results demonstrate that high fluid overpressures can develop in a rock as a response to a water level drop without the presence of gas, provided that the rock has a sufficiently low compressibility. The contribution to fluid overpressuring is however dramatically increased if the pore water is saturated with methane prior to the water level drop, and is further amplified by the presence of gas hydrates and free gas accumulations beneath such hydrates. Gas expansion in reservoirs should be expected to significantly increase the fluid overpressures in shallow, sealed pressure compartments that experience erosion or water level drops, even if the water level drop duration exceeds one million years. Enough relationships between the calculated overpressure formation and the main controlling factors are provided in order to enable readers to make inferences about a variety of geological settings. Analyses of simulation results prompt us to suggest that pockmarks are likely to be triggered by gas expansion in vertical fluid migration pathways, that the giant craters at the seabed west of Albatross South in the Barents Sea result from hydrate dissociation, and that overpressure build-up due to gas expansion has contributed to reservoir overpressuring in many eroded basins, including the Hammerfest Basin in the Barents Sea.     

Chemo‐thermo‐mechanically coupled seismic analysis of methane hydrate‐bearing sediments during a predicted Nankai Trough Earthquake

In the present study, we have developed a numerical method which can simulate the dynamic behaviour of a seabed ground during gas production from methane hydrate‐bearing sediments. The proposed method can describe the chemo‐thermo‐mechanical‐seismic coupled behaviours, such as phase changes from hydrates to water and gas, temperature changes and ground deformation related to the flow of pore fluids during earthquakes. In the first part of the present study, the governing equations for the proposed method and its discretization are presented. Then, numerical analyses are performed for hydrate‐bearing sediments in order to investigate the dynamic behaviour during gas production. The geological conditions and the material parameters are determined using the data of the seabed ground at Daini‐Atsumi knoll, Eastern Nankai Trough, Japan, where the first offshore production test of methane hydrates was conducted. A predicted earthquake at the site is used in the analyses. Regarding the seismic response to the earthquake which occur during gas production process, the wave profiles of horizontal acceleration and horizontal velocity were not extensively affected by the gas production. Hydrate dissociation behaviour is sensitive to changes in the pore pressure during earthquakes. Methane hydrate dissociation temporarily became active in some areas because of the main motion of the earthquake, then methane hydrate dissociation brought about an increase in the average pressure of the fluids during the earthquake. And, it was this increase in average pore pressure that finally caused the methane hydrate dissociation to cease during the earthquake. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

东太平洋水合物海岭沉积物中黏土矿物与水合物饱和度相关性研究

为了探讨水合物储层中不同黏土矿物与水合物饱和度的关系,选取位于东太平洋水合物海岭国际大洋钻探计划204航次中的3个钻孔(1245B孔、1244C孔和1251B),开展储层沉积物黏土矿物的测试和综合分析。结果表明,蒙脱石、伊利石、绿泥石为主要黏土矿物(平均含量分别为40.3%、33.4%、21.4%);高岭石为次要黏土矿物(平均4.9%)。伊利石、绿泥石、高岭石三种矿物含量的垂向变化规律相似,但它们与蒙脱石的垂向变化趋势相反。该区水合物饱和度与蒙脱石含量呈正相关,且正相关程度在“细粒岩性”层段较高(R=0.55~0.97);水合物饱和度与伊利石、绿泥石、高岭石则显示负相关。3个钻孔中水合物储层厚度、水合物饱和度在各钻孔中分布的差异性表明水合物饱和度的受控因素复杂,首先是气源和流体迁移与供给,其次为沉积物岩性;而“细粒岩性”层段较高含量蒙脱石与水合物饱和度正相关关系可能代表了更次一级的沉积影响因素。为检验其它海区是否也存在黏土矿物对水合物饱和度的影响,将上述3个钻孔与印度外海Krishna-Godavari盆地17-07P钻孔记录进行对比。结果显示,17-07P孔的砂含量高,在粗砂层蒙脱石含量与水合物饱和度呈正相关,反映两个海域岩性对水合物饱和度控制机理不同。上述“细粒岩性”层段蒙脱石含量和伊利石、绿泥石、高岭石3种黏土矿物含量与水合物饱和度之间相关性的差异,可能因为蒙脱石具有特殊层状结构和表面化学性质(层间表面带负电荷、具有可交换的层间水合阳离子等),有利于促进水合物的形成和富集,因而表现为正相关;而伊利石、绿泥石、高岭石自身属性与蒙脱石不同(吸水膨胀能力、对甲烷的吸附能力较蒙脱石弱),不利于水合物的聚集,表现为负相关。     

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。     

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987111000272

We present here a thermodynamic model for predicting multi-phase equilibrium of methane hydrate liquid and vapor phases under conditions of different temperature,pressure,salinity and pore sizes.The model is based on the 1959 van der Waals—Platteeuw model,angle-dependent ab initio intermolecular potentials,the DMW-92 equation of state and Pitzer theory.Comparison with all available experimental data shows that this model can accurately predict the effects of temperature,pressure, salinity and capillary r...     

一个深海能源土弹塑性本构模型

天然气水合物赋存在低温高压环境中,会在土颗粒间形成胶结从而增大深海能源土抗剪强度。基于损伤力学理论,将结构性砂土本构模型推广应用于深海能源土分析中,模拟计算了三轴固结排水剪切试验,再根据应力-应变曲线关系定量反演初始屈服系数与水合物饱和度之间的函数关系,并修正了原有的结构性砂土破损规律,建立了深海能源土弹塑性本构模型。另外,根据该模型模拟了另外一组深海能源土三轴剪切试验和等向固结压缩试验。计算结果表明：新建立的深海能源土本构模型可以有效模拟深海能源土剪切强度随水合物饱和度之间的增长关系;随着水合物饱和度的增加,三轴压缩试验中深海能源土峰值强度及割线模量(E50)逐渐增加,等向固结压缩试验中屈服强度增加,与试验结果有较好的一致性,表明了该模型的合理性。     

多孔介质中天然气水合物稳定性的实验研究进展

勘探表明天然气水合物多产出于细碎屑沉积物中,其分布和赋存形式受温度、压力、水化学条件等多种物理化学因素的影响。前人的实验研究表明不同孔径尺度中的甲烷水合物稳定性有别于块状、层状水合物,同时孔隙表面的润湿性也是影响因素之一。在综合分析前人研究成果的基础上,系统阐述了孔隙的孔径、孔隙内表面润湿性对所含天然气水合物稳定性的影响规律,总结了可能的内在机理;并指出了当前应当尽快建立包括空间效应、温度、压力和组分等因素的综合天然气水合物相图,查明含天然气水合物沉积物的孔隙结构和表界面特征,建立天然气水合物的稳定性模型,将有助于精确预测天然气水合物的分布和规模,对于水合物开发和甲烷存储技术的研发也有着重要的意义。