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。     

粒径及孔径分布对天然气水合物形成影响的研究进展

掌握影响天然气水合物(简称水合物)在海底沉积物中形成的因素对其能源和气候环境效应的评估有重要的意义。水合物的含量与沉积物颗粒的粒径紧密相关,水合物多产出于粗砂中。以人工样品为主的实验研究表明,由于孔隙半径产生的毛细管抑制压力,多孔介质的颗粒越细,孔隙越小,一定条件下稳定温度越低(或压力越高)。沉积物颗粒的比表面积与水合物饱和度呈现很高的相关性,比粒径更有优势。利用比表面积可以定量地表示粒径和孔隙大小之间的关系,量化分析孔隙大小对水合物形成的影响。此外,我国南海神狐海域水合物尽管赋存在细粒沉积物中,却具有较高的饱和度,这可能与南海沉积物中富含丰富的有孔虫壳体有关,通过微观层面的观察发现,这些古生物壳体不仅充当了沉积物中的粗砂部分,而且其多孔结构也使沉积孔隙空间增加,从而为水合物富集提供了有利的生长环境和便利的赋存空间。Klauda等的模型假定多孔介质孔径尺寸的概率密度分布函数为正态分布,新的相平衡模型包含了尺寸效应。颜荣涛等把有效孔隙半径和水合物饱和度联系起来,从而将水合物饱和度引入相平衡模型中。分形模型将分形参数与孔隙度建立了关系,但并没有与温压条件等进一步联系起来,对水合物形成和分解的影响还需做进一步的推导和实验。     

南海北部地区海洋沉积物中孔隙水的氢、氧同位素组成特征

海洋沉积物中孔隙水的H、O同位素地球化学研究可以有效示踪天然气水合物的存在，中国南海地区由于地处三大板块交会处，地质构造特殊，沉积地层厚，沉积速率高，有机质丰富，并有指示天然气水合物存在的地球物理证据BSR存在，符合天然气水合物的赋存条件。本文对南海北部地区部分海域浅层沉积物中孔隙水样品进行了H、O同位素分析，试图探讨与天然气水合物赋存有关的地球化学异常。通过研究认为，①南海处于三大板块的交界处，具有特殊的地球物理场和构造沉积特征以及较适合天然气水合物赋存的温压条件，特别是南海北部地区有利于天然气水合物的生成；②南海北部地区部分海域的浅表层沉积物的H、O同位素测试中可以看出，总体上与海水的正常值一致，可能来自海水，但是在其中A14站位8个样品表现出了与天然气水合物有关的重同位素随深度增加的趋势。也许指示该区有天然气水合物存在的可能性。     

冰点下多孔介质中甲烷水合物的生成特性

冰点下水合物在多孔介质的生成是一个复杂的多相转化过程,为了研究冰点下多孔介质中水合物生成过程的水相转化率、气体消耗量与稳定压力等生成特性,在定容条件下,进行不同孔径与粒径的多孔介质中甲烷水合物在冰点下的生成实验。所使用的多孔介质平均孔径为1295 nm、1796 nm和3320 nm。研究结果表明：水合物生成结束时水的转化率随着初始生成压力的增大而增大,随着温度的升高而降低,随着孔径的增大而增大;在相同的孔径下,多孔介质粒径的增大降低了水合物的生成速率但对最终气体消耗量没有影响;在相同的温度下,随着初始生成压力的增大,实验最终压力、气体消耗量与最终水的转化率均随之升高;温度越高,不同的生成初始生成压力下体系的最终稳定压力与水的转化率相差越大;在多孔介质的毛细管作用力与结合水的共同作用下,冰点下水合物生成的水的转化率会大大地降低。在本实验条件下,水相转化为水合物的比例最高为32.39%。     

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。     

水合物密度的数值计算及储层识别

天然气水合物特殊的赋存环境决定着其储层为双相或多相孔隙介质。利用双相孔隙流体介质理论可以充分地考虑介质的结构、流体与固体的特殊性质、局部特性与整体效应的关系,能更准确地描述实际地层结构、地层性质以及地层对地震波的动态响应。根据天然气水合物的固态属性及其赋存地质条件,针对水合物储层构建了双相固体介质的岩石物理模型;提出正向、逆向、双向线性回归密度计算公式。以ODP 164航次991 A、995 A站位为例,基于此模型应用岩石的整体密度信息反演求取水合物和骨架介质的密度参数,水合物密度计算值分布在0.858 2～1.055 6 g/cm3之间;并对所得密度值进行修正计算,得到不同深度域孔隙内介质的密度值,根据计算结果进行了水合物有利储层的识别。为利用岩石物理方法研究水合物提供新的思路。     

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。     

天然气水合物的勘查及其社会经济意义

天然气水合物是一种新型高效能源 ,其储量巨大 ,分布广泛。对天然气水合物的研究可以追溯到 1 80年前。近几十年来 ,美、日、加、英、俄、法、澳等国在这方面投入了大量的人力物力 ,取得了一些成果。我国在这方面起步较晚 ,1 999年 ,广州海洋地质调查局在南海地区进行了天然气水合物的专项调查 ,初步调查结果显示 ,南海部分地区可能有天然气水合物赋存。此外 ,我国青藏高原的永久冻土层也可能赋存了大量的天然气水合物。天然气水合物的形成条件。自然界中天然气水合物的出现受一定的温压条件和组分影响。资料表明 ,海底甲烷水合物的固相稳定…     

利用量子力学势能数据预测温度、压力、盐度和沉积物孔径对甲烷水合物形成和分解的影响

介绍一个预测不同温度、压力、盐度和沉积物毛细管孔径条件下甲烷水合物 溶液 气体多相平衡模型。该模型以Van der Waals和 Platteeuw热力学模型、量子力学从头算粒子相互作用势能、DMW 92状态方程和Pitzer电解质理论为基础,能在很宽广温压范围内预测温度、压力、盐度和毛细管力对甲烷水合物形成和分解的影响。通过对比本模型的预测结果与实验数据,可知本模型能够准确地预测海水和多孔介质中甲烷水合物的相平衡条件。对于一定盐度下多孔介质中甲烷水合物的形成温压条件的在线计算可浏览: www.geochem model.org/models.htm。     

哈拉湖坳陷与木里坳陷天然气水合物成藏条件对比

在已发现水合物的木里坳陷冻土条件、烃源岩条件和温压环境等水合物成藏条件研究的基础上,通过类比法探讨哈拉湖坳陷天然气水合物的发育和赋存潜力。结果表明:两个坳陷具有相近的冻土层厚度、基本一致的温压条件等,指示哈拉湖坳陷基本具备天然气水合物形成的环境条件。在沉积演化、冻土层物质组成、烃类气体保存等方面两者具有较大的差异,木里坳陷的地层发育较完整,冻土层以沉积岩石为主,地球化学具有明显异常;哈拉湖坳陷石炭纪和侏罗纪发生沉积间断,三叠统含油气系统遭受破坏,冻土层物质以第四纪沉积为主,封盖能力差。埋藏较深的二叠统烃源岩可能能够为天然气水合物的形成提供烃类气体,推测哈拉湖坳陷局部隆起部位可能是天然气水合物赋存的有利区域。     

南海北部陆坡坳隆断裂带中水合物赋存的温压场环境

天然气水合物的发育和赋存明显受构造条件控制,一些活动和非活动大陆边缘的特殊构造单元,如增生楔、泥火山、泥底辟、海底滑塌体均有利于水合物的发育和赋存。南海北部陆坡天然气水合物调查研究表明:南海北部陆坡的坳隆断裂带是有利于天然气水合物发育和赋存的重要构造之一。选择穿过坳隆断裂带的地震剖面A,根据南海北部陆坡海水深度和海底温度的关系曲线,计算了沉积物的温度;并在拟合沉积物深度与体密度关系曲线的基础上,计算了沉积物中的净岩压力,进一步探讨了测线A的温压场环境。结果表明:坳隆断裂带中存在连续变化的温压场环境,当气体在其中运移时,总能遇到有利的温压场环境,从而形成天然气水合物;另一方面,坳隆断裂带中也不是处处均有利于水合物的发育和赋存,需要进行具体的温压条件分析,从而对水合物稳定域进行准确定位。     

高压环境下流体非饱和渗流对含水合物沉积物的影响

沉积物与流体流动的性质是影响水合物形成和聚集的两个重要因素,为研究水合物在沉积地层中的赋存机制必须探明高压环境下含水合物沉积物在非饱和渗流条件下的相互影响关系。以逸度差为水合物反应驱动力,反应动力学常数为Arrhenius类型,建立了包括非饱和流体流动-沉积物特征-水合物形成动力学耦合的二维模型,从理论上研究了多孔介质内流体与沉积物参数如含水率、去饱和系数、水力分布和水合物饱和度等在孔隙内的相互影响规律。结果表明,在设定的条件下,随着反应的进行孔隙水压力随时间逐渐大,在相同条件下水合物饱和度与温度增加导致孔隙水压力变大,其中水合物饱和度的影响较小,而沉积物基质吸力、去饱和系数与本征动力学常数则与孔隙水压力成反向变化,其中本征动力学常数的影响较大。     

天然气水合物钻井泥浆冷却系统的设计及现场应用

从天然气水合物赋存的温压条件入手,说明了制冷泥浆的重要性。介绍了天然气水合物钻井泥浆冷却系统的结构组成、工作原理及设计过程。进而阐述了该套系统在中国冻土区天然气水合物科学钻探施工中的应用情况。试验证明：该套系统完全达到了设计要求,并首次成功地在青藏高原木里盆地永冻区钻获天然气水合物样品。     

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。     

木里煤田聚乎更矿区侏罗系天然气水合物成藏要素分析

为了对木里煤田聚乎更矿区的天然气水合物成藏要素和组合进行研究,通过对区内侏罗系的烃源岩、储集层、温-压相平衡条件进行分析,进一步确定研究区的成藏组合模式。结果表明:木里煤田聚乎更矿区侏罗系的泥岩、页岩有机质丰度较高,各项测试均达到了泥质烃源岩有机质丰度好生油岩-中等烃源岩的标准。干酪根碳同位素δ13C值在-50.3‰~-29.6‰,平均值为-41.9‰,有机质类型属于腐泥型干酪根;同时,有机质Ro在0.63%~1.32%,平均值0.85%,热成熟度达到了生烃阶段;研究区储集层分为碎屑岩储层和裂隙储层,在发现天然气水合物层段粉砂岩、泥岩、油页岩发育的裂隙具有储集空间,占天然气水合物储集层的84.05%,区内天然气水合物的储集空间主要为泥岩、油页岩发育的裂隙;研究区内天然气水合组分是影响天然气水合物温-压相平衡的主要因素,其进一步控制着天然气水合物的赋存深度,约在地下深度120~600m基本满足了形成稳定水合物的温-压相平衡条件;木里煤田窑街组湖相泥岩、油页岩构成了研究区主要的烃源岩;窑街组发育的粗砂岩、中砂岩、细砂岩以及裂隙发育的泥岩、油页岩成为研究区的重要储集空间,冻土层的发育为窑街组形成天然气水合物稳定存在的温—压相平衡条件,研究区区形成了自生(窑街组)自储(窑街组)的成藏模式。     

海域孔隙型储层天然气水合物赋存模式定量化表征：声波和电阻率测井的约束

海域孔隙型天然气水合物储层中,水合物主要以颗粒胶结、包裹胶结、骨架支撑、孔隙悬浮4种赋存模式充填沉积物孔隙,水合物饱和度与赋存模式的不同导致了储层弹性和电性的差异,利用声波和电阻率测井资料联合处理可以进行水合物赋存模式的定量表征。首先利用Simandoux公式计算水合物饱和度,然后通过有效介质模型构建的岩石物理模板识别水合物赋存模式,最后计算储层中不同赋存模式水合物的相对占比。以全球范围内三个典型区域(中国南海神狐海域、北美Blake海台、新西兰Hikurangi边缘)为例,利用水合物储层的实际钻探资料,对水合物赋存模式进行定量分析：(1)中国南海神狐海域SH2站位储层中,水合物主要以骨架支撑模式产出,约占水合物总量的64%;(2)Blake海台994C站位储层中,水合物主要为颗粒胶结和包裹胶结模式,分别占总量的27%和51%;(3)Hikurangi边缘U1518B站位的水合物储层中,水合物主要为包裹胶结和骨架支撑模式,分别占总量的32%和47%。前人针对水合物形成和赋存模式的实验研究显示,水合物更易以颗粒胶结、包裹胶结和骨架支撑模式赋存,从侧面验证了上述分析结果的可靠性。本研究使用...     

天然气水合物开采方法及海域试采分析

天然气水合物分布广、埋藏浅、清洁无污染、储量巨大,被视为油气领域最有潜力的替代清洁能源。全球目前有5个国家进行了8次天然气水合物试采工作,特别是2017年5月中国神狐海域天然气水合物试采取得了巨大成功,创造了产气时间和产气总量两项世界纪录,但是由于天然气水合物特殊的物理力学性质和赋存状态,技术经济开采还面临诸多难题。在分类总结天然气水合物开采方法的基础上,分析了中日两国的海域天然气水合物试采情况及试采数据,得出了如下结论与建议:（1）天然气水合物开采方法可归纳为两大类:原位分解法和地层采掘法;（2）海域天然气水合物试采数据表明:压力和温度条件都是影响产气速率的主要因素与约束条件,在生产不同阶段,影响产气能力的主要因素不同;（3）对日本第1次天然气水合物试采数据分析表明,压力驱动力、温度驱动力与产气速率均有较好的相关性,提出了表征温度压力耦合关系的指标相态平衡距,研究了产气速率与相态平衡距的分段线性关系,建立了天然气水合物储层分解动力学模型范式;（4）分析了降压开采方法中大幅快速降压与分段缓慢降压两种降压方式的优劣,提出有效供热是实现天然气水合物降压开采的长期高产的必要条件,集成页岩气开发中的水平井压裂技术与干热岩地热开发中热量对流交换循环的原理,提出对流注热降压开采方法。     

马尼拉海沟俯冲带增生楔中天然气水合物的流体运移通道

南海东北部海域水深、沉积厚度大、沉积速率高和有机质含量丰富,为马尼拉增生楔中天然气水合物成藏提供了必要的气源,且相应适宜的温压条件以及构造背景也有利于天然气水合物的形成与赋存,其中马尼拉俯冲带俯冲前缘以及增生楔中的断裂系统成为天然气水合物成藏的非常重要的运移通道。通过对地震剖面中断裂系统和三维地貌图的精细解释,分析了马尼拉海沟俯冲带存在的海沟前缘正断层、海沟轴部的盲断层以及增生楔中的盲冲断层或逆冲断层,直到最后发育成隔断叠瓦状岩片的逆冲断层组,这些断裂系统反映出增生楔上天然气水合物的含气流体的形成、运移及聚集过程,成为天然气水合物成藏的运移通道。     

青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系

天然气水合物是一种新型清洁能源,赋存在多年冻土区和海洋沉积物等低温高压环境中.青藏高原多年冻土面积占高原总面积的一半以上,是可能的天然气水合物赋存区.根据青藏高原多年冻土条件和天然气水合物形成的热力学条件,讨论了多年冻土地温梯度、冻土厚度与天然气水合物形成的热力学条件之间的关系和青藏高原存在天然气水合物的可能性.结果表明,青藏高原多年冻土区基本具备形成天然气水合物的热力学条件,最适宜的热力学条件是多年冻土地温梯度接近或略大于多年冻土底板附近融土的地温梯度,且融土地温梯度越小,越容易形成天然气水合物.估算得到天然气水合物最浅的顶界埋深为74 m左右,最深的底界埋深达上千米.     

青藏高原天然气水合物的形成与多年冻土的关系

天然气水合物是一种新型清洁能源,赋存在多年冻土区和海洋沉积物等低温高压环境中。青藏高原多年冻土面积占高原总面积的一半以上,是可能的天然气水合物赋存区。根据青藏高原多年冻土条件和天然气水合物形成的热力学条件,讨论了多年冻土地温梯度、冻土厚度与天然气水合物形成的热力学条件之间的关系和青藏高原存在天然气水合物的可能性。结果表明,青藏高原多年冻土区基本具备形成天然气水合物的热力学条件,最适宜的热力学条件是多年冻土地温梯度接近或略大于多年冻土底板附近融土的地温梯度,且融土地温梯度越小,越容易形成天然气水合物。估算得到天然气水合物最浅的顶界埋深为74m左右,最深的底界埋深达上千米。