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。     

含天然气水合物的海底沉积物的电学特性实验

电阻率法是估算含水合物储层饱和度的常用方法之一.为了解海底沉积物中天然气水合物的电学特性,利用搭建的天然气水合物电阻率测量系统,以天然气水合物-南海沉积物-3.5％的盐水为研究体系,测量了天然气水合物在沉积物中形成过程中温度、压力、电阻率的变化.天然气水合物在水饱和的沉积物中由溶解气与水形成.实验中通过液压系统对沉积物压实以及采用较薄的样品来保证水合物在筒状的沉积物的均匀分布.当实验结束时,样品中水合物的饱和度达到39.8％时,样品的电阻率从水饱和时的2.024 Ωm增大到水合物饱和度为39.8％时的2.878 Ωm,增加到了1.4倍.电阻率法可以有效的识别含水合物的沉积物.实验测试结果表明,该实验装置工作稳定可靠,可为研究含天然气水合物的电学特性与饱和度的定量关系提供实验模拟技术支持.     

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。     

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。     

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。     

温度周期变化下分散型天然气水合物的沉积物电阻率测量

测量了在温度周期变化下的含天然气水合物沉积物的电阻率.在温度震荡过程中,电阻率测量能检测到水合物或冰的二次形成.实验证明,温度震荡能促进分散型水合物在沉积物孔隙中的形成.经过多次温度震荡后,孔隙水大部分能转为水合物,在1.2℃时,水合物最终饱和度为78.2％,其含水合物沉积物的电阻率为12.0 ohm·m.     

非成岩水合物储层降压开采过程中出砂和沉降实验研究

天然气水合物多赋存在非成岩地层中,在开采过程中易出现出砂和沉降情况,制约了天然气水合物的安全高效长期开采。为研究水合物开采过程中的温压、产气、产水、出砂和沉降情况,在自主研发水合物出砂及防砂模拟装置上进行了不同条件下的开采模拟实验。研究表明,在前两个生产阶段,产水含砂率和出砂粒径随着水合物开采而逐渐增大;水合物细砂储层产气速率增加会增大携液能力,导致携砂能力增强而增大出砂风险,同时高产气速率促进井筒温度降低导致冰相生成,存在冰堵的风险;开采过程中的储层沉降与储层水合物含量相关性较大,而产气速率和降压速率对储层沉降的影响与产气模式有关。水合物开采中后期进行增产作业会增加储层出砂风险和沉降速率,进一步探讨了该实验对日本2013年第一次海域水合物试采出砂情况的推测,提出水合物开采分阶段分级防砂的概念。     

水合物合成及导热系数测定

设计了一套实验装置，结合瞬态面热源法来测量混合气水合物导热系数及含混气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数.在-10℃～5℃，压力66MPa下，含体积比甲烷9001%，乙烷503%，丙烷496%的混合气与0971mol/m3十二烷基磺酸钠水溶液生成的水合物的导热系数约为055W/(m·K)，并且其值随温度的上升而增高，呈玻璃体导热特性.由于“爬壁”效应的存在，混合气与饱含SDS水溶液的沙子多孔介质反应生成含混合气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数（约12W/(m·K)）显著低于含四氢呋喃水合物的沙子多孔介质的值（约19W/(m·K)）.虽然本实验使用了SDS来加速和促进水合反应的进行，但是水合物样品中依然存在游离水，因此本研究采用了温度振荡法来进一步促进含SDS水溶液的水合反应进行，研究发现当浴槽温度在-10℃～4℃间周期变化时，游离水在水的相变温度区附近转变为水合物，通过几个周期的温度振荡，样品中的游离水被完全消耗掉.最后通过对含不同浓度SDS的四氢呋喃水合物导热系数测试，讨论了实验中加入SDS对水合物导热系数的影响，结果认为本实验中加入的SDS量对测试结果影响很小（±15%）.     

模拟渗漏系统气体迁移与水合物形成实验

水合物生成是典型的界面传递输运现象,而气体迁移性质是这种传递过程的决定性因素。在鼓泡透明玻璃反应釜里模拟渗漏系统气体穿越多孔隙砂层形成水合物的过程实验,分析了气体迁移对气体水合物形成时气液界面的传质传热性质影响,表明实验中气体迁移形成水合物的过程是一种相平衡曲线动态移动的过程;在形成水合物的气—液界面存在具有一定厚度的过渡层,只要过渡层内气体达到饱和即可形成水合物;气体在迁移中不断形成水合物并在孔隙中形成过压,导致地层骨架的力学破裂和失稳;必须建立一个新的水合物相图以适应气体迁移形成水合物过程的这种新特性。     

南海琼东南盆地渗漏系统甲烷水合物生长速度

南海琼东南盆地发现的高压泥底辟构造、海底“气烟囱”和天然气冷泉表明该地区可能存在着渗漏系统天然气水合物藏.假定在该区直径为1500 m的甲烷渗漏区内,甲烷渗漏通量为1000 kmol/a,甲烷水合物沉积层的温度范围为3~20 ℃,根据水合物条形移动界面理论建立传热模型,选取0 mbsf、100 mbsf、200 mbsf和425 mbsf分别计算在渗漏和扩散情况下的温度和生长速度变化曲线.结果表明甲烷水合物在沉积层骨架里的固结速度约为0.2 nm/s,经过约35000年后渗漏系统将演变成扩散系统.同时,甲烷水合物在渗漏系统里比在扩散系统里的生长速度快约20～40倍.