松散沉积物中天然气水合物生成、分解过程与声学特性的实验研究

为了解松散沉积物中天然气水合物的生成和分解规律以及水合物对沉积物声学特性的影响,在粒径为0.18~0.28mm天然沙中进行了甲烷水合物的生成和分解实验,并利用超声波探测技术和时域反射技术实时测量了反应体系的声学参数与含水量。结果表明:根据水合物的生成和分解速率,可将水合物的生成过程分为初始生长期、快速生长期和稳定期3个阶段,分解过程可分为初始分解期和样品表层水合物快速分解期以及样品内、外层水合物均快速分解期3个阶段;由温度和压力数据的分析,得出水合物先在沉积物表层生长,然后在沉积物内、外层迅速生成;由水合物分解过程3个阶段的平均分解率,得出水合物的分解是一个由慢到快的过程。对声学参数的研究表明:水合物在松散沉积物中先胶结骨架颗粒而生成,使纵波速度和声波衰减在饱和度0~1%之间陡然增大;随后水合物开始在沉积物孔隙中形成悬浮粒子,造成超声波信号在饱和度1%~90%间淬熄,声波速度无法获取。研究结果在揭示沉积物中水合物与颗粒间接触机制的同时,为海上地球物理勘探中地震信号的解释提供了新的思路。     

海洋天然气水合物分解抑制实验

在海洋含天然气水合物地层中钻进时,水合物的分解会导致井壁不稳定、钻井液性能降低和管道内生成水合物塞等一系列问题,对安全钻井作业造成了很大风险。采取适合于海洋天然气水合物地层钻井的钻井液,最大限度控制水合物的分解是解决天然气水合物安全钻井的关键。本文采用了课题组研制的一套天然气水合物钻井模拟实验系统,利用此实验系统在不同温度压力条件下人工合成水合物样品,然后加入配置的一种稀硅酸盐钻井液,考察了水合物样品在不同分解条件下(加热、降压)的分解情况进行了对比和分析研究,结果表明此钻井液配方具有良好的抑制水合物分解的能力,能够应用于海洋水合物地层钻井。     

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。     

天然气水合物分解与全球变暖

天然气水合物是白色似冰状晶体物质 ,由水分子构成晶体格架将气体 （通常为甲烷-CH4 ）分子捕获其中的笼型化合物。其形成需要特定的低温、高压条件和充足的CH4 （天然气 ）供给。地球上满足以上条件的地区有永久冻土带和水深大于 3 0 0～ 5 0 0m的水体 （包括海洋和深湖 ）.     

天然气水合物分解对海床中管道稳定性的影响

利用ABAQUS有限元程序,含天然气水合物的沉积层采用Mohr-Columb本构模型,并根据天然气水合物分解前后的物性和强度参数,对海床中输气管道及附近沉积层在天然气水合物不同分解条件下的应力和应变场进行了计算,对天然气水合物分解对海床中管道及地基稳定性的影响进行了分析和评价。     

海底扩散体系含天然气水合物沉积物制样方法与装置

天然气水合物是分布在海洋和大陆多年冻土中的一种具有巨大商业开发价值的新型战略性替代能源。同时,含天然气水合物地层中水合物的分解将带来严重的地质灾害和气候问题的关注。试验室内开展含天然气水合物沉积物物理力学性质研究需要首先解决的是制样问题,即在试验室内快速形成符合现场原位形成模式的试样,并且水合物均匀分布于土样孔隙中。海洋天然气水合物主要是在扩散体系中形成的,即溶解在水中的气体以扩散迁移的方式进入温压条件适合的地层内与水结合生成天然气水合物。文中试验方法与装置利用高压恒流泵驱动溶有气体的去离子水在土样中循环,采用磁力搅拌装置加速和增大气体在水中的溶解,使土样在较短时间内被溶气水饱和,然后将土样温度降低至与气体压力相对应的相变温度以下后,溶于水中的气体与水结合生成水合物析出,且均匀地填充土样孔隙中。采用粉土和CO2气体试验表明,制得含水合物沉积物大约需1 d的时间,通过观察和测试含水率证明,所制得试样具有良好的均匀性,解决了目前在试验中采用的制样方法所制得的试样中水合物分布不均匀以及水合物形成时间过长的问题,为进一步开展含天然气水合物沉积物物理力学试验提供了技术保证     

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相平衡问题研究综述

天然气水合物是一种战略性替代能源。同时,开发天然气水合物将是全球气候环境问题和地质灾害的诱发因素之一。含天然气水合物沉积物（简称HBS）的相平衡问题对天然气水合物资源勘探、评估与开发利用以及环境影响均具有重要的基础作用。自然界中赋存于沉积物之中的天然气水合物的生成与分解与纯水体系中水合物的生成与分解具有很大区别。通过总结国内外研究资料,以天然气水合物开发利用中的岩土工程问题研究需要为出发点,详细介绍了HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分对沉积物中水合物相平衡关系影响以及HBS相平衡研究中有关制样方法技术、各组分含量测试以及相平衡关系理论模型研究方面的国内外研究现状。研究成果表明,HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分均对天然气水合物相平衡关系具有显著影响,试验研究中应用了很多先进方法技术,但仍然存在定量精度较低或实施成本较高等问题;基于微观尺度建立的有关HBS的相平衡宏观模型能较好地模拟与预测HBS的相平衡关系,但其表达式复杂、参数较多和不易获得制约了其在天然气水合物开采中的有关岩土力学与工程理论研究和工程实践中应用     

天然气水合物资源量估算方法及应用

近年大量的勘探与研究成果表明,中国南海海域具有良好的水合物资源前景.根据所掌握的勘探资料,尝试利用"概率统计法"对南海海域水合物资源前景进行了初步预测,在50%概率的条件下,南海海域的水合物资源量约为649.68×1011m3,与众多学者对全球天然气水合物资源量的估算相似.由于目前勘探程度较低和很多评价参数不能准确给定,因此对南海海域天然气水合物资源量的估算是初步的.该项研究旨在探索天然气水合物资源量的评估方法,随着勘探、研究程度的深入和评价资料的增多,水合物资源量的评价精度将会得到进一步的提高.     

甲烷水合物分解过程模拟实验研究

以甲烷为主要成分的天然气水合物被看作是一种新型的油气资源,研究水合物分解特征有助于水合物的开采利用。采用实验模拟的方法进行了甲烷水合物分解率研究,实验中采用了等容升温分解和不同粒径多孔介质体系常压分解等方法研究水合物的分解特征。从p=4.5MPa下进行的等容分解实验结果发现,当釜内温度为5.18~8℃时水合物快速分解并一直持续到13℃分解结束,且等容分解过程中反应釜内压力与釜内温度呈良好的函数对应关系。常压分解研究使用了5种不同粒径沉积物作为反应介质,在T=1℃的条件下进行水合物分解实验,结果发现粒径在0.063~0.35mm范围的沉积物对水合物的分解速率为1.11×10-5~2.41×10-5mol/s,但分解速率并没有随粒径大小发生有规律的变化。     

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。     

不同注热水温度下水合物开采实验研究

天然气水合物(NGH)是目前备受关注的新型洁净优质能源,注热法是其有效开采方式之一。为了经济有效地进行注热开采,采用自制的一维天然气水合物开采模拟实验装置,在填砂模型中生成相同初始条件的天然气水合物藏, 然后注入热盐水进行开采模拟实验,分析不同注热水温度对开采动态的影响。结果表明：注热水温度越高,水合物开始分解的越早,注热阶段的平均产气速率也越大;不同注热水温度下,热前缘的移动接近于线性,注热温度从40 ℃到100 ℃时,平均热前缘移动速度从015 cm/min增加到02 cm/min,说明注热水温度对热前缘的移动影响不大。注热前期,注热水温度越高,能量效率越高,但注热后期,注热水温度越高,能量效率反而越低。在本组实验条件下,注热水温度从40 ℃增加到100 ℃时,注热开采的能量效率由67减小到24,而平均热前缘移动速度并没有明显降低。因此,为保证注热开采的经济有效,建议在注热前期注高温水,在中后期采用低温水驱替。     

三维实验模拟双水平井联合法开采天然气水合物

为研究联合法开采天然气水合物,在水合物三维实验开采模拟平台中利用双水平井进行降压联合注温水开采水合物实验,得到温度和压力分布、产气、产水、三相饱和度变化与开采方法的传热特性。整个开采过程可以分为自由气释放阶段、静置阶段、降压开采阶段和注热开采阶段。研究结果表明在自由气释放阶段和静置阶段有二次水合物生成。在注热阶段,水合物在降压和注热的协同作用下进行分解。反应釜中的水合物最终被完全分解,并且本研究的能效比高于前人利用垂直井进行降压联合热吞吐分解水合物的能效比,表明利用双水平井进行降压联合注温水是一种有效的分解水合物的方法。     

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。     

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。     

海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展

综述了近年来天然气水合物分解与甲烷归宿等方面的研究成果。天然气水合物的汇聚与地质构造或地层圈闭有关,其溶解受物质转换控制,分解则受热转换控制。水合物释放甲烷的运移方式包括分散式、中心式和大规模排放式。缺氧氧化和耗氧氧化是甲烷在海洋环境中的2种主要转化方式。天然气水合物释放甲烷的最终归宿主要为：①重新形成天然气水合物;②形成化能自养生物群落和沉淀出碳酸盐沉积;③与氧发生氧化后转变为CO2;④直接排放进入到大气中。沉积物中的微构造、化能自养生物群落、自生碳酸盐矿物及其碳氧同位素组成是水合物释放事件的指纹记录。     

Numerical Study of Gas Production from a Methane Hydrate Reservoir Using Depressurization with Multi-wells

With the implementation of the production tests in permafrost and offshore regions in Canada, US, Japan, and China, the study of natural gas hydrate has progressed into the stage of technology development for industrial exploitation. The depressurization method is considered as a better strategy to produce gas from hydrate reservoirs based on production tests and laboratory experiments. Multi-well production is proposed to improve gas production efficiency, to meet the requirement for industrial production. For evaluating the applicability of multi-well production to hydrate exploitation, a 2D model is established, with numerical simulations of the performance of the multi-well pattern carried out. To understand the dissociation behavior of gas hydrate, the pressure and temperature distributions in the hydrate reservoir are specified, and the change in permeability of reservoir sediments is investigated. The results obtained indicate that multi-well production can improve the well connectivity, accelerate hydrate dissociation, enhance gas production rate and reduce water production as compared with single-well production.