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。     

沉积物中天然气水合物减压分解实验

基于自行研发的天然气水合物开采实验装置,进行了沉积物中甲烷水合物减压分解实验研究,并用时域反射技术(TDR)实时监测水合物分解过程中其饱和度的变化。实验采用粒径为0.18~0.35 mm的干砂,003%的十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液和高纯甲烷气体。实验结果表明：水合物减压分解过程中不同层位的温度与水合物饱和度存在差异,体现了一定沉积环境下水合物的分解规律,位于沉积物上层与外侧的水合物先分解;TDR技术测量水合物饱和度时,压力迅速降低不会对TDR波形产生影响,TDR曲线变化仅由水合物分解引起;水合物分解时TDR技术测得其饱和度变化规律与根据分解气体总量计算的结果一致,说明该技术可以准确实时监测水合物饱和度变化。     

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。     

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的问题。本文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考虑混相-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。     

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。     

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。     

天然气水合物藏开采数值模拟研究

TOUGH2是美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的一套渗流模拟软件,其研究内容与水合物藏的开采在气液渗流、质量和热量的传递等方面有很多的共同之处,但水合物的开采又涉及到固态水合物分解产生气体和液态水或固体冰的,与TOUGH2现有内容有一定区别。为了将TOUGH2软件应用于天然气水合物藏开采模拟,在对TOUGH2的功能进行充分解读后,进行了以下三个主要修改:1针对天然气水合物三相变化的状态方程模块;2添加天然气水合物分解速率和相平衡计算模块;3在TOUGH2程序的主体控制方程中,添加由天然气水合物分解引起的变化量。通过上述修改和程序调试,形成了一套基于TOUGH2的水合物藏开采数值模拟软件。利用该软件对神狐海域的水合物藏参数进行计算,其结果与劳伦斯伯克利国家实验室开发的水合物藏开采模拟软件(TOUGH+HYDRATE)的计算结果进行对比,结果表明两者吻合很好,验证了软件的正确性。     

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。     

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。     

应用数值模拟研究神狐海域水合物第一次试采数据

2017年神狐海域第一次试开采成功后,许多学者应用数值模拟对试采数据进行研究,但模拟结果与实际试采数据存在偏差.为了探求原因,本研究建立了二维柱坐标系下水合物降压开采数学模型,开发了相应的程序,能够模拟渗透率等储层参数非均匀分布条件下开采过程,同时能够模拟开采井压力等动态参数对开采过程的影响.通过数值实验,得出偏差原因:（1）泥质粉砂型储层存在水敏性,水合物分解产生的淡水引起粘土膨胀,使渗透率下降;（2）须将开采井压力作为动态输入参量.据此,修正了渗透率模型,考虑了开采井压力随时间的变化,得到的模拟产气量与试采数据十分接近,使降压开采数值模拟更逼近实际情况.      

水合物储层伺服降压开采模型试验研究

深海水合物赋存于一定的温度和压力环境下,降压开采时降压速率对分解产气速率和储层变形特性影响显著。利用浙江大学自主研发的水合物降压开采试验装置,通过伺服控制降压速率,初步开展了水合物储层模型降压开采试验,研究了储层温度场、孔压场、产气量等的响应特性,探讨了降压速率对产气效率和储层变形特性的影响规律。试验表明：水合物竖井降压开采时,开采井周围储层温度率先下降,分解域由井周逐步向周围发展。适当提高降压速率能够提高储层开采效率,但降压速率过快时易导致水合物重生成,反而不利于水合物高效持续稳定开采,开采时应选择合理的降压速率以达到最优产气效率。开采过程中根据储层孔隙与外界连通程度,储层孔隙状态可分为完全封闭型、局部封闭型和开放型3种类型。储层开采试验完成后,浅层土体出现 3 种不同变形特征的区域：I 区为井周土层,呈漏斗型下陷;II 区土层平坦,无明显扰动痕迹;III 区为边界土层,该处水气产出受阻导致部分气体向上迁移引起土丘状隆起带出现。这些变形特征与气体在储层中的迁移路径和运移模式相关。通过相似性分析,给出了模型与原型分解时间和产气量等的对应关系。     

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。     

Sediment permeability change on natural gas hydrate dissociation induced by depressurization

The permeability of a natural gas hydrate reservoir is a critical parameter associated with gas hydrate production. Upon producing gas from a hydrate reservoir via depressurization, the permeability of sediments changes in two ways with hydrate dissociation, increasing with more pore space released from hydrate and decreasing due to pore compression by stronger effective stress related to depressurization. In order to study the evolution of sediment permeability during the production process with the depressurization method, an improved pore network model (PNM) method is developed to establish the permeability change model. In this model, permeability change induced by hydrate dissociation is investigated under hydrate occurrence morphology of pore filling and grain coating. The results obtained show that hydrate occurrence in sediment pore is with significant influence on permeability change. Within a reasonable degree of pore compression in field trial, the effect of pore space release on the reservoir permeability is greater than that of pore compression. The permeability of hydrate containing sediments keeps increasing in the course of gas production, no matter with what hydrate occurrence in sediment pore.     

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。     

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.     

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。     

深水油气固井水合物储层物性响应与高压气水反侵研究

固井作业是能源开采过程中的一道重要工序,当深水油气固井遇到水合物地层时,固井水泥浆水化放热会引起近井壁储层中水合物分解和产生高压气水反侵,从而严重影响固井质量,甚至导致固井报废和井壁失稳,为减小和避免水合物分解的不利影响,明确不同固井工艺条件下水合物储层的物性响应和高压气水反侵规律是关键。以南海神狐海域水合物钻探工程GMGS-1中SH2站位勘探井为研究对象,建立固井二维数值模型,采用TOUGH+HYDRATE数值模拟软件再现固井水泥浆侵入和水化过程,分析过程中近井壁储层物性响应规律,得出南海水合物储层不同固井压差与水泥浆放热速率条件下高压气水反侵的临界条件判别曲线,并创新性地采用“连续分段模拟”思路解决水泥浆的动态放热问题。结果表明:水泥浆初凝之前主要可分为诱导、分解和二次水合物生成3个阶段;侵入行为主要发生在保压时期,当压力卸去后侵入深度基本不再增加;水化放热造成的温度升高导致水合物大量分解,产生的高压气水向四周运移,而压力卸去之后,高压气水向环空方向反侵的趋势更加明显;水化放热速率越大,固井压差越小,气水反侵发生的可能性越大,发生时间越早。对于浅部水合物储层,降低固井水泥浆水化热可有效减少反侵现象的发生,提高固井质量,而对于埋藏较深的储层可在破裂压力范围内同时使用较高的固井压差。本研究对水合物地层固井工艺参数优选具有良好的指导和借鉴作用。      

与海洋天然气水合物微纳米尺度赋存和开采储存技术有关的研究进展

天然气水合物是一类潜在的储量巨大的清洁能源.近年来,水合物的研究已经逐渐拓展至纳米、介观层面.纳米科学贯穿了水合物研究的全过程,包括上游天然气水合物成藏、开采和下游的储运、分离等水合物应用技术,其核心在于研究水合物在纳米材料表面、内部、间隙中生长和分解的传质传热过程.将以第九届国际水合物大会（ICGH9）为切入点,从水合物成藏、开采和下游技术应用几个方面综述近年来水合物研究中的纳米研究进展.目前对水合物的研究尺度并未做到全覆盖,水合物在纳米材料间隙中的传质传热过程研究较少,纳米材料的累积放大效应研究也存在空白.这正是水合物成藏、开采研究中的瓶颈问题.未来的研究应该着眼于水合物在纳米材料中生成和分解的传质传热作用,以此为主线将水合物技术和水合物成藏、开采研究中的核心问题进行统一协同研究.      

Gas outburst with sediments because of tetrahydrofuran hydrate dissociation

Methane hydrate (MH) is a new energy resource in the 21^st century. But the dissociation of MH from sediments during the MH exploration or oil/gas exploration under a hydrate layer accompanied by the softening of soils and formation of excess pore gas pressure may lead to ground failures and environmental disasters. In this study, experiments on modeling the weakening and failure of the sediment by heat‐induced dissociation of tetrahydrofuran (THF) hydrate were presented. The failure mode of gas outburst was observed. Gas outbursts is a process where gas and soils in hydrate‐dissociation zone burst out after the continuous skeleton of over‐layer is fractured during the expansion of the dissociation zone and the formation of gas zone and excess pore gas pressure. An analytical method is presented by decoupling heat transfer and soil deformation. The geometrical and mechanical similarities for gas outburst are obtained. An empirical criterion for the occurrence of outburst is proposed using the theory of thermal conduction, rigid plastic mechanics, and the experimental data. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。