钻井液侵入时水合物近井壁地层物性响应特征

目前,国内外学者对钻井液侵入水合物地层的室内实验模拟研究停留在较小尺度上且可靠性难以验证,尚需利用与实际地层物性参数较为贴近的沉积物模型, 开展大尺度的实验模拟,为改善水合物地层钻井过程中钻井液工艺和测井准确识别与评价水合物储层提供依据.根据墨西哥湾水合物地层主要物性参数指标压制了相应的人造岩心,进行了人造岩心钻井液侵入实验.结果表明:水合物在加热分解过程中,温度与压力呈上升趋势,而电阻率先升高后下降,水合物相平衡条件不仅与温压条件有关,还受孔隙水盐度不断变化的影响。钻井液侵入岩心过程中,压力的传递速率快于热量的传递,易使原始岩心孔隙中的水、气在压力升高而温度尚未改变的情况下生成二次水合物.钻井液温度是水合物分解的主要因素,而压差有利于提高孔隙水压力,保持水合物的稳定.高密度钻井液虽有利于形成高压差和抑制水合物在钻井液中形成,但也会导致钻井液低侵并使井周水合物更易分解.因此,在实际水合物地层钻井中,为了减少钻井安全事故,应在安全密度窗口范围内尽可能提高钻井液密度,选用温度较低的钻井液并加入一定量的动力学抑制剂或防漏失剂.电阻率测井应该选用随钻测井方式或者深侧向测井值,从而避免因水合物分解导致的测井失真.      

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。     

陆域天然气水合物取样关键因素探讨

温度和压力是保持天然气水合物不分解的2个重要参数。依据热物理力学理论和理想气体特性,通过计算机模拟0℃以上甲烷水合物和二氧化碳水合物在不同温度-压力条件下的分解,得到甲烷水合物分解P-T平衡相图,探讨了钻探获取陆域天然气水合物取样温压关系。     

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。      

天然气水合物加热开采机理及数学模型

在目前已有的主要水合物开采方法研究的基础上,进一步研究了天然气水合物加热开采法的机理。研究认为,水合物是加热分解、热传导和含化学分解的液、气两相渗流流动,它们之间既相互独立,又相互联系。并将水合物区划分为分解区和未分解区,将分解区前缘作为可移动的分界面,分区建立了加热分解热传导数学模型及含分解化学反应的液、气两相渗流流...     

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。     

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。     

天然气水合物注热水开采热前缘移动规律实验研究

注热水开采是天然气水合物的有效开采方式之一,其中热前缘的移动决定了分解速率的大小,是决定注热水开采效果好坏的重要参数。采用自制的一维天然气水合物开采模拟实验装置,首先在填砂模型中生成水合物,然后对不同条件的水合物进行注热水开采实验,分析热前缘移动规律。结果表明：水合物饱和度越大,热前缘移动速率越小;随着初始温度的增加,热前缘移动速率略有增加;注热水温度越高,注热水速度越大,热前缘移动速率越大。水合物饱和度和注热水速度对热前缘移动速率的影响最大,注热水温度次之,而初始温度对热前缘影响较小。为了提高开采速度,建议在技术可行的情况下适当增加注热水速度,同时适当降低注热水温度,虽然开采速度略有降低,但开采经济可行性会增加。     

天然气水合物形成过程中的气体组分分异及地质启示

自然地质条件下不同气源的天然气体由于其组成不同,对天然气水合物的成藏条件产生不同影响。以2个常规天然气样品为例,在中国石油大学自行研制的水合物成藏一维模拟实验装置上进行了水合物成藏模拟实验,并对实验前后的原始气样、水合物形成后的游离气、分解气进行了气体组分分析。实验结果表明：水合物分解气中CH₄、N₂含量降低,而C₂H₆、C₃H₈、iC₄H₁₀、nC₄H₁₀、CO₂含量增大,游离气中各组分的变化趋势刚好相反,这意味着同等的温度压力条件下,C₂H₆、C₃H₈、iC₄H₁₀、nC₄H₁₀、CO₂等与CH₄、N₂相比更易于形成水合物;通过计算分解气体各组分相对于原始气体的相对变化量发现,在实验温度压力条件下（高压釜温度范围为4~10 ℃,气体进口压力为5 MPa）,烃类气体与水结合形成水合物的能力由甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷依次增加;由于不同烃类气体与水合物结合的条件不同,导致水合物形成过程中气体组分发生分异,水合物中甲烷含量减少、湿气含量增大,而游离气中气体变化相反,在自然地质条件下形成由水合物稳定带上部溶解气带、水合物稳定带及下部游离气带（或常规气藏）甲烷含量呈中-低-高特点,湿气和二氧化碳含量呈低-高-中的三层结构分布模式,因此,同一气源气体在不同带内表现出不同的气体组分特征。     

天然气水合物开采数值模拟的参数敏感性分析

天然气水合物是储量巨大的一种新型能源,如何有效地开采是关键问题。基于降压开采的机理,建立了一维数学模型,利用自编的数值模拟软件进行了天然气水合物开采过程中的参数敏感性分析;通过与Yousif研究结果进行对比,验证了本模型的正确性。在此基础上,分析了渗透率、初始天然气水合物饱和度及生产压力对开采效果的影响。研究发现,渗透率越大、初始饱和度越低、生产压力越低,天然气水合物分解越快,分解前缘的移动速度越快。研究结果对天然气水合物的实际开采提供了理论支持。     

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。     

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.     

Geomechanical modeling of hydrate‐bearing sediments during dissociation under shear

Methane hydrate‐bearing sediments exist throughout the world in continental margins and in Arctic permafrost. Hydrates are ice‐like compounds when dissociate due to temperature rise or reduction in fluid pressure, release gas. Because of the mechanical property changes caused by dissociation in which the loads supported by the hydrates are transferred to soil grains, these sediments may become unstable. To quantify the risk of ground instability triggered by dissociation, which may happen during operation to extract methane gas or from climate changes, a reliable predictive model is indispensable. Even though many models have been proposed, a detailed validation of the ability to model dissociation impact is still needed. This study investigated the adequacy of an spatially mobilized plane constitutive model and a modeling framework using laboratory‐induced dissociation tests under shear from literature. Using laboratory‐imposed temperature and pressure changes and the resulting hydrate saturation changes as input, this study was able to capture the geomechanical responses and determine the stability state of methane hydrate‐bearing sediments as observed. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

天然气水合物孔底冷冻取样方法的室内试验研究

本研究提出的天然气水合物孔底冷冻取样方法是利用外部冷源在孔底降低水合物岩心温度,采用主动式降温的方法降低水合物的临界分解压力,达到被动式降压来抑制水合物分解,获得水合物岩心的方法。首先,通过分析天然气水合物温压特性得出了孔底冷冻取样方法的可行性;然后,借助室内冷冻模拟试验确定了干冰为冷冻剂,酒精作为助冷催化剂和载冷剂的冷冻方式;最后,依据冷冻模拟试验得出的干冰法冷冻方式研制了FCS型天然气水合物孔底冷冻取样器样机,并进行了土层钻进冷冻取样试验,取得冷冻黄土岩心。本研究提出天然气水合物孔底冷冻取样思想,为天然气水合物取样器的设计提供了新的思路。     

甲烷水合物生成和分解的X射线断层扫描试验研究

通过X-射线断层扫描系统(CT)开展甲烷水合物生成和分解试验研究,结果表明:CT可以清楚地描述甲烷水合物形成和分解过程.通过生成和分解的密度图像变化和CT数频率分布以及均方差变化,能够较好地理解甲烷水合物的生成和分解过程变化,同时CT数在生成和分解过程中的变化有助于准确地判断甲烷水合物的生成和分解的相平衡条件.     

盐类对甲烷水合物稳定性影响研究进展

甲烷水合物稳定性主要控制着甲烷水合物稳定带的厚度,温度、压力、孔隙水盐度和气体组分等因素影响着水合物稳定带的厚度。甲烷水合物的形成与地层水关系密切,而地层水中的各种盐离子(Cl~-、Na~+、Mg~(2+)、SO_4(~2-)、Ca~(2+))以及过渡金属(Fe、Mn、Cu、Co、Ni等)会影响天然气水合物的形成和分解条件。因此,研究盐类对甲烷水合物的稳定性认识有助于更加深入了解天然气水合物的成藏条件。本文分析了氯化物、硫酸盐、碳酸盐三大盐类对甲烷水合物稳定性的影响:同一盐类不同盐度条件下,随着盐度的增加,甲烷水合物相平衡曲线向低温高压偏移。总结了不同盐类和阴阳离子对甲烷水合物的抑制作用大小:在相同浓度、不同盐类条件下,盐类浓度在1.0~1.5 mol/L时盐类对甲烷水合物的抑制作用大小为MgCl_2CaCl_2Na ClKCl,盐类浓度大于1.5 mol/L时CaCl_2的抑制作用较强;阴离子对甲烷水合物的抑制作用大小争议较大,阳离子中Mg~(2+)对甲烷水合物的抑制作用最强。从目前的研究成果来看,已有数据与实际地质条件还存在一定差距,需要在真实实验条件下加强氯化物-硫酸盐-碳酸盐-甲烷-水体系的详细研究。本文提出,将高压可视反应腔与显微激光拉曼技术相结合,有望准确获取天然气水合物稳定形成时的温压条件,明确盐类和阴阳离子的抑制作用大小,以及盐类和离子特性如何影响水合物的形成和稳定,以便为未来的水合物勘探开发提供参考。     

冻土区天然气水合物钻井泥浆冷却系统设计及关键参数计算

泥浆冷却技术是天然气水合物钻探的关键技术之一,低温泥浆可以抑制天然气水合物在钻进和提钻过程中分解,有利于钻获水合物实物样品。新型天然气水合物钻井泥浆冷却系统主要包括载冷剂制冷器、翅片管式换热器、温度监测与记录和防冻装置4部分。制冷机组采用变频启动,减小了野外施工中配套发电机的功率,大幅度降低油料消耗;翅片管式换热器中泥浆与载冷剂对流换热,换热面积大,换热效率高;温度监测与记录装置对4个关键节点的温度进行监测和记录,同时防冻装置可防止泥浆在换热器中结冰堵塞,影响正常使用。运用传热学和流体力学理论对泥浆与载冷剂对流换热过程进行计算,在满足制冷要求的前提下,换热器换热面积是10.58 m2,管路压力损失为0.34 MPa。     

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。     

海底天然气水合物取样器冷却技术研究现状

天然气水合物是一种潜力巨大的替代性能源,其可以稳定地存在于一定的低温高压条件之下。在天然气水合物钻探作业中,冷却保温技术是天然气水合物钻探的关键技术之一。低温可以抑制天然气水合物分解,这对获取水合物样品有着十分重要的作用。本文首先概述了海底天然气水合物取样器保温冷却技术研究现状,并对取样器冷却保温技术进行深入的调查研究和分析。然后对日本的PTCS取样器中的冷却保温技术和国内具有冷却保温功能的取样器进行了详细介绍,并对相关技术进行分析和总结,最后对海底天然气水合物取样器冷却保温技术的发展做了总结与展望。