含水合物细粒土的强度和变形特性

天然气水合物是一种巨大能源,深刻刻画水合物储层的力学性质是安全开采气体的重要前提。目前对含水合物沉积物力学特性的研究主要针对粗粒土,而对于细颗粒沉积物研究较少。然而,中国南海神狐海域水合物储层区的沉积物是泥质粉细砂型。基于此,参照神狐海域水合物赋存区沉积物的物理性质配制了试验土样,形成了含四氢呋喃(THF)水合物细粒土,对其进行了三轴剪切试验。结果显示:在低围压和高水合物饱和度下,含水合物细粒土试样的应力应变曲线呈现应变软化,而在高围压和低水合物饱和度下表现为应变硬化;含水合物细粒土随剪切作用表现出剪缩效应;强度和刚度随着水合物含量和围压增加而提高;水合物含量的增加明显提高了黏聚力,但是对内摩擦角的影响很小。基于摩尔库伦强度准则,建立了破坏强度与围压和水合物饱和度间的关系,该关系式可以较好地预测强度的变化。     

水合物沉积物试验岩样制备及力学性质研究

水合物沉积物现场取心及原位力学试验技术难度大、成本高,室内制备岩样是目前对其力学性质研究的主要手段。采用三轴压力室内直接合成和混合制样两种方法,分别以覆膜砂和膨润土为基质试验制备水合物沉积物岩样,并进行三轴压缩力学试验。结果表明:尽管沉积物中水合物对基质骨架颗粒存在一定胶结作用,但水合物沉积物的力学性质仍主要由基质的性质决定,覆膜砂基质水合物沉积物的力学性质明显好于膨润土沉积物;水合物沉积物的强度及弹性模量随着围压的增加而增加,但泊松比与围压无明显相关性。     

含甲烷水合物松散沉积物超声波性质的实验研究

实验模拟海域含天然气水合物松散沉积物, 并测量其声学性质变化规律, 以期为天然气水合物地震勘探和资源评价提供科学依据。采用一套改进的水合物超声波速度测量装置, 根据反应釜内部气体压力的变化, 连续监测实验过程中甲烷水合物饱和度的变化, 获得被水完全饱和的松散沉积物中甲烷水合物饱和度与声波速度的关系。模拟南海神狐海域SH-7钻孔的HY-3样品, 进行多个轮次的甲烷水合物形成?分解实验, 实测纵、横波的速度均落在水合物非胶结曲线与胶结曲线之间, 表明甲烷水合物在沉积物孔隙中同时存在胶结和非胶结多种赋存形式, 在分解和合成过程中均以呈悬浮状或作为支撑颗粒的水合物优先, 但少量起胶结作用的水合物始终存在, 并对沉积物声学性质有明显的提升作用。     

含甲烷水合物的玻璃珠渗透率实验与簇状等径颗粒模型

为研究天然气水合物对沉积物渗透率的影响,首先,利用含甲烷水合物的多孔介质渗透率测量实验装置,在BZ-02型玻璃珠(平均粒径为228.4μm)中生成甲烷水合物;其次,采用稳态注水法测量不同甲烷水合物饱和度下多孔介质的水相有效渗透率;最后,根据多孔介质堆积模式与水合物的生成形态,提出了簇状等径颗粒模型.研究结果表明:采用多...     

含水合物沉积物孔隙流动特性数值模拟

以中国南海泥质粉砂型天然气水合物沉积物为研究对象,基于有限单元数值模拟法,采用孔隙尺度模型定量分析了砂质颗粒粒径、水合物饱和度和砂质颗粒空间非均质性对水合物沉积物(HBS)渗透率演化的影响.首先,本文基于CT图像重构了含水合物沉积物均质模型,基于Darcy定律对不同砂质颗粒粒径和水合物饱和度的含水合物沉积物储层渗透率进...     

含水合物沉积物二维声学特性实验研究

在研制含水合物沉积物二维声学模拟实验装置基础上,获取水合物形成分布及其二维声响应特征。实验结果表明,水合物饱和度小于15%时,随着水合物形成,各层位声速增长较快;水合物饱和度大于15%后,声速增长变慢。水合物形成初期,粗粒沉积物声速稍大于细粒沉积物;水合物形成末期,不同层位声速差异不大,水合物接近均匀分布。水合物形成过程的二维分布与声响应特征为:纵向上离气源较近层位优先形成水合物、声速较大,横向上反应釜周边优先生成水合物,沉积物两侧声速大于内部声速。实验获得含水合物沉积物纵横波速间的经验公式及纵横波波速比与水合物饱和度间的关系。     

含甲烷水合物非固结沉积物三轴实验

利用自主研发的水合物合成与分解一体化三轴实验装置,以中细砂作为水合物赋存介质,在不同有效围压(1 MPa、2 MPa、4 MPa)条件下,对不同水合物饱和度(0%、13.3%、26.6%、39.9%)的松散沉积物进行三轴剪切实验,探讨了水合物饱和度和有效围压对沉积物应力应变曲线形态及不同抗剪强度指标的影响规律,得到不同强度参数的经验模型。结果表明:含甲烷水合物非固结沉积物的应力应变曲线形态是水合物饱和度和有效围压共同作用的结果;抗剪强度、起始屈服强度与水合物饱和度有关,而受温度和有效围压的影响较小;黏聚力和内摩擦角随水合物饱和度的增大而增大。     

层间非均质含天然气水合物沉积物力学性质数值模拟研究

为探究含天然气水合物夹层的砂岩储层的力学性质及剪切破坏机理,采用离散元法制备含天然气水合物夹层的砂岩储层试样,进行了一系列双轴剪切试验。研究结果表明：当天然气水合物夹层的饱和度低于15%,且夹层厚度小于1/5时,砂岩储层整体强度降低;当水合物夹层的饱和度超过35%,含水合物夹层厚度超过1/2时,水合物夹层才能增强整个试样的强度。含水合物夹层的失效形式与上覆层和下伏层的失效形式不同,含水合物夹层的破坏主要归因于水合物颗粒与周围颗粒的胶结作用的破坏。     

低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究

为探索防治煤与瓦斯突出的有效途径,利用自主研制的含瓦斯水合固化-三轴力学压缩一体化装置,开展低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验,研究不同围压下低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变关系。结果表明:不同围压下,低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变曲线为软化型,其峰值强度随围压增加而增加;通过摩尔库伦强度准则,计算低饱和度含瓦斯水合物突出煤体黏聚力和内摩擦角。两者均低于高饱和度条件该参数数值,可见饱和度对含瓦斯水合物突出煤体强度影响较大。     

孔隙填充型深海能源土的离散元成样

针对孔隙填充型水合物的赋存形态,提出了一种新的制备孔隙填充型能源土试样的数值成样方法.孔隙填充型水合物的砂性能源土试样是由砂粒和水合物颗粒混合而成的特殊的散粒体材料,具有明显的非连续特征.在土骨架的孔隙中,将水合物块体视为由颗粒通过强胶结作用凝聚而成的团簇整体,随机填充生成不同水合物饱和度的沉积物试样,开展能源土宏观力学特性的离散元固结排水三轴压缩试验模拟,并从应力应变、体变、接触组构等方面进行分析.结果表明,水合物饱和度的增大对低饱和度的孔隙填充型能源土试样的初始弹性模量和强度影响较小.有效围压相同时,孔隙填充型能源土试样的体积剪缩量随着水合物饱和度的增大而减小;而水合物饱和度相同时,能源土试样强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大.能源土试样的剪胀角随有效围压的增大而近似线性减少,随水合物饱和度的增大而趋于线性增大.颗粒间接触方向随着轴向应变的增大而朝竖直方向偏转.     

含甲烷水合物松散沉积物的力学特性

通过含甲烷水合物松散沉积物三轴测试,首次基于临界状态原理探讨水合物沉积物发生应变软化、硬化破坏形式的机制,重点分析各强度参数变化规律及其对破坏模式的敏感性。结果表明:三轴剪切试验过程中沉积物破坏模式受有效围压、水合物饱和度等因素共同控制;破坏模式对峰值强度、起始屈服强度、起始屈服模量、内聚力、内摩擦角等参数的影响较小;不同破坏模式条件下水合物沉积物切线模量、峰值剪切模量等参数变化规律完全不同,其计算模型须在不同破坏模式框架内分别分析,而不能忽略破坏模式的影响建立笼统的水合物沉积物强度参数计算模型。     

基于LBM方法的天然气水合物沉积物中多相流动规律研究

根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点,提出将格子Boltzmann方法(LBM)用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律研究的新方法,该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法,是用格子Boltzmann模型对多孔介质中水合物生成、分解过程中饱和度的变化影响多孔介质渗透率的特性进行模拟.模拟结果表明,多孔介质...     

水合物地层低温钻井液对井底岩石表层强度影响

由于天然气水合物仅在高压低温条件下稳定存在,为了保持水合物稳定,在钻井过程中宜采用低温钻井液,而在低温条件下钻井液能否对井底岩石表层起到软化作用,对于提高机械钻速具有重要意义。在分析钻井液对井底岩石表层软化作用机制的基础上,较系统地建立低温钻井液软化井底岩石表层定量评价方法,以清水为对比浆液,通过试验将6种水合物地层模拟钻井液(分别含有质量分数为0.1%的表面活性剂和有机盐处理剂)在低温条件下对薄片砂岩试样的软化效果进行对比。结果表明:相比于两种有机盐处理剂,含表面活性剂的4种模拟钻井液在低温条件下对岩样软化效果更好,有利于提高岩石破碎效率和机械钻速;4种含表面活性剂钻井液中,含十二烷基硫酸钠(SDS)钻井液对岩样的软化效果最好。     

含甲烷水合物沉积层渗透率特性实验与理论研究

含水合物沉积层的饱和度与渗透率关系研究,是深水油气及海洋水合物资源勘探开发的基础性工作.利用两种平均粒径分别为0.110和0.210mm的玻璃砂模拟沉积层环境,通过体积测量法确定其孔隙度分别为0.364和0.368.测量甲烷水合物在沉积层中渗透率随饱和度的变化,并将得到的结果与平行毛细管模型、Kozeny颗粒模型以及Masuda模型进行了比较.结果表明：模拟的沉积层可以近似认为是等径球体颗粒堆积物,其渗透率与孔隙度基本符合修正的Kozeny-Carman公式关系;沉积层中甲烷水合物的存在使其渗透率急剧下降;与多个模型比较后发现水合物占据孔隙中心的平行毛细管模型与实验结果吻合得较好,说明实验中甲烷水合物主要是在沉积层的孔隙中生成而不是对玻璃砂颗粒形成包络;甲烷水合物饱和度低于25%的沉积层渗透率与饱和度的关系成指数递减关系.     

降压开采下深海能源土斜坡分解区的判定及其稳定性分析

深海能源土是指含新型战略性新能源-天然气水合物的海底沉积物。降压开采天然气水合物是一种相对经济、高效的方式,开采中水合物储层分解区域的确定与能源土斜坡稳定性分析是确保天然气水合物安全有效开采的前提之一。本文归纳了水合物降压开采的基本方程,通过自主编写USDFLD子程序,在ABAQUS中实现了降压开采条件下海底斜坡水合物储层分解区域的判断,模拟了水合物饱和度以及相关物性参数的变化情况。结合一实际海底能源土斜坡,完成了降压开采条件下能源土斜坡水合物储层分解区域、有效应力及变形场的计算,并结合有限元强度折减法对深海能源土斜坡降压开采的实际工况进行了数值模拟。结果表明开采前与开采后的安全系数变化不大,单井降压开采对斜坡的稳定性影响不明显。     

考虑甲烷溶解的天然气水合物分解超孔隙水压力

天然气水合物的分解会生成大量气体和水,在土层渗透性较差的情况下,大量气体无法及时溢出,压力不易传导到外部,使土层的超孔隙水压力迅速增大,有效应力降低,同时水合物分解后其自身与沉积物的胶结作用大幅减小,导致沉积物强度降低,发生大规模变形或失稳,进而引发海底失稳等灾害。基于热力学基本理论,建立了考虑水合物分解产生的甲烷气体部分溶解的超孔隙水压力模型,并对其影响因素进行讨论,最后针对南海工况研究水合物分解对海床稳定性的影响。结果表明,水合物分解产生的超孔隙水压力随着水合物分解先迅速增大后缓慢增长最后趋于稳定;初始饱和度、塑性指数、水深、沉积物埋深、内摩擦角等是影响水合物分解产生的超孔隙水压力的关键影响因素;影响海床稳定性的关键不利因素是超孔隙水压力聚积而非土体强度弱化;生成的甲烷气体二次溶解使超孔隙水压力减小,一定程度上缓解了斜坡的滑动。     

不同类型含天然气水合物沉积物的声学特性

 针对中国南海海底浅层含天然气水合物沉积物泥质粉砂岩和粉砂岩,采用超声波探测和模拟实验,研究了不同水合物饱和度与围压条件下两类沉积物的声波响应特征及差异。结果表明,围压变化条件下,两类沉积物的声波速度随围压升高而增大,围压升高至饱和点后两类沉积物的声波速度不再变化,两者的围压饱和点相差7~10 MPa;水合物饱和度变化条件下,两类沉积物的声波速度随水合物饱和度增加而增大,增速呈"慢-快-慢"趋势,其中水合物饱和度20%~40%为声波速度较快增长区间,增幅达22%以上;水合物饱和度相同、围压相同时泥质粉砂岩的声波速度均大于粉砂岩,水合物饱和度与围压变化时对两类沉积物的声波速度影响较大,且对泥质粉砂岩的声波速度影响程度大于粉砂岩。