基于直接测量的水合物储层颗粒间作用力测试系统与测试方法

针对水合物储层失稳和出砂行为力学机制的微观刻画难题,开发一种基于直接测量储层颗粒间作用力的微力测量装置,并提出相应的测试方法,通过对比前人水滴、冰颗粒和水合物颗粒间的黏附力测试结果,验证装置的准确性,进而开展冰颗粒、四氢呋喃(tetrahydrofuran,THF)水合物颗粒与南海砂之间的摩擦力测试.结果表明,冰和TH...     

用原子力显微镜研究温度和接触界面对THF水合物形貌的影响

天然气水合物的表面形貌和性质一直是水合物研究领域的基础科学问题,它不仅制约人工环境下油气管线内水合物颗粒间聚集以及颗粒与管壁接触并阻塞管道的程度,而且还影响自然环境下水合物与沉积物骨架颗粒间接触关系以及相应的内聚力和摩擦角.本文首次运用原子力显微镜(AFM)对不同温度和不同界面合成的四氢呋喃(THF)水合物进行了表征,分析了温度和接触界面对其表面特征的影响.结果表明:在气-液界面自由生长的多晶THF水合物,生长温度越低,晶粒尺寸越小并更容易出现不定形水合物.晶粒界面的横截面呈"V"字形,其宽度和深度随生长温度降低而减小.在固-液界面受限生长的多晶THF水合物,其表面形貌和粗糙度除了受生长温度影响外还与接触的固体介质有关.当生长温度较高时晶粒尺寸较大,晶粒界面清晰可见;但生长温度较低时接触介质表面性质会影响二者分离后水合物表面形貌,如会出现微孔洞等结构且粗糙度变大,观察不到晶粒界面.这一发现对解释水合物沉积物残余强度特征与机制具有重要启示意义.     

3A分子筛存在下四氢呋喃水合物的界面生长

通过在显微镜下观测加入3A分子筛粉末后的四氢呋喃(THF)-水体系的水合物生成过程,测量水合物生成时水合物相的界面移动速度.实验结果表明:在不同温度下水合物界面的生长速度都具有一致的规律,而且随温度变化不大,最大值约为1.1μm/s;同时界面生长速度随着反应进行而慢慢降低.     

蔗糖对四氢呋喃水合物分解平衡温度影响的实验研究

随着油气资源的开采趋于深海,对促进水合物分解的研究在管道解堵和水合物开采方面都具有重要的意义。实验测试得到蔗糖的质量分数分别为0.05%、0.5%、2.4%、9.1%、20.0%、33.3%和39.4%。实验结果表明体系中蔗糖的存在对THF水合物的分解有促进作用,能降低THF水合物的分解平衡温度且分解平衡温度随着蔗糖含量的增加而降低;当蔗糖的质量分数大于27.7%时,THF水合物的分解平衡温度降至冰点以下。热力学模型以液-水合物-气三相逸度平衡为起始点,根据THF水合物的特点对传统的逸度计算模型进行了适当的简化,用基团贡献法计算得到了实验体系下水的活度系数,并利用实验数据拟合得到了模型中用于计算Langmuir常数的两个重要参数,最后选定适用于其他参数的经验公式。用该模型预测得到的水合物分解平衡温度与实验得到的数据相吻合,说明该模型可用于预测常压下的THF+水+蔗糖体系水合物分解平衡温度。本文建立的模型对不同客体水合物的热力学模型的建立也具有指导意义。     

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...     

基于储层保护的天然气水合物间接置换开采方法

物质运移和热量传递的效率低下以及储层稳定是天然气水合物高效开采面临的难题之一.提出了基于储层保护的间接置换开采方法.采用重力筛分介质分离天然气水合物分解和二氧化碳水合物合成的反应界面并在界面间分离和运移反应物,形成物质的单向运移通道;提高物质运移效率,使天然气水合物分解和二氧化碳水合物合成分区同时进行.将储层环境热、注...     

天然气水合物分解超孔隙压力研究

针对海洋油气资源开采和海洋工程施工过程中天然气水合物分解所引发的工程风险问题,展开了天然气水合 物分解超孔隙压力理论模型研究。研究中采用理论解析方法,基于水合物分解前后的相态模型和热力学中的通用气 体定律,推导了水合物分解导致的沉积物体积膨胀模型,进一步采用土力学中土体的压缩和回弹特性,最终获得了水 合物分解超孔隙压力理论解析模型。采用典型的海底滑坡工程案例,验证了模型的合理性与正确性,并针对模型中复 杂的影响参数展开参数考察,获得了不同参数的影响效应。研究对认识水合物分解产生的超孔隙压力的演变机理,保 证水合物的储层稳定性,规避水合物分解带来的工程灾害具有重要的理论价值和现实意义。     

四氢呋喃水合物热物性非原位测量方法研究

利用HotDisk热常数分析仪对THF水合物导热系数和热扩散系数进行了非原位测量。实验结果表明,温度在254.0~267.0 K时非原位测得的THF水合物导热系数为0.52~0.57 W.m-1.K-1,且随着温度的增加而线性增大,非原位测量的导热系数值与原位测量的导热系数值绝对值相差0.045~0.065 W.m-1.K-1,误差为8%~12%。当温度从267.0 K升高到277.0 K时,非原位测得的THF水合物的导热系数增加剧烈,表现出非线性关系。在254.0~267.0 K时,非原位测得的THF水合物的热扩散系为0.26~0.31 mm2.s-1,并随温度增加而减小。非原位测量的热扩散系数值与原位测量的热扩散系数绝对值相差0.028~0.068 mm2.s-1,误差为10%~22%。原位测量与非原位测量产生的误差,分析认为可能是样品的转移过程中,空气中的水蒸气在水合物表面凝结成冰所致。     

气液比对矿井瓦斯水合物生长速率的影响

为寻求瓦斯水合物快速生成的方法,研究了气液比对瓦斯水合物生长速率的影响。设定初始压力5 MPa、初始温度20℃,在复配溶液（0.1 mol/L四氢呋喃（THF）-0.2 mol/L十二烷基硫酸钠（SDS））体积相同的条件下,通过改变可视化反应釜的体积建立了四种气液比（40、60、80和100）反应体系。根据压力和温度与时间关系曲线和水合物生长速率的计算模型对实验现象与结果进行对比分析。结果表明：气液比的增大加快了气相-液相之间物质传递,提高了瓦斯水合物生长速率。四种气液比反应体系中瓦斯水合物生长速率分别为2.40×10^-6、3.10×10-6、3.64×10-6和4.39×10-6 m3/min。     

温度场扰动对天然气水合物相态的影响机制

钻井液是保障钻井安全与井壁稳定的关键,但在天然气水合物钻探过程中存在钻井液侵入水合物储层,发生传质传热导致水合物储层升温失稳,因此深入了解此过程中温度场扰动对天然气水合物相态的影响规律,对天然气水合物资源钻井安全意义重大。基于分子模拟探究温度场对水合物相态的影响规律,阐明含热力学抑制剂体系在变温过程中的水合物生成与分解机制。结果表明：在压力一定的条件下,水合物不但具有强温度敏感性,而且水合物的稳定性还具有时间相关性;在低温区持续时间越长,水合物二次生成风险越大,在高温区持续时间越长,水合物分解量越大;尽管热力学抑制剂可以显著减小水合物二次生成量,但也会显著加快储层水合物的分解;合理控制钻井液体系的热力学抑制剂量及钻井液注入温度,对维持储层水合物相态稳定及防止水合物二次生成至关重要,为天然气水合物高性能钻井液体系构建提供了理论支撑。     

海域天然气水合物监测井技术进展与挑战

海域天然气水合物是一种极具潜力的可替代清洁能源,但开采难度大、容易导致地质灾害,因此在开发过程中对水合物储层的监测不仅能为开发方案的动态优化提供基础数据支持,而且对于评价开发过程对环境的影响尤为重要。监测井可以对水合物储层进行原位监测,是一项关键技术,但应用于海域水合物时目前可以采用的地球物理监测仪器非常有限。结合中国神狐海域水合物储层为开发难度高的低渗透率黏土质粉砂的现实,需要研发更低功耗、更高精度的长期原位温度压力监测仪器,同时需要积极开发新的监测技术,例如可以尝试在监测井中加入示踪剂指示来自监测井的流体运移,构成生产井之外水合物分解的直接证据,从而提供水合物分解范围的科学依据。     

HCFC141b气体水合物水平换热管外生长特性研究

通过自建的可视化气体水合物反应实验台,对质量分数为0.2%的SDS(十二烷基硫酸钠,分子式为C12H25SO3Na)水溶液和HCFC141b在单根水平换热管外生成气体水合物的过程进行了可视化观测,通过照片和采集的温度值对水合反应的过程特性进行了描述,发现气体水合物和冰的生长形态完全不同,它不是围绕着换热管生长,而是沿着固体表面(换热管表面)渗透到制冷剂相中生长.采用表面自由能理论进行机理分析表明,其原因在于水溶液在表面张力的作用下可以沿着换热管表面自发渗透到制冷剂相中.据此可以认为,在间接接触换热式气体水合物蓄冷系统中,如果在换热器外增加垂直金属翅片,将有利于改进气体水合物的生长过程.     

煤层气水合物合成与分解实验研究

天然气水合物储气技术(NGH)是正在研究开发的天然气储存新技术,它比液化方式(LNG)节能并降低成本。为了揭示煤层气水合物生成与分解过程规律,利用实验室大型水合物实验装置研究了表面活性剂(SDS)水溶液体系中煤层气水合物的生成过程以及在水浴条件下分解时的特点。实验结果表明,煤层气在一定温度、压力下与水及表面活性剂(SDS)能够快速生成固态气体水合物,其分解受温度影响明显。这种新方式有助于利用水合物技术储运与加工煤层气,促进煤层气开发与利用。     

天然气水合物非成岩出砂储层砂流数值模拟

天然气水合物(可燃冰)作为新兴洁净能源,受到全世界的重视,由中国地质调查局组织实施的中国海域天然气水合物第二轮试采取得成功,并超额完成目标任务.当前,中外天然气水合物模拟器开发和相关研究虽然有通过力学耦合描述"砂"的行为,但大部分都没有涉及"砂"的流动过程.针对天然气水合物分解后,储层多孔介质中"砂"流动过程的数值模拟,通过通用储层渗流模拟器GPSFLOW,实现水、气(甲烷)、砂三相三组分模拟,把砂当做一种非牛顿流体,即为一组分也是一个相态,按宾汉流体进行模拟,初步探讨砂流过程模拟的理论方法和模型实现方案,并通过理想模型进行验证.结果表明:相较于其他出砂数值模拟研究方法,提出的砂流模拟方法简单高效,能够有效地模拟砂流过程,后续通过耦合水合物开采渗流模型,有望实现对水合物开采过程中砂流的准确模拟.     

Numerical simulation on gas production from a hydrate reservoir underlain by a free gas zone

Physical and mathematical models of gas production by depressurization from a hydrate reservoir underlain by a free gas zone are established. The mathematical model can interpret the effects of the flow of multiphase fluids, the process of hydrate dissociation, ice-water phase transition, the variation of permeability, the convection and conduction on hydrate dissociation and gas and water production. The evolutions of temperature, pressure, and saturations in the hydrate and free gas zones are elucidated during gas production. The variation of some parameters, such as gas and water rates, with time is presented. The results show that the overlying hydrate zone can supply a certain amount of gas to improve the output of a production well and evidently prolong the lifespan of a gas reservoir. Supported by the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2006AA09A209) and the National Basic Research Program of China (Grant No. 2009CB219507)     

海洋天然气水合物藏开采若干问题研究

文章阐述了在开采天然气水合物方面所取得的研究进展,包括天然气水合物开采模型及数值模拟,天然气水合物开采物理模拟相似准则,天然气水合物开采方法研究等。建立、完善了天然气水合物开采的数学模型,并以此为基础建立了降压开采水合物物理模拟相似准则。降压法开采单一水合物藏,在某些情况下开采能量不足会导致藏内结冰严重。对下伏气的天然气水合物藏而言,水合物能够提高产气量、延长稳产时间。结合降压和注热的优势提出了注温水-降压法联合开采方法,该方法具有稳产时间较长、稳产气速度高的特点。