Simulation on seepage in decompressing process for natural gas hydrate deposits

天然气水合物（简称水合物）是我国的战略能源。勘探表明我国南海具有很大的水合物资源量，并于2017年进行了抽取水合物储层流体降压的试验性开采。但试验性开采过程产气量衰减很快，产气速率不能满足商业化开采的要求。国内外相关研究工作主要考虑气和水两相渗流，分析不同开采方式（注热、降压、CO2置换等）对产气速率和产气量的影响规律，但尚未研究清楚水合物分解过程相变、传热与多相渗流的相互作用机制。本论文结合我国南海水合物降压试采工程，主要开展室内模型实验，研究天然气水合物降压分解过程中，包含水、天然气甚至细小颗粒多相在多孔介质中的渗流规律，以探讨试采工程中所发现的产气衰减规律。 首先，采用含水合物沉积物合成、分解及力学特性测量实验装置，以粉细砂为土骨架，开展了含水合物沉积物的样品制备和静、动三轴的力学特性测量，获得了高饱和度水合物对强度的影响特征和不同动载荷幅值下非饱和含水合物粉细砂土沉积物强度变化规律。结果表明：水合物饱和度超过55%以后，含水合物沉积物的静强度出现下降的趋势；水合物饱和度越高，水合物分解后的静强度越低；动载荷幅值/静强度超过0.5时，含水合物粉细砂沉积物的力学响应由振动压密转变为破坏液化的临界现象。这部分研究工作为水合物矿层降压过程中渗流实验设计提供基础力学参数。 再者，完善了水合物矿层降压过程中渗流实验模拟技术，制备水合物沉积层样品，进行了不同水合物饱和度条件下的降压（一次降压和分步降压）过程渗流实验，获得了水合物分解过程温度、压力和产气的基本数据，探讨了水合物分解相变阵面的传播规律。结果表明气体渗流前锋的传播距离与时间平方根成正比，沉积物初始温度略高于冰点时，由于水合物分解吸热，引起结冰和水合物二次生成，与前人结果一致；比较了一次降压和逐级降压两种开采方式，说明分步降压能够控制结冰和水合物二次生成，有利于延长快速产气的时间。上述结果与现场试采产气特征相一致，解释了试采产气衰减问题。 最后，为了弄清水合物分解过程土层中细小颗粒的运移特征，进行解耦分析，首先探讨了不含水合物土层中渗流的基本规律。研制了实验装置，探讨岩土中渗流导致出砂的基本现象和特征，分析了细颗粒含量、颗粒级配、渗流压差对出砂的影响，实验说明渗流致出砂现象主要取决于多孔介质中细颗粒含量及孔隙结构大小；出砂量与渗流压差呈现正相关，渗流压差越大，出砂程度越高。 本文开展的研究工作，初步地获得了天然气水合物分解过程土层中渗流的现象和基本规律，建议开展研究与渗流相关的压力、温度等多场的物理机制，进而提出实用的数值计算模型，为水合物试采/开采方案的制定与评价提供基本依据。</p

New method for inferring the mean pore size of shale using imbibition-diffusion data

After the multistage hydraulic fracturing operations, it is generally observed that the shale gas well is characterized by low flowback rate and high-salinity flowback water. It can be explained by the high water imbibition and ion diffusion capacity of gas shale that is significantly different from conventional sandstone reservoirs. The research on imbibition and ion diffusion is significant for the understanding of shale formation characterization. A new method to evaluate the mean pore size was developed using the experimental data of water imbibition and ion diffusion in gas-saturated shale. The mathematical model was derived theoretically depending on Darcy's law and continuum equation. The results show that the imbibition and diffusion rate can be calculated by imbibition-diffusion curves, and the ratio of imbibition rate to diffusion rate is related to mean pore size. The value of mean pore size is inferred, which is verified by the mercury injection test. This research is significant for volumetric analysis and chemical analysis after fracturing operations to understand the characteristics of gas shale. © 2017 International Society for Rock Mechanics. All rights reserved

多孔介质中渗流致细颗粒运移实验探讨

多孔介质中渗流引起的细颗粒运移是自然界普遍存在的现象,如管涌、油气开采中的出砂等。细颗粒在多孔介质孔隙内的冲刷、重沉积以及多孔介质的变形是典型的流-固耦合力学问题。本文以粉细砂、钙质砂、人工砂和塑料砂等不同颗粒级配和细颗粒含量的土体类型为实验介质,采用圆柱形有机玻璃管模拟一维渗流致出砂,探讨岩土中渗流导致出砂的基本现象和特征,分析了细颗粒含量和渗流压差对出砂的影响。实验结果表明:颗粒级配及细颗粒含量确定土体骨架的孔隙结构及颗粒间相互作用形式,在一定渗流压差下,渗流致出砂主要取决于多孔介质孔隙大小以及细颗粒占比;对于某一颗粒级配,可以发生出砂的情况下,出砂量与渗流压差呈现正相关,渗流压差越大,出砂程度越高

Mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments during hydrate dissociation

The changes in the mechanical properties of gas hydrate-bearing sediments (GHBS) induced by gas hydrate (GH) dissociation are essential to the evaluation of GH exploration and stratum instabilities. Previous studies present substantial mechanical data and constitutive models for GHBS at a given GH saturation under the non-dissociated condition. In this paper, GHBS was formed by the gas saturated method, GH was dissociated by depressurization until the GH saturation reached different dissociation degrees. The stress-strain curves were measured using triaxial tests at a same pore gas pressure and different confining pressures. The results show that the shear strength decreases progressively by 30%-90% of the initial value with GH dissociation, and the modulus decreases by 50% -75%. Simplified relationships for the modulus, cohesion, and internal friction angle with GH dissociated saturation were presented

黏土水合物沉积物力学特性及应力应变关系

以中国近海某天然气水合物（水合物）区的海底粉质黏土制备水合物沉积物样品,并在土工三轴仪上进行实验,分析其应力应变曲线和破坏应力特性。结果表明：力学常数如破坏应力（应变为15%对应的偏应力）随水合物饱和度的增加而增加,在饱和度约25%时破坏应力产生跳跃,即破坏应力随水合物饱和度的变化可分为两部分,饱和度小于25%时水合物的存在对沉积物破坏应力影响较小,大于25%时影响较大。在水合物饱和度小于45%的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线可分为弹性段、屈服段和强化段。文中给出了描述其应力应变曲线的分段函数

含水合物黏土的力学性质试验研究

基于含四氢呋喃水合物黏土样品在不同水合物饱和度、围压及水合物分解前后的高压三轴剪切试验和超声波测量数据,分析了含水合物黏土的应力-应变关系和强度特性.试验结果表明:(1)含水合物黏土的应力-应变曲线展现出弹性、塑性变形以及应变硬化三个阶段(在应变低于1.5%时近似为弹性,在应变2%~6%范围内表现为塑性,在大于6%后呈现明显的应变硬化特性),与不含水合物黏土的应力-应变关系有明显不同;(2)含水合物黏土在水合物分解前后的应力-应变关系存在明显的不同,水合物分解后比水合物分解前的不排水强度值降低程度最大为50%;(3)含水合物黏土的不排水抗剪强度随水合物饱和度和围压的增加而增大,并比不含水合物黏土的强度提高1~6倍.上述结果表明水合物的存在增强了黏土颗粒之间的连结或胶结作用

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

一种岩土试样氨气饱和实验方法

本发明公开了一种岩土试样氨气饱和实验方法，可以实现岩土试样的快速高效率饱和，包括以下步骤：研制直径大于标准试样1.0mm‑1.5mm的对开模具，模具对合后先将橡皮膜套在模具内部，将样品土体在模具内分层砸实试样，然后将模具置于恒温箱内烘干；试样烘干后将模具与试样置于密闭容器内抽真空后注入充足氨气；进行三轴实验前，将模具置于三轴压力室的底座上取下对开模具装上压力室罩注入围压液并加载围压；利用连通器原理对试样进行水头饱和水头差保持在19.5cm‑20.6cm，当注入试样的水量与流出的水量相等时，持续水头饱和30‑40min，用蓝色石蕊试纸沾涂流出的水，直至试纸不再变色时停止水头饱和

西藏羌塘盆地鸭湖地区天然气水合物成藏条件

近年来中国陆域冻土区天然气水合物调查研究结果表明，气源条件是制约羌塘盆地天然气水合物找矿突破的关键因素。为明确鸭湖地区天然气水合物成藏潜力，基于近年来的钻探调查成果，从陆域冻土区天然气水合物成藏系统理论出发，系统分析了影响天然气水合物成藏的冻土、气源、储集、构造等地质因素。分析结果显示，鸭湖地区局部具有较好的冻土、地温、气源、储集、构造及水源条件，具备一定的天然气水合物成藏潜力，继续寻找充足的烃类气源是下一步天然气水合物调查的主要方向。同时，选取钻探调查获取的地温梯度、气体组分等参数，结合音频大地电磁测深（AMT）冻土厚度调查成果，对鸭湖地区天然气水合物稳定带的厚度和底界深度进行了预测。结果显示，当甲烷为85%、乙烷为9%、丙烷为6%时，天然气水合物稳定带厚度与冻土厚度分布变化基本一致，稳定带厚度400~630m，底界深度400~680m。当甲烷为98%、乙烷为2%时，天然气水合物稳定带厚度急剧减薄，大部分地区仅有0~30m，最厚仅有150m，局部地区稳定带底界最深仅为240m。结合气测录井结果，认为渐新世唢呐湖组比上三叠统土门格拉组更具备天然气水合物成藏潜力，土门格拉组自身具备较强的生排烃能力，可作为寻找常规油气或页岩气的一个重要层位