含天然气水合物泥质粉砂沉积物电阻率变化规律

现有研究结果表明,研究含天然气水合物(以下简称水合物)泥质粉砂沉积物电阻率特性对于安全、高效开发水合物藏具有重要意义,但目前关于细粒沉积物中颗粒排挤型水合物影响的研究较少,尤其是对沉积物固结收缩、受力变形和剪切破坏过程中储层电阻率的变化规律认识尚不充分。为此,采用3种制样方法制备了含不同饱和度水合物泥质粉砂沉积物,探究了沉积物在降温、水合物生成、N2气体驱替、水饱和、三轴固结和剪切破坏各阶段中电阻率的变化规律,并对固结和剪切阶段中电阻率的各因素敏感性进行了分析。研究结果表明:①水合物生成会急剧增大沉积物电阻率至1 kΩ·m以上,含20%和40%饱和度水合物沉积物电阻率差值超过350Ω·m,而水饱和过程则促使电阻率减小至40Ω·m以下;②有效围压由1.0 MPa增大到1.5 MPa时,饱和气状态下含20%饱和度水合物沉积物电阻率最大可降低253Ω·m,而饱和水状态下降幅约为2Ω·m;③沉积物导电能力受孔隙介质相态变化影响显著,主要机制为水合物生成堵塞导电通道,水饱和强化电流传导,而水合物胶结能力下降和孔隙气残余则会弱化电流传导。结论认为,孔隙介质和外部压力是影响泥质粉砂沉积物电阻率变化的两大重要因素,后续研究中应加强这些因素进行耦合分析,以期为海洋水合物开采过程中储层扰动风险预测提供理论支持。

气体水合物合成研究进展

水合物法捕集与封存CO_(2)气体可服务于大规模减排的技术需求,加速“碳中和”目标的实现,对应对气候变化具有重要意义。从气体水合物的基本性质、生成机理及模型,多孔介质中水合物合成,水合物合成的分子动力学模拟等方面,综述了前人针对水合物合成领域的研究现状,提出了气体水合物合成过程中存在的科学问题,并对气体水合物的发展及煤系地层CO_(2)水合物的封存方向进行了评价。研究认为,CO_(2)气体的溶解度是限制准确计算多孔介质中水合物储气量的关键因素;气体水合物的局部结构化(成核)机制复杂,仍需深入研究;高纬度及永久冻土区煤系地层可作为水合物法封存CO_(2)气体的地下空间。

天然气水合物分解诱发超孔隙压力预测方法

为避免深水井生产过程中,天然气水合物分解诱发的超孔隙压力引起海底滑坡、井筒完整性失效等问题,综合考虑生产阶段水合物分解过程中沉积物压缩性变化及流体密度改变情况,结合质量守恒原理,建立水合物分解引起的沉积物总体积膨胀模型,得到针对天然气水合物分解诱导的超孔隙压力计算方法,并以南海某含天然气水合物地层的深水井为例,讨论不同因素对水合物分解诱发超孔隙压力的影响。研究结果表明:超孔隙压力随水合物初始饱和度、沉积物孔隙率的增加而升高,而且由于超孔隙压力的升高会抑制水合物的进一步分解,其增幅随之减小,存在最大值;此外,超孔隙压力随天然气水合物埋深的增加而增大,但受水深影响较小。研究结果可为深水井安全生产提供理论参考。

“双碳”背景下二氧化碳海洋封存水合物利用技术研究进展

文章聚焦CO_(2)海洋封存进展,重点介绍了CO_(2)水合物海底封存和CO_(2)置换天然气水合物中CH4技术的研究现状。首先,探讨了CO_(2)水合物海洋封存水合物利用技术的基本原理、形成条件,以及海水中无机盐类型浓度以及沉积物层孔隙度对CO_(2)水合物的形成动力学影响;其次,分析了温压条件、海底沉积物以及混合气体对CO_(2)置换天然气水合物影响因素研究;最后,阐述了CO_(2)海洋封存在技术、环保等方面存在的挑战与问题,展望了发展CO_(2)封存技术的迫切性与应用前景。

水合物模拟装置优化及热力学抑制剂性能研究

为了解决钻井过程中抑制生成的水合物对井筒造成堵塞问题,对天然气水合物生成及评价模拟装置釜内搅拌杆结构及其内部封头进行了重新设计和改进,在此基础上研究了淡水及模拟海水中水合物生成规律,并对比分析了NaCl、MgCl_(2)和Al_(2)(SO_(4))_(3)三种热力学抑制剂对水合物生成的抑制效果。研究结果表明,相比于其他类型的实验装置,具有可视化功能的双反应釜体系,可以同时模拟温度相同时不同液体和压力下水合物生成实验。当热力学抑制剂质量分数为12%时,NaCl产生的离子可以优先与水分子结合,并产生强大的破坏作用,有利于水合物分解,对水合物生成的抑制效果最佳。在温度、初始压力和搅拌速度相同时,改变三种热力学抑制剂的质量分数,分析水合物生成过程中的压降与水合物生成量,1%的MgCl_(2)、10%的Al_(2)(SO_(4))_(3)和20%NaCl对水合物生成的抑制效果最好。研究成果对认识不同基液中水合物生成、热力学抑制剂的抑制规律具有一定借鉴意义,同时为配制更安全的钻井液体系提供思路。

钻井液水合物分解抑制性评价试验方法研究

针对海域水合物地层钻井过程中,钻井液侵入会引起地层水合物分解,导致井壁失稳的问题,搭建了钻井液水合物分解抑制性评价试验装置,确定了评价试验步骤,分析了水合物生成、分解过程中温度、压力变化规律,并引入Peng-Robinson方程计算了水合物生成、分解过程中甲烷气体物质的量数,建立了平行性良好的水合物分解试验方法。试验结果表明,水合物生成过程中压力减小、温度升高,然后均趋于稳定;水合物分解过程中,由于钻井液注入导致压力升高出现水合物再生成拐点,随后温度升高、压力增大,然后均趋于稳定;通过预升温,消除了水合物再生成拐点干扰,提高了水合物分解抑制性评价试验的准确性;同时,多次重复试验表明水合物生成及分解过程中,反应釜温度、压力变化幅度较小,甲烷气体消耗量基本一致,具有较好的平行性和可重复性,满足水合物生成及分解试验要求,可用来评价钻井液的水合物分解抑制性能。

双井周期注CO_(2)联合降压法开采天然气水合物分析

相较于单纯地封存CO_(2),CO_(2)置换法开采天然气水合物(以下简称水合物)能够满足水合物资源开采和碳封存的双重需求。为确保安全高效开发水合物的同时提高CO_(2)封存率,按照双井周期注入CO_(2)联合降压法开采水合物的思路,以中国南海典型水合物藏为研究对象,建立了矿藏尺度水合物注采热—流—固—化四场耦合数值模型,并开展了连续、间歇、循环3类注入开采方案和单井降压开采方案的对比分析,然后模拟分析注CO_(2)辅助水合物降压开采的增产效果,最后对比了不同注入方案的CO_(2)回收和封存情况,探索了水合物法碳封存的可行性。研究结果表明:(1)邻井CO_(2)的注入有助于降低产水量并缓解降压开采引起的地质沉降;(2)间歇注入较循环注入可促进储层中CO_(2)水合物生成,扩大注入井附近的高温区域,有利于生产井附近水合物的分解;(3)连续注入方式有利于分解气体的产出,但双井注采模式降低了甲烷水合物分解程度;(4)双井注采的CO_(2)注入分为快速注入阶段、反转阶段和缓慢注入阶段,其中双井间歇注入方案的CO_(2)注入效率最高。结论认为,双井间歇注入CO_(2)复合降压法能够在安全、高效开采水合物的同时具有相对可观的碳封存效果,是一种实现水合物商业化开采和助力双碳目标实现的潜在方法,研究成果对于天然气水合物开发及CO_(2)地质封存具有理论指导意义。

天然气水合物固态流化开采井筒多相流动模型

为了研究水合物浆体输送过程中水合物分解规律与井筒多相流动特征,基于气-液-固三相的质量、动量和能量守恒方程,考虑水合物分解引起的相间传热和传质,结合双层连续管开采水合物的工艺特点,建立了水合物相变条件下全瞬态非等温气-液-固多相流动模型。基于MWD实测温度数据对模型的准确性进行了验证。利用模型分析了水合物浆体输送过程中,井筒温度、井筒压力、水合物分解速率与各相体积分数随开采时间变化的规律。模拟结果表明:在开采前2 h内,水合物分解速率较为缓慢,管内各相体积分数变化较小;随着开采时间的延长,管内各相体积分数发生显著变化;在开采约5 h后达到稳定状态,此时井口气相体积分数约为40%;此外,在井下举升泵位置处,固-液相体积分数均发生显著突变。研究结果对深入了解水合物开发过程中的多相流动规律具有一定的参考价值,有助于水合物开采技术的进一步发展。

三轴应力下CO_(2)置换开采天然气水合物实验研究

为模拟海域真实环境,在三轴应力、氯化钠体系以及水合物储层富水状态的条件下,开展针对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压应力对液态CO_(2)置换开采海域天然气水合物的实验。研究表明:在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下,氯化钠体系对CH4置换效率影响较小,但对CO_(2)水合物合成表现出抑制作用;储层初始饱和度与CH4置换效率之间是负相关关系且高的储层含水率更有利于CO_(2)封存;CH4置换效率随着置换压应力的增长有一定幅度的提高,置换压应力的增大为CO_(2)水合物合成提供了高的驱动力,进而提高了CO_(2)封存效率。

南海北部琼东南海域天然气水合物地球物理特征及运聚成藏模式

琼东南海域天然气水合物资源越来越受到关注,但是对其地球物理特征及成藏模式认识还不够深入。本文利用三维地震数据、多波束数据及海底取样结果综合分析了琼东南海域天然气水合物基本特征,并充分应用地震反射特征、振幅特征、频率特征、速度特征、叠前叠后属性特征等多种信息进一步刻画和深入分析了天然气水合物分布特点及其运聚成藏特征。研究表明,研究区两个钻探站位W08、W09钻遇天然气水合物地震信息存在一定的差异,其中W08站位天然气水合物下方流体运移通道呈强振幅“串珠”反射特征,与琼东南海域松南低凸起的冷泉地震反射特征类似,W09站位天然气水合物下方运聚通道表现为反极性及强振幅特征,与琼东南海域陵南低凸起“海马冷泉”特征类似。两个站位深水海底浅表层重力活塞取样均发现了贻贝异养生物等天然气水合物渗漏伴生产物,且最终钻探结果亦证实了两个站位第四系浅表层未成岩泥质粉砂或砂质沉积物中都富含天然气水合物,充分表明和揭示了冷泉渗漏系统及轨迹是天然气水合物藏存在的重要指示和标志。基于以上钻探结果及其地球物理探测信息分析,本文总结建立了研究区天然气水合物运聚成藏模式,提出了天然气气源通过气烟囱及断层裂隙等运聚系统向上运移至浅表层高压低温稳定带聚集,在形成天然气水合物藏的同时,亦存在通过运聚通道在海底浅表层发生流体渗漏的现象。总之,天然气水合物藏形成与气源供给尤其是浅表层运聚系统展布及其疏导富集作用密切相关。本研究对于加深研究区天然气水合物地球物理特征及运聚成藏模式认识,推动南海北部天然气水合物勘探开发具有一定的指导及参考借鉴意义。

基于随钻电阻率测井的天然气水合物赋存类型的识别方法

海洋天然气水合物赋存类型多样,识别赋存类型对精准评价水合物的储层物性及资源量具有重要意义。随钻测井与岩芯联合能定量计算水合物储层特性,但水合物取芯难度大、成本高,大量钻井仅实施了部分取芯或无取芯。环形电阻率与速度联合能识别含水合物层,但研究发现裂隙充填型与孔隙充填型水合物可能都具有高环形电阻率和高纵波速度测井响应,二者联合难以直接识别水合物赋存类型。本文分析了不同源距的电磁波电阻率,通过不同电阻率参数的交会分析,发现在裂隙充填型水合物地层,不同源距的高频电磁波电阻率存在明显的分离,高频相位电阻率中最为显著,而在孔隙充填型水合物地层中,电磁波电阻率耦合较好。通过环形电阻率与电磁波电阻率的联合对比,发现在裂隙充填型水合物地层的电磁波电阻率异常更高,而在孔隙充填型水合物地层,环形电阻率的异常更高。研究认为电磁波电阻率对高角度裂隙的响应更加敏感,能有效识别不同赋存类型的水合物,对于水合物的勘探和评价具有重要意义。

高精度小三维地震采集技术在深水天然气水合物勘探中的应用

本文针对常规二维地震探测和传统油气三维地震探测均无法满足水合物高分辨率勘探和矿体精细描述的需求的问题,研发了一套高精度小三维地震采集系统,以及与之匹配的小三维地震观测系统和施工技术方法。经过多次海试不断改进优化,最终形成一套满足深水浅层水合物矿体高精度、高分辨率成像需求的天然气水合物小三维地震采集技术,并在生产工区完成满覆盖50 km^(2)的三维地震采集作业。该技术采集数据质量高,具有更高的空间采样率,叠加剖面在横向、纵向分辨率上相对常规三维地震都有显著提升,在300 m以浅地层细节刻画能力更强,成像清晰度优。该技术的研发打破了天然气水合物勘查开发核心技术装备受制于人的被动局面,为我国天然气水合物精细勘查开发提供了技术支撑。

水合物开采模拟超重力试验装置的研发及应用

天然气水合物是突破世界能源瓶颈的重要潜在能源,广泛分布于深海沉积物和陆域永冻土。水合物赋存在高压低温环境下,储层厚度达数十至百米,大尺度储层重力场显著影响其开采时的液气渗流、储层变形和传热过程,进而影响开采产气效率且可能诱发工程灾变。研发了一套能够在超重力场下模拟大尺度水合物储层长历时开采演变过程的离心模型试验装置,主要由高压釜系统、水合物制备模块、水压力控制模块、水合物开采模块、监测与响应模块组成。该装置能够在100g超重力下伺服调控高压釜内气液压力和温度环境,在模型尺度上有效再现水合物储层应力、温度和荷载条件。在系统介绍装置研发思路和技术特色的基础上,通过100g下水合物储层模型降压分解试验探析了原位等效重力场下储层不同深度处孔压演化规律及开采产气特性,再现了Nankai海槽原位试采产气速率峰值模式,为揭示水合物储层开采相变多相多场耦合机制和灾变防控提供了新的研究手段。

南海神狐海域天然气水合物及气源条件海洋可控源电磁成像

地震剖面的似海底反射(BSR)指示了天然气水合物的底边界,并已得到钻探的验证。南海神狐海域是天然气水合物(简称水合物)研究的热点区域。然而,由于地质构造的复杂性且钻井数量有限,仅仅依靠地震与钻探研究不能完全描述区内天然气水合物及气源通道的分布。含水合物地层比围岩具有更高的电阻率,海洋可控源电磁(MCSEM)数据获得的电阻率能为水合物和气源通道检测提供重要依据。本文在神狐海域开展MCSEM探测研究,沿一条测线采集了15个站位的海洋可控源电磁场数据,通过数据处理与二维反演,实现了研究区海底二维电阻率成像。然后,通过灵敏度分析,检验了MCSEM反演结果的可靠性。结合SH-W07-2016随钻测井(LWD)和地震数据,对二维电阻率剖面进行解释,推断了剖面上水合物和游离气分布,划分了两种形式的水合物储层结构,分析了其构造成因。

南海神狐海域天然气水合物微观赋存特征的超分辨率CT图像识别

南海神狐海域是我国天然气水合物资源勘探开发的主要目标区之一,2017和2020年先后两次现场试验性开采证实了水合物资源的利用前景。目前,对该地区含水合物储层的精细评价还有待进一步提升,水合物在沉积物孔隙空间中的微观赋存形态是其中的重要影响因素。针对水合物微观赋存形态CT图像表征存在的分辨率不足的问题,建立了一种基于自监督学习的数字图像超分辨率重建算法,实现了CT扫描图像空间分辨率的2倍和4倍提升。在此基础上,对南海神狐海域含水合物沉积物孔隙结构演化规律和水合物微观赋存特征进行了形态表征。由于南海沉积物中存在大量有孔虫壳体,水合物主要占据有孔虫壳体内部空间并堵塞了空隙间的连通喉道,显著降低了沉积物的气、水渗透能力;然而,水合物未能全部占据整个孔隙空间,仍然会有少量的气体和水残留,气体则主要分布于水合物颗粒内部,而水则主要分布在水合物颗粒表面,上述实验结果对地震、测井等现场勘探数据解释具有一定的指导意义。

温和条件下甲烷提高水合物储氢稳定特性机理

CH_(4)作为促进剂可大幅降低水合物储氢苛刻的热力学条件并提高H_(2)水合物的总储能密度,但目前对CH_(4)提升水合物储氢机理的认识较为缺乏。为此,通过分子动力学模拟研究并建立了CH_(4)/H_(2)双客体分子水合物模型,采用径向分布函数、构象分析和均方位移等方法综合分析了不同温度和压力下水合物结构的稳定性,探究了H_(2)占据孔穴位置、占据比例和水合物热力学稳定性之间的关联,揭示了温和条件下CH_(4)促进水合物储氢的微观机理。研究结果表明:(1)纯H_(2)水合物在严苛条件下笼型结构破损严重,而纯CH_(4)水合物在263~273 K及5~20 MPa温压条件下能稳定存在,说明CH_(4)水合物具备良好的热力学稳定性;(2) 263 K下储氢结构更为稳定,而5^(12)小笼可填充1~2个H_(2)分子,5^(12)6~2大笼中最佳储存3个H_(2)分子,且大笼储氢结构对水合物稳定性影响大,受温度的影响更为敏感。结论认为,CH_(4)/H_(2)水合物储氢体系3L+2S、3L+2L、2S+2S体系在263 K、15~20 MPa温和条件下综合性能较好,其中3L+2S具备最优的热力学稳定性,储氢密度可达0.301%(质量百分比),该研究成果可为水合物储氢技术开发提供理论指导和技术参考。

基于三相Biot速度应力波动方程的水合物储层波场数值模拟

天然气水合物储层可以看作由骨架、水合物和孔隙水构成的三相孔隙介质。以三相Biot一阶速度应力波动方程作为声波在水合物储层传播的控制方程,用有限差分法(FDTD)进行数值模拟。波场快照可以清楚展现3个纵波和两个横波,与Biot理论相符。根据实测速度优化控制方程参数,使数值速度与实测速度相符。结果表明:孔隙度对水合物剪应力分量影响最显著,对水合物、孔隙水和骨架速度分量的影响次之,所以储层中孔隙度最适合用水合物剪应力分量来分析。骨架速度分量和应力分量受饱和度的影响较小,水合物剪应力分量受饱和度的影响最大,所以分析储层中水合物饱和度的最佳选择是水合物剪应力分量。

二氧化碳置换法开采天然气水合物研究进展

应用CO_(2)置换法开采天然气水合物被认为是一种极具潜力的提高CH_(4)采收率和CO_(2)埋存率的技术。论述了CO_(2)及其混合气置换法开采天然气水合物的机理,梳理了CO_(2)混N_(2)/H_(2)及地热辅助CO_(2)提高水合物中CH_(4)采收率的技术进展。研究表明:①应用纯CO_(2)置换开采天然气水合物时,CH_(4)的采收率较低,而将CO_(2)与N_(2)、H_(2)以不同比例混合后注入天然气水合物藏中进行CH_(4)开采,能够有效提高CH_(4)的采收率。②CO_(2)与N_(2)或H_(2)混合注入水合物层时,多种气体分子在竞争吸附作用下降低了CH_(4)分子与水合物分子笼之间的范德华力,同时降低了混合气中CO_(2)的分压,导致水合物相平衡曲线上移,抑制了置换过程中CO_(2)水合物的生成速率,减轻了包裹作用的不利影响,从而提高CH_(4)采收率。③CO_(2)混合N_(2)注入开采水合物时,N_(2)的混入虽然能够减轻包裹作用的影响,但新形成的N_(2)水合物会堵塞CO_(2)进入水合物分子笼的通道,因此提高CH_(4)采收率效果有限。④在水合物层条件下H_(2)并不会形成新的水合物,而且混入少量的H_(2)又会与N_(2)发生吸附竞争,从而抑制N_(2)水合物的形成,故将低浓度的H_(2)气混入CO_(2)与N_(2)的混合气中能够进一步提高对水合物中CH_(4)的置换率,从而提高CH_(4)的采收率。因此,混入H_(2)被认为是提高CO_(2)置换开发水合物效果的重要途径。⑤混合气周期注气方式可明显提高水合物中CH_(4)的采收率和CO_(2)水合物藏封存率。⑥应用地热辅助CO_(2)开采水合物的方法也能够降低新形成水合物的包裹作用,同时实现CO_(2)在地热层和水合物层的两次埋存,在提高CH_(4)采收率的同时,大大提高CO_(2)在地层中的埋存率。

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。

考虑水合物孔隙赋存模式演化的含水合物沉积物渗透率模型

含水合物沉积物(gas hydrate-bearing sediments,GHBS)的渗透率是影响水合物生成和分解过程中气液运移特性的重要因素,常被选为水合物开采性能评价的重要指标。GHBS孔隙中水合物赋存模式与饱和度的变化,往往引起GHBS渗透率显著改变,现有渗透率模型多基于单一孔隙赋存模式建立,难以考虑赋存模式变化对GHBS渗透率的影响。基于平行毛细管模型,考虑水合物赋存模式变化对GHBS孔隙结构的影响,提出水合物颗粒包裹和孔隙填充两种赋存形式共存的混合赋存模式,引入双参数逻辑函数表征水合物孔隙赋存模式随饱和度变化的特性,建立了考虑水合物孔隙赋存模式演化的GHBS渗透率模型。通过与室内试验和原位测量数据对比验证了模型的适用性。结果表明:水合物生成过程中水合物饱和度的改变易导致其赋存模式变化,影响GHBS渗透率随饱和度变化的趋势;不同生成条件下水合物赋存模式演化特性存异,演化特征体现在主要赋存模式发生转变对应的临界水合物饱和度及演化的方向与趋势上;相比于已有模型,该模型能捕捉到水合物赋存模式改变时渗透率的变化特性,对室内制备和原位GHBS渗透率测量数据均能较好预测。