考虑损伤的含天然气水合物沉积物本构模型

对含天然气水合物沉积物施加荷载后,其内部固体颗粒间将会发生错动、滑移及滚动,当荷载较小时,沉积物表现为弹性变形;随着荷载的增大,内部将出现塑性流动,水合物晶体重新定向,此时沉积物表现为塑性变形;随着荷载的进一步增大,最终导致沉积物发生破坏,这一过程可以看作是沉积物内部损伤产生和逐渐发展的过程。从复合材料的细观力学机制出发研究含水合物沉积物的材料特性,得到等效弹性常数与水合物含量之间的关系;同时基于损伤力学理论,推导出损伤变量的表达式,建立考虑损伤的含天然气水合物沉积物的本构模型。通过比较不同水合物含量下的计算结果与试验结果,结果表明,所建模型能较好地反映含天然气水合物沉积物的应力–应变关系,验证了模型的可行性。

含天然气水合物沉积物损伤统计本构模型

水合物含量、有效围压是影响含天然气水合物沉积物力学性质的主要因素,在忽略其他次要因素(包括水合物种类、试样颗粒大小、试验条件等)的情况下,水合物含量和有效围压是决定试样弹性模量的两个关键参数。在分析等效弹性模量与水合物含量相互关系的基础上,考虑有效围压的影响,建立了弹性模量与有效围压的幂函数关系;同时采用Drucker-Prager破坏准则来表示含天然气水合物沉积物微元强度,并假设其微元强度服从Weibull分布,从而建立了含天然气水合物沉积物的损伤统计本构模型,与不同有效围压下的试验结果及已有研究成果相比较,表明了所建模型能够很好地模拟三轴剪切条件下含水合物沉积物试样的应力-应变关系特性。此研究成果可对含天然气水合物沉积物工程性状的数值模拟提供参考。

钻井液侵入含天然气水合物地层的机理与特征分析

海洋含天然气水合物地层是具有渗透性的多孔介质体,钻进过程中钻井液不可避免地会与它发生能量和物质交换,从而影响测井响应、井壁稳定和储层评价。在过压钻井条件下,水基钻井液驱替侵入含天然水合物地层和温差下热传导导致的天然气水合物分解是耦合在一起的,其侵入可描述为一个包含相变的非等温非稳态渗流扩散过程。分析了天然气水合物在多孔介质中的分解特性,指出了多孔介质中天然气水合物分解的影响因素,通过钻井液侵入含天然气水合物地层与侵入常规油气地层的比较,提出了借鉴天然气水合物开采渗流模型建立钻井液侵入数值模型的思路。

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。

海底扩散体系含天然气水合物沉积物制样方法与装置

天然气水合物是分布在海洋和大陆多年冻土中的一种具有巨大商业开发价值的新型战略性替代能源。同时,含天然气水合物地层中水合物的分解将带来严重的地质灾害和气候问题的关注。试验室内开展含天然气水合物沉积物物理力学性质研究需要首先解决的是制样问题,即在试验室内快速形成符合现场原位形成模式的试样,并且水合物均匀分布于土样孔隙中。海洋天然气水合物主要是在扩散体系中形成的,即溶解在水中的气体以扩散迁移的方式进入温压条件适合的地层内与水结合生成天然气水合物。文中试验方法与装置利用高压恒流泵驱动溶有气体的去离子水在土样中循环,采用磁力搅拌装置加速和增大气体在水中的溶解,使土样在较短时间内被溶气水饱和,然后将土样温度降低至与气体压力相对应的相变温度以下后,溶于水中的气体与水结合生成水合物析出,且均匀地填充土样孔隙中。采用粉土和CO2气体试验表明,制得含水合物沉积物大约需1 d的时间,通过观察和测试含水率证明,所制得试样具有良好的均匀性,解决了目前在试验中采用的制样方法所制得的试样中水合物分布不均匀以及水合物形成时间过长的问题,为进一步开展含天然气水合物沉积物物理力学试验提供了技术保证。

含天然气水合物沉积物相平衡问题研究综述

天然气水合物是一种战略性替代能源。同时,开发天然气水合物将是全球气候环境问题和地质灾害的诱发因素之一。含天然气水合物沉积物(简称HBS)的相平衡问题对天然气水合物资源勘探、评估与开发利用以及环境影响均具有重要的基础作用。自然界中赋存于沉积物之中的天然气水合物的生成与分解与纯水体系中水合物的生成与分解具有很大区别。通过总结国内外研究资料,以天然气水合物开发利用中的岩土工程问题研究需要为出发点,详细介绍了HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分对沉积物中水合物相平衡关系影响以及HBS相平衡研究中有关制样方法技术、各组分含量测试以及相平衡关系理论模型研究方面的国内外研究现状。研究成果表明,HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分均对天然气水合物相平衡关系具有显著影响,试验研究中应用了很多先进方法技术,但仍然存在定量精度较低或实施成本较高等问题;基于微观尺度建立的有关HBS的相平衡宏观模型能较好地模拟与预测HBS的相平衡关系,但其表达式复杂、参数较多和不易获得制约了其在天然气水合物开采中的有关岩土力学与工程理论研究和工程实践中应用。

含天然气水合物沉积物三维孔隙结构数值重建

三维孔隙结构重建是揭示沉积物内天然气水合物(以下简称水合物)形成机理及分布规律的基础和前提。在现有的数值重建方法中,模拟退火法被广泛应用。为使该方法的重建结构更加接近于实际,对该方法进行了改进,所构建的数值重建模型能够纳入沉积物颗粒形状(包括圆球状、椭球状、扁球状、长扁球状、片状和针状)、尺寸分布(如正态分布)以及水合物分布模式(如胶结状、悬浮状或颗粒状)等重要结构与统计信息,并利用改进后的模型对含水合物沉积物的三维孔隙结构进行了数值重建。最后,对重建的沉积物(不含水合物)孔隙结构进行特征化分析,可获得沉积物内孔隙率和孔径分布等信息;对重建的含水合物沉积物孔隙结构进行特征化分析,可获得各组分体积分布及其截面平均体积分数沿x轴方向的分布曲线等信息。结论认为:所开发的数值重建模型能够重建出与实际情况较为接近的含水合物沉积物三维孔隙结构,且能揭示水合物分布模式对沉积物孔隙内水(或冰)和天然气空间分布的影响。

含硫天然气水合物形成条件及预防措施

天然气水合物是由天然气中某些组分与水形成的 ,水合物形成条件与天然气组成及压力有关。天然气水合物的形成将严重影响天然气的开采和集输。本文结合川渝气田实际情况 ,介绍了水合物形成温度估算、危害及防止水合物形成措施。

海洋天然气水合物分解抑制实验

在海洋含天然气水合物地层中钻进时,水合物的分解会导致井壁不稳定、钻井液性能降低和管道内生成水合物塞等一系列问题,对安全钻井作业造成了很大风险。采取适合于海洋天然气水合物地层钻井的钻井液,最大限度控制水合物的分解是解决天然气水合物安全钻井的关键。本文采用了课题组研制的一套天然气水合物钻井模拟实验系统,利用此实验系统在不同温度压力条件下人工合成水合物样品,然后加入配置的一种稀硅酸盐钻井液,考察了水合物样品在不同分解条件下(加热、降压)的分解情况进行了对比和分析研究,结果表明此钻井液配方具有良好的抑制水合物分解的能力,能够应用于海洋水合物地层钻井。

含动力学抑制剂的聚合醇钻井液水合物抑制性研究

对含动力学抑制剂的聚合醇钻井液水合物抑制性进行了实验研究。实验结果表明,加入PVP的水基聚合醇钻井液能够有效抑制甲烷水合物的生成,而PVP(K90)的抑制效果明显优于PVP(K30)。在温度为0℃、初始压力为18 MPa的条件下,只需向水基聚合醇钻井液中添加1%的PVP(K90),就能够确保循环管路中20 h内不会生成水合物。

含水合物砂土力学特性及本构模型

天然气水合物(以下简称水合物)的不当开发可能会带来一系列的地质灾害和环境问题,因此,开展含天然气水合物地层开采过程中的安全稳定性评估显得尤为重要,而建立能有效描述含水合物沉积物的力学行为的本构模型是安全稳定性分析的核心前提。在分析含CO_2水合物砂土的三轴力学特性的基础上,把含水合物沉积物视为水合物和土颗粒骨架组成的复合胶结性材料,参考胶结土体的建模思路,引入附加内变量描述水合物对土体的胶结影响,建立了含水合物砂土的屈服函数和非关联流动法则,建立了含水合物砂土的本构模型。通过模型验证及分析,模型能较好地模拟不同围压下和不同水合物含量下含水合物砂土的应力应变曲线,反映含水合物砂土的力学特性。

基于CDEM的天然气水合物沉积物水力压裂裂纹扩展数值模拟

目前,天然气水合物开采存在储层渗透率低和热传导导致生产效率低等问题.作为一种常规油气勘探中有效提高储层渗透率的技术,水力压裂有望用于改善天然气水合物储层的渗透率,提高采收效率.然而,有关含天然气水合物沉积物(GHBS)水力压裂应用的研究却很少.本文采用有限元和离散元耦合的连续离散元法(CDEM),对不同地层性质的天然气水合物沉积物(GHBS)的水力压裂过程进行了二维的数值模拟,研究了储层性质和压裂参数对GHBS中裂缝生成的影响.主要结论是,在本研究考虑的压裂参数和沉积物性质中,内摩擦角越小、注入流量越大对产生裂缝越有利;当饱和度和黏聚力处于适当范围时,最有利于产生裂缝;当各方向的地应力相等时,最有利于压裂产生裂缝,但最不利于主要裂缝向更远的方向延伸.