含水合物沉积物降压分解物理模型试验

作     者：王心博 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱斌;王路君

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：含水合物沉积物 降压开采 超重力模型试验 超静孔压 产气效率 

摘      要：天然气水合物作为一种新兴能源,具有大储量、高能效和低污染等优点。我国南海天然气水合物资源储量巨大,进行可持续开发和利用可望有效缓解能源短缺问题。水合物开采往往诱发海床坍塌和开采设施工程灾变,研究水合物分解过程中储层沉积物变形机理,优化降压开采技术方案提高产气效率,对于支撑天然气水合物安全高效开采、保证能源可持续发展具有重要意义。本文首先进行水合物降压开采超重力实验装置的研发和优化调试,然后开展系列常重力和超重力条件下的水合物降压分解试验;基于不同试验工况探究水合物分解过程中温度、孔压、产气规律和开釜后模型储层表观现象,进一步结合土力学有效应力原理对水合物分解过程中的超孔压和模型储层表观现象进行深入分析,最后综合储层稳定性和气体产量建议水合物降压分解产气效率优化方案,主要工作与研究成果如下:(1)研制具有线性伺服控压性能并能在超重力条件下工作的水合物降压开采实验装置,探究降压速率对含水合物沉积物分解特性的影响。一维降压分解过程中,沉积物内部孔压存在波动现象,波动时长与降压速率呈正相关;降压阶段会产生较大超静孔压,随时间呈“双驼峰线型变化,峰值分别由降压导致低渗透性沉积物孔隙内外压差和水合物分解产生的水、气压力累积造成。降压阶段温度变化取决于降压速率,而稳压阶段则与孔压相关。降压速率越大,开釜后土体膨胀变形量越大,气孔分布越密集。(2)通过系列含水合物沉积物竖井开采模型试验,对比分析不同压降、饱和度以及降压边界工况下水合物分解过程中沉积物特性。竖井降压开采时,水合物分解域由开采井向釜壁边界径向发展,靠近开采井土体的温度率先下降,并随分解域的扩展而发展。水合物饱和度对开采孔压影响明显,水合物饱和度越高,出现孔压累积现象的概率越大。提高降压速率可以有效提高降压阶段的产气效率,但降压速率过高会导致水合物重生成堵塞渗流通道,造成孔压累积使产气受阻,合理的降压速率才能保证全过程产气效率最优。相比于表面一维降压,竖井降压有效减小开釜后的沉积物膨胀变形,这与不同降压边界引起不同的气液渗流模式有关。(3)开展含水合物沉积物降压分解超重力模型试验,通过超重力场有效再现水合物储层地基的梯度应力场,保证了模型试验相似准则。试验表明降压分解时水合物储层中上部存在圈闭效应,部分气体在储层中部无法及时消散而聚集,导致开釜后的储层表观现象与常重力试验显著不同。通过修正Grozic超静孔压模型与超重力试验对比,发现水合物分解程度较低时两者吻合较好,随着水合物持续分解理论计算值会比试验值偏大。超重力模型试验的产气模式与原位产气类似,均表现为降压前期出现产气峰值,之后产气速率减小并趋于稳定。