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天然气水合物降压开采中海床沉降特征及其影响因素

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 1033-1046页

作者：孙金吴时国朱林奇刘艳锐孙中宇中国科学院深海科学与工程研究所海底资源与探测技术重点实验室海南三亚572000 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519080

为计算天然气水合物降压开采过程中的海床沉降量,考虑水合物分解、气水两相渗流、多孔介质导热和传质传热、沉积物变形等多物理场耦合作用,采用Duncan-Chang模型描述水合物层的变形破坏特征,建立天然气水合物降压开采过程中的渗流场-温... 详细信息

为计算天然气水合物降压开采过程中的海床沉降量,考虑水合物分解、气水两相渗流、多孔介质导热和传质传热、沉积物变形等多物理场耦合作用,采用Duncan-Chang模型描述水合物层的变形破坏特征,建立天然气水合物降压开采过程中的渗流场-温度场-变形场三场耦合模型,并基于有限元法进行求解。研究结果表明:在地温梯度影响下,降压开采时水合物层下部的水合物分解速率较快,其分解范围大于上部的分解范围;水合物分解前缘处的垂向有效应力随分解后力学参数的改变发生突变;水合物降压开采时的海床沉降主要由水合物分解导致的水合物层切线弹性模量、强度以及孔隙压力降低诱发,地层最大沉降位于开采井附近水合物层与上覆地层的界面处,而海床面处的沉降最大值位于开采井处。海床沉降与井底压力、水合物层渗透率、初始切线弹性模量、水合物层厚度等因素有关;井底压力越小、水合物层厚度越大,海床沉降量越大;水合物层渗透率越高,地层孔隙压力耗散越快,海床沉降越明显;水合物层初始切线弹性模量越大,海床沉降量越小。

关键词：天然气水合物降压开采海床沉降量水合物分解多场耦合模型

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天然气水合物储层改造研究进展

天然气工业 2022年第7期42卷 160-174页

作者：黄满吴亮虹宁伏龙王佳贤窦晓峰张凌刘天乐蒋国盛中国地质大学(武汉)工程学院地球深部钻探与深地资源开发国际联合研究中心

天然气水合物(以下简称水合物)是一种潜力巨大的未来能源,目前阻碍水合物商业化开发的表观原因是产气量不达标,因此有必要从水合物开采方法角度思考如何增产,其中储层改造技术显得尤为重要。为此,在系统梳理了水合物储层改造理论和技术... 详细信息

天然气水合物(以下简称水合物)是一种潜力巨大的未来能源,目前阻碍水合物商业化开发的表观原因是产气量不达标,因此有必要从水合物开采方法角度思考如何增产,其中储层改造技术显得尤为重要。为此,在系统梳理了水合物储层改造理论和技术基础上,将其储层改造领域分为水力压裂、近井改造和化学改造3个方向,总结了3个方向取得的主要研究成果、存在的问题与挑战,并进行了讨论与展望。研究结果表明:①水力压裂方面进展较快,其成果验证了水合物沉积物的可压性,揭示了水合物沉积物与岩石拉伸破坏相似的压裂机理,发现裂缝在围压作用下闭合后仍具有增渗效果并有利于二次张开,分析了地应力、压裂液对水合物沉积物压裂特性的影响,构建了压裂过程数值模型,阐释了人工裂缝改善水合物储层降压和注热效果的机制,明确了人工裂缝高渗通道对产气速率等关键生产指标的提升作用;②近井改造方面,揭示了高压水射流冲蚀水合物沉积物的机制和规律,通过数值模拟验证了水射流割缝、井周注浆柱、分层劈裂注浆均可有效提升生产性能,但研究尚处于构建产气模型评估改造效果阶段,还需验证其可行性和有效性;③化学改造方面,探索了二氧化碳水合物改造盖层和甲醇吞吐对水合物储层生产性能的提升潜力,分析了二氧化碳改造盖层并实现埋存的可行性。结论认为,针对当前面临的问题和挑战,应加强构建以水力压裂为主、近井储层改造为辅、化学改造为补充的储层改造理论与技术体系,以加快推动水合物资源产业化进程。

关键词：天然气水合物储层改造研究进展水力压裂近井改造化学改造人工裂缝数值模型

天然气水合物降压开采沉积物压缩效应数值模拟研究

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力学学报 2023年第3期55卷 599-615页

作者：栾恒杰马先壮蒋宇静于海洋王长盛程先振梁伟山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地山东青岛266590 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

深海天然气水合物降压开采过程中,沉积物的压缩会改变储层的物理力学特性,进而对天然气的开采效果产生显著影响.为揭示沉积物压缩效应下井周围储层物理力学特性演化规律,本文建立了考虑沉积物压缩效应的理论模型,通过COMSOL模拟研究了... 详细信息

深海天然气水合物降压开采过程中,沉积物的压缩会改变储层的物理力学特性,进而对天然气的开采效果产生显著影响.为揭示沉积物压缩效应下井周围储层物理力学特性演化规律,本文建立了考虑沉积物压缩效应的理论模型,通过COMSOL模拟研究了不同初始固有渗透率、初始水合物饱和度和井底压力条件下的降压开采中生产井周围储层的物理力学特性演化规律以及开采效果.结果表明:受沉积物压缩的影响,水合物分解区的渗透率随着与井筒距离的增加先增加后减少;产气与产水速率由零立即上升至峰值,然后迅速下降,并且考虑沉积物压缩时的产气与产水速率比不考虑时低;在水合物完全分解区,渗透率的大小与有效应力成负相关关系,未分解区渗透率的大小与水合物饱和度成负相关关系;井底压力越小,有效应力越大,生产井周围储层的渗透率下降越明显;初始水合物饱和度对产气与产水的影响存在拐点,饱和度拐点位于0.25与0.35之间,高水合物饱和度并不代表储层开采效果好,产气速率的高低还与储层的渗透率有关,高水合物饱和度储层的渗透率较低,产气速率较低;储层初始固有渗透率较高时显著促进了开采效果,但储层变形量较大增加了储层的不稳定性.

关键词：天然气水合物降压生产沉积物压缩效应物理力学特性开采效果

天然气水合物水平井降压开采多相渗流—传热—力学耦合数值模拟:方法和南海场地应用

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天然气工业 2022年第3期42卷 138-149页

作者：赵小龙王增林赵益忠左家强李鹏梁伟王冰陈雪雷宏武金光荣中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院中国石化胜利油田分公司岩土力学与工程国家重点实验室·中国科学院武汉岩土力学研究所中国科学院广州能源研究所

为安全高效开采天然气水合物,研究开采过程中水合物储层的稳定性至关重要,THM耦合数值模拟能清晰认识水平井开采水合物过程中的力学响应规律,但由于模型常被简化为垂直于生产井的剖面来进行模拟,对真实地层变形空间的演化特征刻画不足... 详细信息

为安全高效开采天然气水合物,研究开采过程中水合物储层的稳定性至关重要,THM耦合数值模拟能清晰认识水平井开采水合物过程中的力学响应规律,但由于模型常被简化为垂直于生产井的剖面来进行模拟,对真实地层变形空间的演化特征刻画不足。为此,基于水合物开采程序TOUGH+HYDRATE,引入对FLAC力学程序的交互接口,构建了适用于水平井大规模开采的多相渗流—传热—力学(THM)耦合模拟程序,并基于我国第二次水合物试采场地资料,在以水平井试采实际产气量约束THM耦合模型的基础上,研究了水平井中长期开发条件下的气水产出与地层变形规律。研究结果表明:(1)在7 MPa生产压力、300 m井长条件下,水平井开采1年的产气量可达1190×10^(4)m^(3),压降在游离气层中的影响范围较大,产气来源于游离气层和水合物层,水合物分解范围不大;(2)预测试采60天时的海底沉降约为0.16 m,开采1年后可达0.52 m。结论认为:(1)水平井开采水合物会引起较大范围的海底沉降,海底面呈线性持续下沉,空间上的沉降呈椭圆形分布;(2)水平井及其上方的变形(垂向位移)最大,是最易发生地层破坏的位置;(3)建议后期结合海底地形、峡谷展布、矿体空间厚度不均等特征,研究中长期开采下的海底变形和滑坡风险。

关键词：天然气水合物南海神狐海域渗流—传热—力学多场耦合降压开采数值模拟水平井地层稳定性第二次试采

天然气水合物储层吸收衰减机制及岩石物理理论研究进展

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石油地球物理勘探 2022年第4期57卷 992-1008,I0012页

作者：武存志张峰李向阳中国石油大学(北京) 北京102249

似海底反射(BSR)特征作为天然气水合物存在的重要标志,虽能指示水合物的底部位置,却难以用于水合物含量的定量解释。近年来天然气水合物勘探技术的迅速发展,使人们认识到BSR上方存在的地震振幅“空白”带与地震波吸收衰减直接相关,故可... 详细信息

似海底反射(BSR)特征作为天然气水合物存在的重要标志,虽能指示水合物的底部位置,却难以用于水合物含量的定量解释。近年来天然气水合物勘探技术的迅速发展,使人们认识到BSR上方存在的地震振幅“空白”带与地震波吸收衰减直接相关,故可将其作为天然气水合物分布及量化的一项指标。本文首先回顾了世界不同水合物探区(加拿大Mallik冻土带、日本南海海槽、阿拉伯海Makran增生楔、墨西哥湾、中国南海神狐海域)以及人工含水合物岩样的地震波吸收衰减特征,发现对于不同的水合物样品、使用不同的资料,地震波表现出不同的衰减特征。进而总结了水合物储层可能存在的衰减机制及相关岩石物理理论,主要包括:全局流动衰减(Leclaire模型)、喷射流(改进的Leclaire模型、亚微米水合物颗粒喷射的HEG模型或微米流体喷射的HBES模型)、骨架摩擦衰减(改进的Leclaire模型)等。目前存在的主要问题在于,虽然多个地区的水合物地层呈现较明显的吸收衰减特征,但由于不同地区水合物生成条件和地质环境存在差异,水合物在沉积物中的赋存状态不同,导致吸收衰减随水合物饱和度的变化关系尚不明确。另外,目前的实际观测资料和岩石物理实验测试的频带范围有限,难以全面地体现衰减随频率变化的特征。因此,需要进一步地开展岩石物理实验研究,并充分结合实际探区资料和人工岩心的制作及实验测量结果,深入研究水合物储层微观结构对衰减机制的附加作用,明确水合物储层地震波衰减的原因,以此为基础研发水合物饱和度的定量地震解释方法。

关键词：天然气水合物地震衰减岩石物理微观结构

天然气水合物试采井筒-土壤三维非线性耦合模型研究

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 942-951页

作者：畅元江黄帅王康孙宝江李昊孙焕钊陈国明中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心山东青岛266580 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580

常规二维模型用于研究水合物井筒稳定性时,不能反映地层沉降变形对井筒的影响,为此,考虑渗流场、应力场和井筒内外压力场的多场耦合作用,研究水合物分解引起的储层特征参数在近井界面区域的时变特征;采用流固耦合理论,建立天然气水合物... 详细信息

常规二维模型用于研究水合物井筒稳定性时,不能反映地层沉降变形对井筒的影响,为此,考虑渗流场、应力场和井筒内外压力场的多场耦合作用,研究水合物分解引起的储层特征参数在近井界面区域的时变特征;采用流固耦合理论,建立天然气水合物井筒-土壤三维非线性耦合模型,并以南海某水合物井为例,对井筒稳定性影响因素进行分析。研究结果表明:井筒稳定性主要影响因素为轴向应力;随着生产压差提高和试采时间延长,井筒的轴向应力逐渐增加,且轴向应力在试采初期增加较明显,随着试采进行逐渐趋于平稳;若生产压差为10 MPa,则安全试采仅能维持15 d,若生产压差不超过8 MPa,则安全试采可达60 d以上。

关键词：天然气水合物三维非线性多场耦合井筒稳定性

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天然气水合物开采中冲缝管套冲蚀研究

中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 1023-1032页

作者：邓福成黄斌尹彪李小森易先中长江大学机械工程学院湖北荆州434000 中国科学院广州能源研究所广东广州510640 中国科学院广州天然气水合物研究中心广东广州510640 中国科学院天然气水合物重点实验室广东广州510640

为准确预测天然气开采中筛管保护套的冲蚀磨损速率和使用寿命,首先,根据储层及完井方式特征,建立冲缝管套筛缝流道模型;其次,利用离散相模型(DPM)模拟砂粒在气、液混合流体中对冲缝管套的冲蚀破坏过程,分析气、液和固三相流作用下筛缝... 详细信息

为准确预测天然气开采中筛管保护套的冲蚀磨损速率和使用寿命,首先,根据储层及完井方式特征,建立冲缝管套筛缝流道模型;其次,利用离散相模型(DPM)模拟砂粒在气、液混合流体中对冲缝管套的冲蚀破坏过程,分析气、液和固三相流作用下筛缝壁面冲蚀速率随流体流速、含砂体积分数、液相体积分数和开口高度的变化规律;最后,根据筛管冲蚀情况,推导出基于最大冲蚀速率与允许冲蚀宽度的冲缝管套寿命预测模型,预测筛管寿命。研究结果表明:冲缝管套结构中最大冲蚀速度区域为筛缝底部边缘;管套的冲蚀速率随流速增加呈现指数增长趋势,随颗粒体积分数和液相体积分数增加呈线性增长趋势;管套预测使用寿命在速度增加的初始阶段下降明显,液相体积分数和颗粒体积分数增加及开口高度减小都造成使用寿命下降;减小开口高度引起筛管整体的过流面积降低,缝口处流速增大,导致筛管的冲蚀磨损更剧烈,使用寿命减小。

关键词：天然气水合物储层出砂冲缝管套冲蚀速率寿命预测

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天然气水合物开采平台能量系统优化

化工进展 2022年第3期41卷 1667-1676页

作者：马小娟王彧斐冯霄中国石油大学(北京)化学工程系重质油国家重点实验室北京102249 西安交通大学化学工程与技术学院陕西西安710049

随着世界各国对能源需求量的不断增加,急需新型能源来补充常规化石燃料的供给,天然气水合物因其分布广泛、能量密度高等特点或将成为未来主要替代能源之一。CO_(2)置换开采相对于其他方法可以将温室气体CO_(2)封存于海底,环境效益更加明... 详细信息

随着世界各国对能源需求量的不断增加,急需新型能源来补充常规化石燃料的供给,天然气水合物因其分布广泛、能量密度高等特点或将成为未来主要替代能源之一。CO_(2)置换开采相对于其他方法可以将温室气体CO_(2)封存于海底,环境效益更加明显;其次天然气水合物海上开采平台通常兼具生产和生活为一体,采用经济合理的能量设备运行方案可以有效降低平台运行成本,提高经济效益。如今随着海上风电的不断开发,将海上风力发电引入海上平台的能量系统引起了越来越多的关注。本文以天然气水合物开采平台耦合甲烷重整装置的能量系统为例,以最低年总成本为目标函数建立新的能量系统优化模型,分别模拟无风能接入和有风能接入的分布式能量系统,采用MATLAB建模,利用商业求解器GUROBI进行求解,得到最佳设备运行方案,并对有风能接入的能量系统运行方案进行详细的分析。结果显示接入风能后系统的年总成本降低了21.92%,天然气消耗量降低35.41%。此外,通过灵敏度分析发现风能的最佳占比受天然气价格的影响,基于我国当前的天然气的价格,风能的最佳比例为49.56%,随着天然气价格的增加,风能的占比逐渐增大。

关键词：天然气水合物海上平台风力发电分布式能源系统

天然气水合物储层改造泡沫水玻璃浆液及其固结体性能研究

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中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 1001-1011页

作者：彭赛宇马纪英孙友宏李胜利郭威王晓初吉林大学建设工程学院吉林长春130026 中国地质大学(北京)工程技术学院北京100083

为了研发天然气水合物储层劈裂注浆改造技术,开展劈裂改造浆液配制及浆液固结体性能测试实验。首先,基于传统水玻璃浆材,引入发泡剂与稳泡剂,形成泡沫水玻璃浆液,从而增强浆液固结体的渗透性;其次,引入沸石提高固结体的强度和渗透性,在... 详细信息

为了研发天然气水合物储层劈裂注浆改造技术,开展劈裂改造浆液配制及浆液固结体性能测试实验。首先,基于传统水玻璃浆材,引入发泡剂与稳泡剂,形成泡沫水玻璃浆液,从而增强浆液固结体的渗透性;其次,引入沸石提高固结体的强度和渗透性,在配制过程中,测定泡沫水玻璃浆液的黏度和固化时间,明确浆液可注性;最后,开展浆液固结体渗透率、核磁成像、单轴/三轴抗压强度等测试,研究浆液固结体性能的影响因素。研究结果表明:在测试条件下,泡沫水玻璃浆液拥有瞬凝特性,其固化时间可控,浆液黏度受稳泡剂种类与质量分数影响较小,受沸石添加量和搅拌强度的影响较大;浆液固结体内部以大孔为主,且孔隙连通性较好,稳泡剂和沸石添加量对浆液固结体渗透率的影响较大,而对浆液固结体强度的影响较小。采用高强度搅拌方式配制浆液,可显著提高浆液固结体渗透率,但同时降低了其强度。改变组分和搅拌强度可在一定范围内调控浆液固结体渗透率与强度之间的关系。

关键词：天然气水合物储层改造劈裂注浆水玻璃固结体渗透性