岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (S1): 375-382.doi: 10.16285/j.rsm.2021.0037

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南海天然气水合物储层多孔弹性力学研究

周春旭1, 2,张水涛1, 2,贺甲元3,代晓亮1, 2,李丽君1, 2,王琳琳1, 2   

  1. 1. 中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2. 中国石油大学 安全与海洋工程学院,北京 102249; 3. 中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083
  • 收稿日期:2021-01-07 修回日期:2021-03-02 出版日期:2022-06-30 发布日期:2022-07-15
  • 通讯作者: 王琳琳,男,1983年生,博士,教授,主要从事石油工程岩石力学、多孔介质力学、海洋岩土力学方面的研究工作。 E-mail: linlin.wang@cup.edu.cn E-mail: 2019211025@student.cup.edu.cn
  • 作者简介:周春旭,男,1998年生,硕士研究生,主要从事水合物储层相关的多孔介质力学研究工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.22127812);国家自然科学基金联合基金集成项目(No.U20B6005)。

Poroelasticity of natural gas hydrate reservoirs in the South China Sea

ZHOU Chun-xu1, 2, ZHANG Shui-tao1, 2, HE Jia-yuan3, DAI Xiao-liang1, 2, LI Li-jun1, 2, WANG Lin-lin1, 2   

  1. 1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Sinopec, Beijing 100083, China)
  • Received:2021-01-07 Revised:2021-03-02 Online:2022-06-30 Published:2022-07-15
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(22127812) and the Joint Fund of the National Natural Science Foundation Committee of China Academy of Engineering Physics(U20B6005).

摘要: 目前大多数对于水合物储层变形的研究都没有考虑毛管力的作用,将储层中的水合物压力和流体压力视为一致。但是在我国的南海海域,水合物储层多为黏土质粉砂,孔隙的孔径较小,因此毛细效应很明显。基于多孔介质力学以及水合物相平衡理论,建立了描述水合物分解过程中的储层变形模型。在该模型中,孔隙内的物质被分为两相,即水合物固体相和包裹不连续气泡的等效流体相。该模型重点研究了水合物固体和等效流体之间的压差,即毛管压力。最后针对我国南海神狐海域的数据具体分析了降压法与注热法两种不同的水合物开采方法。结果显示,对于南海黏土质粉砂储层,毛细效应会对水合物的相平衡条件以及储层变形产生较大的影响。对于给定的压力,水合物的熔点会随着孔径的减小而降低,这使得水合物的相平衡条件在压力−温度图像中表现为一个区域而不是一条曲线,并且如果忽略毛细效应,则会严重低估储层变形。

关键词: 天然气水合物, 相变, 毛细效应, 多孔弹性力学

Abstract: At present, most studies on hydrate reservoir deformation do not consider the role of capillary force, and the hydrate pressure and fluid pressure in the reservoir are considered to be consistent. However, in the South China Sea, the hydrate reservoirs are mostly clayey silty with small pore size, thus the capillary effect is obvious. Based on poromechanics and hydrate phase equilibrium theory, a reservoir deformation model was established. In this model, the material in the pores is divided into two phases, i.e. the solid phase of the hydrate and the equivalent fluid phase consisting of discontinuous bubbles. The model focuses on the pressure difference between the hydrate solid and the equivalent fluid, known as capillary pressure. Finally, according to the data of Shenhu area in the South China Sea, the depressurization method and the thermal stimulation method of hydrate exploitation are analyzed in detail. The results show that the capillary effect has a great influence on the phase equilibrium condition of the hydrate and the reservoir deformation of the clayey silty reservoir in the South China Sea. For a given pressure, the melting point of the hydrate will decrease with the decrease of the aperture, which makes the phase equilibrium condition of the hydrate appear as a region rather than a curve in the pressure-temperature, and if the capillary effect is ignored, the reservoir deformation will be seriously underestimated.

Key words: natural gas hydrate, phase transition, capillary effect, poroelasticity

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[1] 蒋宇静, 颜鹏, 栾恒杰, 陈连军, 丁根荣, . 多维天然气水合物开采模拟试验 系统的研制与初步应用[J]. 岩土力学, 2022, 43(1): 286-298.
[2] 金爱兵, 巨有, 孙浩, 赵怡晴, 李海, 张舟, 陆通, . 相变储能充填体孔隙结构及强度劣化机制研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2623-2633.
[3] 杨高升, 白冰, 姚晓亮, 陈佩佩, . 非饱和冻土水汽迁移与相变过程的 光滑粒子法模拟[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 291-300.
[4] 袁庆盟, 孔亮, 赵亚鹏, . 考虑水合物填充和胶结效应的深海能源土 弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2020, 41(7): 2304-2312.
[5] 孔亮, 刘文卓, 袁庆盟, 董彤, . 常剪应力路径下含气砂土的三轴试验[J]. 岩土力学, 2019, 40(9): 3319-3326.
[6] 刘艳章, 郭赟林, 黄诗冰, 蔡原田, 李凯兵, 王刘宝, 李 伟, . 冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 62-71.
[7] 姜景山,程展林,左永振,丁红顺,. 干密度对粗粒料力学特性的影响[J]. , 2018, 39(2): 507-514.
[8] 黄诗冰,刘泉声,程爱平,刘艳章, . 低温裂隙岩体水-热耦合模型研究及数值分析[J]. , 2018, 39(2): 735-744.
[9] 饶登宇, 白 冰, 陈佩佩, . 基于SPH方法的非饱和多孔介质相变耦合研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(12): 4527-4536.
[10] 姜德义,岳好学,张 璇,谢凯楠,蒋 翔,. 砂岩单轴压缩声发射和纤维束模型模拟[J]. , 2017, 38(S2): 1-8.
[11] 宋二祥,罗 爽,孔郁斐,李 鹏. 路基土体“锅盖效应”的数值模拟分析[J]. , 2017, 38(6): 1781-1788.
[12] 陈昊祥,戚承志,李凯锐,徐 琛,刘天添,. 深部巷道围岩分区破裂的非线性连续相变模型研究[J]. , 2017, 38(4): 1032-1040.
[13] 申艳军,杨更社,荣腾龙,刘 慧. 低温环境下含表面裂隙硬岩温度场及冻胀演化过程分析[J]. , 2016, 37(S1): 521-529.
[14] 赵春雷 ,赵成刚 ,张卫华 ,蔡国庆,. 考虑组构变化效应的饱和密砂循环本构模型[J]. , 2014, 35(11): 3056-3064.
[15] 吴二林,韦昌富,魏厚振,颜荣涛. 含天然气水合物沉积物损伤统计本构模型[J]. , 2013, 34(1): 60-65.
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[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .