（油气井工程专业论文）天然气水合物地层物理力学性质实验研究.pdf

粤 f _ p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e s e a r c ho nn a t u r a l g a sh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s u nx i a o j i e s u p e r v i s o r ：p r o f c h e n gy u a n f a n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 哪4m 5 舢8m 6 7舢8iii胂y ， ，一 f i，。f事ujit，圣， 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丕旦也奎- 。 日期：26 f 1 年歹月西日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：翻二旦也查： 指导教师签名： 槛盈 日期：2 _ 0 1 1 年 日期：列f 年 罗月二多日 ，月“日 ， 、，i 摘要 在能源危机日益严峻的2 1 世纪，天然气水合物被公认为是具有良好开发前景的重 要后续能源，它储量巨大、能量密度高并且燃烧无污染。自然界中的天然气水合物主要 分布在海洋的大陆边缘和陆上的永冻地区，前者大约占了己发现数量的9 0 。目前各国 对于天然气水合物的商业开发已列入日程。确保天然气水合物地层井壁稳定是关系到钻 井成功乃至整个钻探开发顺利进行的关键，而对于天然气水合物地层物理力学性质的研 究是开展井壁稳定研究的基础。 本文采用自主研制的水合物沉积物三轴实验系统进行实验研究，该系统最大的优势 是能够在原位状态下合成天然气水合物并进行三轴力学实验与声波实验研究。实验采用 覆膜砂烧结成原状岩样，然后采用原位合方式制取不同饱和度的水合物沉积物，在不同 围压条件下研究不同饱和度的水合物沉积物的力学性质，得到了水合物沉积物的力学参 数与围压、饱和度的关系，研究发现随着围压、饱和度的增大峰值强度增大，内聚力随 着饱和度的增大而增大，而泊松比、内摩擦角没有明显变化，并据此建立起围压、饱和 度与峰值强度的定量模型；建立了水合物层强度破坏准则；为后续水合物层井壁稳定研 究奠定基础。为了进行对比实验，本文同时对四氢呋喃水合物、冰沉积物按照甲烷水合 物沉积物的实验方法进行了研究，发现冰、四氢呋哺水合物、甲烷水合物沉积物的力学 性质差别不大。 本文对原位合成的不同饱和度的甲烷水合物沉积物、四氢呋喃水合物沉积物、冰洋 沉积物在不同围压条件下进行了声波测试。根据弹性理论，利用所测得的超声波波速， 计算了被测试样的动弹性力学参数，实验结果表明：纵横波速随着围压、饱和度的增大 而增大，动态弹性模量随着饱和度、围压的增大而增大。本论文所得到的实验数据和结 论能够为水合物层的勘探及资源评价提供依据。 关键词：天然气水合物沉积物，三轴实验，饱和度，弹性模量，泊松比，声学性质， 围压，动弹性力学参数 ， ，咖 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e s e a r c ho nn a t u r a l g a s h y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t s s u nx i a o j i e ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e n gy u a n f a n g a b s t r a c t i nt h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yc r i s i so ft h e2 1s tc e n t u r y , n a t u r a lg a sh y d r a t ei s r e c o g n i z e da sa l li m p o r t a n td e v e l o p m e n tp r o s p e c tw i mg o o df o l l o w - u po fe n e r g y , n a t u r a lg a s h y d r a t ei sak i n do fn e wc l e a ne n e r g yw i ml l i g he f f i c i e n c ya n dh u g ea m o u n t sd e p o s i t s n a t u r a l g a sh y d r a t ed i s t r i b u t e sm a i n l yi nt h em a r i n ec o n t i n e n t a lm a r g i ns e d i m e n t sa n dp e r m a f r o s t e n v i r o n m e n t s ，t h ef o r m e ra c c o u n tf o ra b o u t9 0 o ft h en u m b e rh a v eb e e nf o u n d c u r r e n t l y , c o m m e r c i a le x p l o i t a t i o no fg a sh y d r a t e sh a sb e e ni n c l u d e di nt h ea g e n d ao fm a n yc o u n t r i e s e n s u r i n gt h es t a b i l i t yo ft h eb o r e h o l ei st h ek e yt ot h es u c c e s so fd r i l l i n gi nt h eg a sh y d r a t e s e d i m e n t sa n dt h eg o i n go nw h e e l so ft h ew h o l ee x p l o r a t i o np l a n , p h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fg a sh y d r a t es t u d i e si st h eb a s i ct os t u d ya b o u tt h ew e l lb o r es t a b i l i t y t h ed e v e l o p m e n to ft r i a x i a lc o m p r e s s i o na p p a r a t u sf o rg a sh y d r a t es e d i m e n tc a nc a r r y o u tt r i a x i a lt e s ta n da c o u s t i ct e s t ，w h i c hi st h eb i g g e s ta d v a n t a g eo ft h es y s t e m c o a t e ds a n di n t h el a b o r a t o r yw a ss i n t e r e di n t ot h eh o s ts p e c i m e n ，a n dt h e ns y n t h e s i z e do fd i f f e r e n t s a t u r a t i o nm e t h a n eh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t sb yu s i n gt h ei ns i t um e t h o d as e r i e so ft r i a x i a l s h e a rt e s t sw e r ec a r r i e do u to na r t i f i c i a lm e t h a n eh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t sw i t hd i f f e r e n t m e t h a n eh y d r a t es a t u r a t i o na n dc o n f i n i n gp r e s s u r e t h ep r e l i m i n a r yr e s u l t ss h o wt h a tw i mt h e i n c r e a s i n go fc o n f i n i n gp r e s s u r ea n dm e t h a n eh y d r a t es a t u r a t i o n , t h ep e a ks t r e n g t hw a s e n h a n c e d ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fs a t u r a t i o nc o h e s i o na l s oi n c r e a s e d ，b u tm o d u l u so fe l a s t i c i t y a n dp o i s s o nr a t i oh a v en o tr e m a r k a b l ec h a n g e d ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw eb u i l d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lt ot h ep e a ks t r e n g t ho fd i f f e r e n tm e t h a n eh y d r a t es a t u r a t i o na n d c o n f i n i n gp r e s s u r e ；a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw ea l s oe s t a b l i s h e dt h es t r e n g t h f a i l u r ec r i t e r i ao fh y d r a t es e d i m e n tl a y e r , w h i c hp a l ll a yf o u n d a t i o n sf o rt h es e q u e n t i a ls t u d i e s o fh y d r a t e l a y e r s w e l lb o r e s t a b i l i t y f o rc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t s ，a s e r i e so f i c e ，t e t r a h y d r o f u r a n ( t h f ) h y d r a t es e d i m e n tt r i a x i a lt e s t sw e r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lm e t h o d so fm e t h a n eh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t s ，f o u n d i n gt h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fi c e 、t h fh y d r a t ea n dm e t h a n eh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t sw e r en o tv e r y d i f f e r e n t i nt h i s p a p e r , a c o u s t i cw a v et e s t sw e r ed i du n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r ef o r d i f f e r e n ts a t u r a t i o no fm e t h a n eh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t s 、t h fh y d r a t es e d i m e n t sa n di c e b e a r i n gs e d i m e n t s ，w h i c hw e r es y n t h e s i z e di ns i t u a c c o r d i n gt oe l a s t i c i t yt h e o r y , u s i n gt h e m e a s u r e du l t r a s o n i cw a v ev e l o c i t y , w ec a l c u l a t e dt h ed y n a m i ce l a s t i cm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o ft h es a m p l e s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：pw a v e sa n dsw a v e si n c r e a s e dw i t ht h e c o n f i n i n g p r e s s u r ea n ds a t u r a t i o ni n c r e a s i n g ，t h ed y n a m i ee l a s t i cm o d u l u si n c r e a s e dw i t ht h ec o n f i n i n g p r e s s u r ea n ds a t u r a t i o ni n c r e a s i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e rw i l l g i v es o m es u p p o r t si nt h ee x p l o r a t i o no fh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t sa n dt h ee v a l u a t i o no f r e s o u r c e s k e yw o r d s ：m e t h a n eh y d r a t eb e a r i n gs e d i m e n t s ，t r i a x i a lc o m p r e s s i v et e s t ，s a t u r a t i o n ， m o d u l u so fe l a s t i c i t y , p o i s s o nr a t i o ，a c o u s t i cp r o p e r t i e s ，c o n f i n i n gp r e s s u r e ，d y n a m i c e l a s t i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 、 n l l ，、 第一章 1 1 它 1 2 t 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 天然气水合物的岩石物理特性1 4 2 6 本章小结1 5 第三章水合物沉积物三轴实验系统1 6 3 1 设备研制动机16 3 1 1 三轴实验的重要性一1 6 3 1 2 水合物三轴实验设备研究进展1 7 3 2 水合物原位合成系统研制2 0 3 3 水合物三轴实验机的研制。2 1 3 3 1 水合物三轴实验机主体的构建2 1 3 3 2 水合物三轴实验变形传感器的研制2 3 3 4 水合物三轴实验机控制系统2 5 3 4 1 控制软件一2 5 3 4 2 控制加载系统2 7 3 5 声波测试系统2 7 3 6 设备安装与调试2 9 3 6 1 设备主要技术参数一2 9 3 6 2 各系统的操作与使用一3 0 3 6 3 实验系统的测试3 1 3 7 实验系统特色3 l 3 8 本章小结3 2 第四章水合物沉积物三轴实验研究：。3 4 4 1 水合物三轴实验3 4 4 1 1 水合物三轴实验岩样制备研究进展3 4 4 1 2 原状岩样制各3 5 4 1 3 原状样孔隙度的测定3 6 4 1 4 水合物原位合成4 3 4 1 5 水合物饱和度确定。4 4 4 2 实验结果处理方法4 5 4 2 1 三轴实验结果处理方法4 5 4 2 2 声波实验结果处理方法4 8 4 3 不同饱和度冰样实验4 9 4 3 1 不同饱和度冰样三轴实验4 9 4 3 2 不同饱和度冰样声波实验。5 4 4 4 不同饱和度四氢呋喃水合物试样实验5 6 4 4 1 不同饱和度四氢呋喃水合物试样三轴实验结果5 6 4 4 2 不同饱和度四氢呋喃水合物试样声波实验结果6 l 4 5 不同饱和度甲烷水合物试样实验6 3 4 5 1 不同饱和度甲烷水合物试样三轴实验结果6 3 4 5 2 不同饱和度甲烷水合物试样声波实验结果8l 4 6 本章小结8 9 第五章结论9 0 参考文献9 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果9 6 致谢9 7 v 哼 吨 q 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章前言 1 1 1 研究目的 本课题来源于国家科技重大专项：大型油气田及煤层气开发子课题“水合物区 钻探过程风险评价技术 。 天然气水合物是在一定条件下由轻烃、c 0 2 及h 2 s 等小分子气体与水相互作用形成 的白色固态结晶物( 因遇明火可以燃烧，俗称可燃冰) ，是一种非化学计量型晶体化合 物，或称笼形水合物、气体水合物r 1 翻。 天然气水合物沉积物中一般包括四种介质：生成气、岩土骨架、水和固体水合物。 生成气和水的含量随着水合物饱和度的变化而变化，水合物沉积物的力学性质也与水合 物的饱和度有明显的相关性。水合物开采涉及到固液气三相的渗流、水合物沉积物与结 构物相互作用等方面的问题，要进行这些研究，首先要确定水合物沉积物的基础力学参 数，这是研究的基础也是关键。由于研究难度大，研究时间短，这方面的数据非常缺乏。 因此针对水合物和水合物沉积物力学性质的研究是非常重要和基础的【3 1 。 以前的精力主要集中在对实验室合成的纯水合物的研究，针对海洋水合物的研究还 刚起步；适合测量水合物沉积物力学性质的实验设备还没有开发出来；现有的技术手段 和设备仍很难原状取样并保持原状水合物样来进行常规室内实验研究；针对水合物地层 的地球物理反演技术还不够成熟。这些因素限制了水合物沉积物力学研究的进展，造成 了对水合物沉积物的力学性质参数了解较少。 本研究主要针对水合物层井壁稳定研究中的技术难题，开展系统研究，分析内在规 律，形成解决这些难题的技术措施。通过室内模拟实验对水合物地层的物理力学特性进 行系统研究，为以后考虑水合物分解机制的流固耦合理论研究、建立水合物地层钻井井 壁稳定分析理论提供基础支持，也为今后我国深水油气资源大规模勘探开发中的钻井作 业活动提供指导与基础数据支持。 1 1 2 研究意义 一方面，在能源危机日益严峻的2 1 世纪，天然气水合物被公认为是具有良好前景 的重要后续能源，它储量巨大：储量约2 x 1 0 1 6 m 3 ，有机碳含量约占全球有机碳的5 3 3 ， 为现有石油天然气和煤总碳量的2 倍，是剩余天然气储量的1 3 6 倍；其能量密度高：标 1 第一章前言 准状态卞1 m 3 固体n g h 可以释放i 6 4 m 3 的天然气，而且燃烧值高无污染【4 1 。2 0 世纪8 0 年代以来，许多国家都在天然气水合物的研究方面给与了高度重视，。并从能源战略考虑， 纷纷制定了长远发展规划。世界各国都把目光瞄准了天然气水合物这一洁净、高效、资 源量巨大的新型能源。我国于2 0 0 7 年6 月在南海北部天然气水合物钻探中获得突破性 发现，中国科学家共在3 个工作站位成功获得天然气水合物实物样品，成功发现水合物 的概率高达6 0 。我国是第一个在南海海域获取天然气水合物实物样品的国家，成为继 美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家，这标志 着我国海域天然气水合物研究已经迈入世界先进行列。中国科学家通过研究认为，我国 南海神狐海域水合物呈分层分散分布，并且沉积层较厚，峰值厚度能达到2 5 m ，饱和度 也比较高，由此可以推测我国南海北部具有巨大潜力的天然气水合物资源。据初步估测 我国南海天然气水合物总资源量约有1 0 0 亿吨油当量。 1 9 9 2 年加拿大在北美麦肯齐三角洲钻探发现天然气水合物，2 0 0 7 年美国通过国家 钻探计划在阿拉斯加北坡发现天然气水合物，2 0 0 9 年9 月，我国在青海发现“可燃冰”， 使我国成为在陆域通过钻探获得天然气水合物样品的第三个国家，也是世界上第一次在 中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家，远景资源初步估算至少有3 5 0 亿吨油当量。 另一方面，水合物储层非常敏感。钻采中储层受到扰动，温度压力条件发生变化， 水合物就会分解从固相转变为气液两相，使得水合物层的力学强度受到弱化，容易引起 井壁不稳，从而造成工期延迟甚至井眼报废。当钻井过程中钻穿水合物地层，下面的自 由气上返也会引起类似的灾害。海底韵天然气水合物分解会导致海底滑塌，从而对基础 设施造成破坏。这些危害在完钻后的生产过程中也同样会遇到，因为天然气水合物遇到 从深部地层开采出的高温流体会分解，从而降低地层承受力、引起套管破坏、损伤套管 的完整性。从墨西哥湾到北海、西非，深水浅层水合物问题已影响到深水钻探、开发、 生产的安全。因此，进行水合物力学性质研究是非常必要的，只有对水合物地层物理力 学参数有了系统全面认识，才能更经济安全地进行深海油气田钻采。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 天然气水合物及其赋存地层力学性质研究现状 虽然水合物取样、生成、保存都很困难，对水合物力学性质的研究也比较少，但是 根据固体物理学的理论，主晶格的结构决定了晶体的物理性质，水合物结构跟冰的类似， 可以推测水合物有很多性质和冰相刚5 1 。 。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如表2 1 、2 2 所示，j o h nl c o x 、d v o r k i nj g 对比了水合物与冰的部分物理性质。 从表2 1 和表2 2 可以发现水合物的杨氏模量、剪切模量以及泊松比等和冰的相应指标 很接近。因此尽管目前还没有纯水合物的抗压、抗拉和抗剪等力学参数实验研究情况， 但可以推测它的这些力学性能和冰的差别不大【6 7 】。 表2 - l 冰和纯水合物的物理性质( 据j o h nl c o x 1 9 8 3 ) 1 6 1 t a b l e 2 - 1c o m p a r i s o no fp r o p e r t i e so fi c ea n dg a sh y d r a t e s 性质冰水合物 i 晶格直径( o ) 1o 1 0 m 4 5 21 1 9 71 7 1 4 体积热膨胀系数】e 1 1 5 l o 41 5 x 1 0 41 7 x 1 0 4 等温杨氏模量( 5 c ) 1 0 9 p a 9 58 48 2 泊松比 0 3 30 3 3o 3 3。 绝热体积压缩系数( 0 ) 1 0 小p a 1 21 41 4 纵波速度他砒 4 03 83 8 晶格能量( o k ) k j m o l - 4 7 3 略低于冰略低于冰 皴( o c ) g c m 3 0 9 1 2 c h 4 ：0 9 1 0c 3 h s ：0 8 8 3 c 2 h 6 ：0 9 5 1i - c 4 i - i l o ：0 8 9 2 表2 2 冰和纯水合物物理性质( 据d v o r k i nj g ，2 0 0 0 ) t 7 l t a b l e 2 - 2 c o m p a r i s o no fp r o p e r t i e so fi c ea n dg a sh y d r a t e s 性质冰结构i 水合物结构水合物 纵波速度( m s ) 3 8 4 53 6 5 03 6 9 0 横波速度( m s ) 1 9 5 7 1 8 9 51 8 9 2 纵、横波速度比 1 9 61 9 31 9 5 剪切模量g p a 3 53 23 2 泊松比 0 3 2 5o - 3 1 70 3 2 等压杨氏模量g p a 9 38 58 3 等温杨氏模量g p a9 07 9 8 1 等压体积模量g p a 8 97 77 8 等温体积模量g p a8 6 7 27 5 1 9 9 8 年在西北麦肯齐三角洲日本与加拿大合作进行了水合物钻探，对取得的水合物 岩心进行了三轴试验研究，测定了水合物沉积物的纵波波速度和抗剪强度【引。 w i n t e r s 等对水合物沉积物原状样和室内制备样的力学性质进行实验研究，对水合 物沉积物的应力应变关系和强度等力学指标进行了研究与分析：w i n t e r s 等通过声波测 3 第一章前言 量、三轴剪切实验，研究了在沉积物的孔隙中充填水合物和冰时声波特性的不同，同时 研究了不同条件下形成水合物的声波特性的区别，以及孔隙总量对水合物强度的影响【9 1 。 w i n t e r s 等对m a l i k 地区原状样的应力应变关系和声学性质进行研究，分析表明实 验室内合成的甲烷水合物与沉积物颗粒之间存在胶结现象，而自然界中的部分水合物沉 积物却存在非胶结现象，因此在原状与室内合成水合物沉积物样中水合物对沉积物物理 和力学性质的影响是不同的。当使用合成样品的实验结果建立理论模型来预测实际水合 物沉积物的物理力学性质时，必须考虑到这一点【l o 】。 h y o d o 等对一系列天然气水合物砂样进行了室内三轴实验研究，并比较了砂样孔隙 中不同水合物饱和度对实验砂样力学性质的影响，绘制了甲烷水合物砂样的力学性质与 温度、有效围压和甲烷饱和度的关系图，分析了水合物分解过程中砂样体积应变的变化 与有效围压和临界孔隙比的关系。得出实验结果：形成水合物过程中的温度和压力对沉 积物砂样强度影响微乎其微；决定水合物砂样力学性质的主要因素是有效围压和甲烷水 合物的饱和度。此外，在甲烷水合物分解的时候，只要不施加剪应力，不管有效应力是 否减少，其体积应变都有剪胀的趋势；而施加剪应力时，剪切变形的发展和变化伴随着 临界孔隙比的变化而变化，同时水合物的饱和度也是影响体积变化的主要因素【儿】。 m a s u i 等对4 个取自日本南海海槽的原状水合物岩心( 原状样) 和室内合成的水合物 t o y o u r a 砂样( 合成样) 进行了三轴实验研究。得出如下结论：随着水合物饱和度的增大， 水合物沉积物的强度增大；原状样与合成样的强度相差不大，但两者的应力应变关系 存在很大不同；原状样的切线弹性模量的平均值低于合成样约2 0 0 m p a ；室内合成样的 泊松比在0 0 5 0 2 2 之间，原状样的泊松比一般介于0 1 0 2 ，两者的泊松比与水合物饱 和度之间都没有明显的相关性；初始孔隙比和沉积物颗粒级别的不同是造成原状样和合 成样变形特性不同的主要因烈1 2 1 。 k m i y a z a k 等研究了围压对水合物沉积物岩石力学性质的影响，采用t o y o u r a 砂( 平 均颗粒直径为2 3 0 x 1 0 巧m ) 合成水合物岩样，按照m a s u i 等的实验方法进行实验，在温 度2 7 8 k ，孔隙水压8 m p a 下采用0 1 r a i n 的应变速率进行实验，实验时采用不同的围 压：8 5 m p a 、9 m p a 、1 0 m p a 、l l m p a 。所得结论如下：如其他的地质材料一样水合物沉 积物岩样随着围压的增大塑性增大；随着围压增大水合物沉积物岩样的强度增大；内聚 力以及莫尔库伦破坏准则可以描述成与水合物饱和度相关的函数。这些研究成果不但 为了解水合物的变形机制提供帮助，也为以后本构方程构建或者数值模拟奠定基础【”】。 美国地质调查局( v s g s ) 利用水合物沉积物测试实验装置“g h a s t l i ”，对取自地下 4 搴 卿 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 9 0 0 m 处的四个砂岩样品进行了声学和力学测试。研究了水合物分解前、分解中以及分 解后的沉积岩样的力学性能。 佐治亚理工学院在实验室内通过一系列三轴实验测试了砂子、粘土和石英粉三种不 同多孔介质在水合物存在下的体积弹性模量、应力应变曲线、泊松比和抗剪强度等力 学参数，根据莫尔库伦破坏准则对比了水合物饱和度为5 0 的石英粉和不含水合物的 石英粉在内聚力和摩擦角上的不同。从所得实验结果来看，多孔介质中含有水合物会使 体积弹性模量、杨氏模量变大，而泊松比也有变大的趋势，有点类似于膨胀土。这是因 为水合物在多孔介质中存在胶结作用，它增强了多孔介质的内聚力和内摩擦角。 c l a y t o n 等对一系列室内合成甲烷水合物砂样进行了共振柱实验，研究了围压在 o 2 5 2 m p a 范围内甲烷水合物含量对沉积物的剪切模量、体积模量的影响，通过与那些 没与水合物胶结的沉积物砂样以及水合物分离后的沉积物砂样进行了对比得出实验结 果：在实验过程中形成的具有胶结作用的水合物能够较大程度地影响砂样的剪切模量， 但是对体积模量的影响程度有刚1 4 】。 中科院的张旭辉等利用研制的天然气水合物沉积物合成及力学性质一体化试验设 备进行试验研究，以粉细砂土作为骨架，分别对冰沉积物以及对四氢呋喃、二氧化碳和 甲烷3 种水合物沉积物进行了室内合成和三轴剪切试验，分析和比较了这4 种沉积物样 品的应力应变和强度特性，初步探究了冰和不同气体水合物在沉积物强度中所起的作 用。试验结果表明：4 种沉积物均表现为塑性破坏；围压越大，水合物沉积物强度越高， 不同气体水合物会使水合物沉积物的强度不n t l 5 】。 魏巍等依据南海中沙天然气水合物远景区沉积物样品的分析资料，从物理力学特征 各方面对该区域海底沉积物进行了综合工程地质特征研究，在有侧限和两面排水条件下 进行压缩实验研究，通过各级垂直荷重下土的变形( 孔隙体积逐渐变小) 来测定海底沉积 物的压缩系数和压缩模量，通过室内直剪和静三轴实验，获得海底沉积物的抗剪强度特 征值【1 6 1 。 李萍，李培英等从物理性质和力学特征各方面对南黄海海底沉积物进行了综合工程 地质特性研究，发现南海海底沉积物抗剪强度很小，总结了沉积物结构、剪切特征、含 水量和液塑性随深度变化的规律【1 7 1 。 1 2 2 天然气水合物地层声波测试研究现状 m y u n gw l e e 对b g t 理论进行研究并完善，重新命名为b g t l 理论。l e e 通过研究 5 第一章前言 指出，经典的b g t 理论仅适用于含游离气的沉积物的波速计算，而b g t l 则适用于含 饱和水的沉积物的速度预测。l e e 的研究是以b g t l 理论为核心展开进行的，根据实验 结果建模，并计算出适用于不同沉积条件的b l o t 系数d 【1 8 】。 w i n t e r s 等利用自主设计的g h a s t l i 装置研究了孔隙中的饱和水、游离气、水合物、 冰等对沉积物声速的影响以及沉积物粒度对沉积物声速的影响等 1 9 】。 英国南安普顿大学p r i e s t 等通过自主设计的天然气水合物振动圆柱体，对含有水合 物的松散沉积物进行了声学性质与饱和度关系的研究【2 0 】。 赵群等利用一组微弱胶结高孔隙度的人工砂岩样品进行水合物岩石物理特性研究， 实验发现声波对孔隙流体的性质较敏感，随着温度降低颗粒的胶结性能降低，原有沉积 物的速度、弹性模量和频率升耐2 1 1 。 青岛海洋地质研究所水合物地球物理模拟实验室将超声技术与时域反射技术集成 一体，实时测量水合物形成和分解过程中沉积物的声学参数和水合物饱和度的变化，并 取得了饱和度和声学关系的初步成梨2 2 1 。 王东等进行了在低温实验室内合成天然气水合物，并进行纵波传播速度和衰减的测 量，研究了不同温度和压力条件对纯甲烷水合物样品纵波传播速度的影响。在o 1 5 。c 温 度范围内测量了冰、四氢呋喃水合物、天然气水合物样品及它们与砂的混合物样品的纵 波速度和声波穿透的幅度 2 3 1 。 1 3 水合物层钻探过程中井壁稳定存在的问题 叶建良等根据天然气水合物的物理力学性质、成藏环境以及钻井特点进行分析研究 认为：天然气水合物地层可能存在的储层损害有温度敏感、应力敏感、井壁坍塌、井眼 缩径、蠕变以及井漏井喇2 4 1 。 地层中的水合物起到了骨架支撑或者胶结作用，在钻井过程中，当打开井眼后，水 合物的分解会使井壁失稳，引起井径扩大、降低井口装置的承载能力，引发井口沉降、 套管被压扁等问题，严重的情形会导致井壁岩层失稳垮塌，影响到立柱甚至整个钻井平 台的安全【2 5 】。另外，天然气水合物还会改变钻井液的造壁性能，钻井是非绝热的过程， 水合物地层又是多孔介质体，因而钻井液和水合物地层必然会发生传质和传热作用，表 现为钻井液向井壁周围地层中渗透以及天然气水合物分解，分解产生的大量气体进入到 钻井液，当钻井液中气体含量很高时，整个环空压力就会降低，从而导致更加严重的水 合物分解，加剧井喷和井壁不稳定性，使得事故发生的风险大增。 6 哼。 i 俐 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 井壁坍塌问题是因为井壁岩石所受应力超出其本身的实际强度 坏而造成的。钻井液的侵蚀作用会降低井壁围岩的强度，使之更易 h o v l a n d 和g u d m e s t a d 总结了具有工业价值的开采可能会遇到大量潜在的危害。在 开采过程中天然气水合物储层遭到破坏，压力和温度条件的微小变化有可能导致天然气 水合物的分解，造成气体或者水进入井眼，从而导致工期延迟或者井眼报废【2 6 1 。据悉 2 0 1 0 年4 月2 0 日美国墨西哥湾发生的海上钻井平台“深水地平线 爆炸沉没事故也是 由于天然气在海底条件下产生大量水合物堵塞阀门腔体，致使密封失效造成的。 1 4 论文研究内容及技术路线 针对目前水合物钻采中存在的主要问题，从天然气水合物地层钻采过程中力学稳定 性机理出发，通过建立水合物岩石力学三轴实验系统并制备水合物试样，并利用此系统 研究冰沉积物、四氢呋喃水合物沉积物以及甲烷水合物沉积物的力学性质；测定甲烷水 合物沉积物弹性模量、泊松比、内聚力等力学参数，建立甲烷水合物沉积物的峰值强度 等参数与有效围压和水合物的饱和度的关系；建立水合物层强度破坏准则；为后续水合 物层井壁稳定研究奠定基础。 研究内容： l 、水合物岩石力学三轴实验系统建造 根据水合物相平衡要求，建造岩石力学三轴实验系统，以满足天然气水合物沉积物 所做实验的要求，主要是研制水合物沉积物原位合成系统，以及适用于水合物沉积物三 轴实验的变形传感器。 2 、天然气水合物地层物理力学参数测试研究 鉴于水合物地层物理力学性质对于井壁稳定研究的重要性，本研究需要开展天然气 水合物地层岩石力学性质实验，搞清水合物地层基本物理力学性质，为后续水合物地层 井壁稳定研究提供基础参数。 ( 1 ) 岩心原状样制备方法研究 研究覆膜砂烧结制备原状岩样方法，制定采用原位合成方式制备不同沉积物( 冰、 四氢呋喃、甲烷沉积物) 试样的方案，并根据方案制备水合物沉积物试样。 研究甲烷水合物与膨润土混合压实制样方案，并根据方案制备水合物沉积物试样。 ( 2 ) 水合物试样力学性质参数实验研究 在一定温度、压力条件下( 由水合物相平衡来确定温压条件) ，根据制得的试样， 7 第一章前言 测试不同饱和度水合物沉积物弹性参数( 弹性模量、泊松比等) 和水合物沉积物强度参， 数( 内聚力、内摩擦角等) ，并总结归纳这些参数与围压以及水合物饱和度的关系。 ( 3 ) 水合物试样声学性质参数实验研究 ， 在一定温度、压力条件下( 由水合物相平衡来确定温压条件) ，根据制得的试样测 试不同饱和度水合物沉积物声学参数，并初步分析声学参数与水合物饱和度等的关系。 技术路线如图1 - 1 所示： 图1 - 1 技术研究路线示意图 f i g 1 - 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft e c h n i c a la p p r o a c h 首先进行岩样原状样的制备，然后采用原位合成方式制备不同饱和度的水合物沉积 物，然后合理安排水合物地层物理力学性质实验，在一定温度，压力条件下研究围压和 甲烷水合物的饱和度对水合物层物性参数、强度参数、弹性参数的影响规律，并通过对 比分析冰、四氢呋喃水合物、甲烷水合物沉积物的力学、声学性质的不同，得出适合于 天然气水合物地层的破坏准则，为后续天然气水合物地层井壁稳定性研究奠定基础。 8 童 9 i 、 驴 t f 甜 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章天然气水合物基础性质 2 1 天然气水合物结构 天然气水合物( g a sh y d r a t e s ) 又称“可燃冰 ，是在低温( 1 0 m p a ) 条件下由水与天然气( 主要是甲烷气) 结合形成的笼形白色结晶化合物( 图2 1 ) 。水分 子在水合物中形成一种三维网状鸟笼形结构【2 7 1 。甲烷等烃类分子被捕集到网状水分子间 形成水合物。水分子之间靠较强的氢键结合，而水分子与气体分子之间只靠较弱的范德 华力连接，这导致水合物极易分解。除甲烷外，乙烷、丙烷、丁烷等同系物以及二氧化 碳、硫化氢等常见的天然气组分也能生成水合物。分子大于丁烷的气体通常不会形成水 合物。迄今为止，已经发现的天然气水合物结构类型有三种：i 型结构、型结构和h 型结构【2 8 1 。 丑1 型结构水台物b ，i i 型结构水合物c ，h 型绩构承台物 图2 1 天然