天然气水合物研究

    天然气水合物被普遍认为是21世纪替代煤炭、石油和天然气的新型洁净能源。目前世界上已有100多处海域直接或间接发现了天然气水合物。2007年,我国在南海北部陆坡成功取得了水合物样品;2008年,我国在祁连山南麓成功取得了水合物样品。我国已将水合物开采研究列入了国家中长期科技规划中的重大专项"大型油气田勘探开发和煤层气开采"中。争取到如下课题的支持:(1)国家重大专项"大型油气田和煤层气开采"子课题 "水合物分解渗流及对地层和结构安全性影响" (2008年-2020年);(2)863子课题:水合物开采关键技术预研(2006年-2015年两期);(3)院创新方向性项目子课题:水合物沉积物力学性质和热物性特性研究(2005年-2010年);(4)院创新方向性项目子课题:水合物沉积物渗流特性研究(2009年-2012年);(4)所创新重点项目:水合物力学和热物性实验(2007年-2009年);(5)自然科学基金面上项目:水合物分解对结构物安全性影响(2008年-2010年);自然科学基金面上项目:水合物分解对结构物安全性影响(2010年-2012年)。目前在水合物研究方面主要完成了如下的工作:

1. 实验设备

    研制成功了我国第一套水合物合成与力学性质一体化装置(图1)。该套装置除了常规的应力、应变、体变、围压等参数测量外,还具有超声、温度和电阻测量功能。包括温控系统、水合物合成系统和三轴应力应变实验系统。整套装置置于4m2的低温室中(图2)。利用该装置可以合成水合物,并在不移动样品的情况下直接进行水合物及其沉积物的力学性质实验,避免非一体化装置中水合物合成后移动分解带来的力学性质测量的误差。系统参数为:最大围压14MPa, 温度+20~-20°C,试样直径:3.9cm,高度:8.0cm。研制了国内外第一套水合物分布区结构物安全性的离心机实验装置(图3a),另外还研制了小尺度模型实验装置(图3b)。离心机用压力室可承压5MPa压力,直径90cm,高度145cm,内装有土压力传感器、水压力传感器、位移传感器、温度传感器、照明和摄像头。研制了一维(图4a)和柱对称(图4b)水合物开采方法实验装置。一维装置的试件直径4.0cm,长度100cm,流量精度0.5%,最大围压30MPa,温度-20-20℃,劳伦斯实验室有一套类似装置(14cm,实验5MPa),利用该装置可测量降压、注热、注气等条件下水合物分解过程中的压力温度沿长度方向的变化,并且可与岩土CT结合测量分解过程中孔隙、水合物饱和度等微观参数的变化。柱对称装置的试件直径50.0cm,最大高度50cm,可调节,流量精度0.5%,最大围压40MPa,温度-30-20℃。利用该装置可模拟三维水合物分解渗流的演化过程,也可以进行水合物分解引起的地层和结构安全实验,因为在该装置中安装有加热、注热等部件。

                 
图1  水合物试验机                                                                            图2 低温室(4m2)

(a) 小尺度模型装置 (b) 实验用的离心机

图3 水合物分解致地层和结构破坏实验装置

(a)  一维水合物开采实验装置    (b) 轴对称水合物开采实验装置
图4 水合物开采实验装置

水合物及沉积物力学性质研究

    利用前述研制的水合物沉积物合成与力学性质一体化实验装置进行了系列的力学性质实验,在国内率先开展了人工水合物沉积物和南海与祁连山水合物沉积物的力学性质研究,获得了水合物形成前后沉积物的强度和应力应变曲线、纯水冰、水冰沉积物、CO2水合物沉积物和四氢呋喃水合物沉积物的强度、渗流性质、水合物分解对其动力学性质的影响等;最后在这些实验数据的基础上,提出了水合物沉积物的力学参数与各组分相应参数间的关系模型(图5a-c)。

(a) 甲烷水合物应力应变曲线    (b) 二氧化碳水合物应力应变曲线

(c) 水合物分解后动态应力应变曲线

  (d) 水合物分解前后应力应变曲线

(a)  模量   (b) 内摩擦角

图 5 甲烷水合物沉积物应力应变测试结果

水合物分布区内的海工结构安全性研究

   在国内最早系统开展水合物分解对地层和其中结构安全性的研究。利用前述研制的水合物区结构安全性实验装置,进行了水合物分解引起的地层和结构安全性的小模型和离心机模型实验研究,得到了基础承载力随水合物分解而变化的基础数据。实验中发现了两种新的破坏形式:在不同盖层和环境温度压力条件下,水合物分解除了可引起地层滑塌变形和基础承载力降低外(图6),还可引起地层的分层现象和剧烈喷发现象,这是对水合物区深海油气开采和水合物开采具有严重威胁的两种现象(图7)。这些破坏现象引起了我国产业部门的高度重视。

    采用ABAQUS商用有限元程序,根据典型的水合物地区的天然气水合物沉积物层分解前后和其上覆土层的物性和强度参数,对海底管道和其附近地层的应力和位移场随着水合物分解范围逐渐扩大的情况进行了数值计算(图8a)。水合物分解对地层和其中管道的变形和应力分布的变化影响显著,随着水合物分解范围的扩大,管道和地层的变形显著扩大,管道由弹性变形逐渐变化为整体倾倒变形即失稳;在只有管道供热条件下管道附近水合物分解范围有限(图8b)。在工程设计中,为保证地层中管道等结构物的安全,可采取措施使管道附近水合物的分解范围控制在管道等结构物稳定的临界值之内。

 (a)水合物分解产生的气泡   (b) 水合物分解后地层滑塌和管道沉陷
图 6  水合物分解后地层与结构离心机实验
 
(a)  解导致分层现象 (b) 水合物分解导致喷发现象
图 7 实验中发现的两种新现象
 
 (a) 地层中管道随水合物分解的变形 (b) 水合物分解区周围的极限影响区
图 8 水合物分解引起管道和地层破坏的数值模拟结果

水合物沉积物中热传导的理论分析和喷发及分层破坏的临界条件

    与常规的热传导不同,水合物沉积物中的热传导伴随着水合物相变、水的汽化等过程,这样就在沉积物中形成不同性质和组分的区域。于是根据混合物理论,建立了简便且符合实际的数学模型:
利用该方程进行的分析表明,随着水合物的分解,由于各相态的潜热不同,水合物沉积物可以分成四个区间:(1)水蒸气、四氢呋喃气体、土骨架;(2)四氢呋喃气体、液态水、土骨架;(3)四氢呋喃液体、液态水、土骨架;水合物未分解区域:(4)四氢呋喃水合物、土骨架如图9。在个相态界面处存在温度梯度(图10a),各相态的阵面内波速度不一样。相阵面的理论分析结果与实验结果吻合较好(图10b)。 在实验观察和力学极限破坏分析方法基础上,提出了水合物分解导致地层喷发和分层破坏的临界条件。

喷发临界条件:

分层临界条件:
 

图9 分解与未分解区域划分
(a) 温度梯度 (b) 计算结果与实验结果对比
图10 水合物沉积物中温度分布特征