海域天然气水合物开采活动分析及潜在灾害防治

摘要

海域天然气水合物储量大、污染少、能量效率高，具有大规模开发潜力和广阔应用前景。因水合物储层条件的复杂性及平衡区的温压限制，海域天然气水合物开采面临诸多问题，开采不当易造成严重的地质环境灾害。本文在广泛收集文献资料的基础上，综合理论分析和数值计算多种研究方法，研究了海域天然气水合物分解作用机制、热流固耦合下不同开采因素影响规律、开采井及开采储层稳定性及潜在灾害防治研究。主要研究成果如下： (1)水合物饱和度对产气速率的影响存在最佳值，温度越高，气体压力对产气速率的影响越大；温度对达西速度影响小而对孔隙度影响大，整体渗流效应变化不显著；出口压力对达西速度影响大，压差越大有效应力变化越大，渗透率与生产压差呈反比；初始渗透率与渗流效应呈正比，孔隙应力减小而有效应力增大，孔隙度受渗透率影响变化小。 (2)开采井分支井角度增加，导致结点处破坏程度减小，井壁周围渗流效应减弱，位移主要发生在井壁外围并逐渐较小；井壁支撑力对生产井主要起保护作用；出口压力对生产井周围渗流效应影响大，压力增大压差降低，井壁破坏程度减小。 (3)水合物储层分解程度越大，安全系数降低幅度也越大，地层位移与滑坡趋势均以水合物储层为分界线呈现不同变化；埋深对安全系数影响先降低后升高，临界埋深为125m；斜坡角度影响的塑性应变发育及安全系数值与坡角角度成正相关，具有明显区域性。 (4)海域水合物开采潜在灾害分为海洋地质灾害、海洋生态环境灾害和海洋工程灾害，其全生命周期防治管理可分为开采前准备阶段、开采中控制阶段和开采后保护阶段，为实现这一目标可采用在短期内实现试采到经济化开采、中期保持一定经济化开采水平、长期形成全球水合物资源共享机制的“三步走”战略。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2.1 海域天然气水合物开采基础研究

1.2.2 海域天然气水合物分解数值模拟研究

1.2.3 海域天然气水合物开采潜在灾害防治研究

1.3主要研究内容

1.4研究方法及技术路线

2 海域天然气水合物开采分解作用机制

2.1海域天然气水合物开采状况

2.2海域天然气水合物分解基本假设

2.3海域天然气水合物分解控制方程

2.3.1 分解动力学方程

2.3.2 质量守恒方程

2.3.3 能量守恒方程

2.4热流固耦合控制方程

2.4.1 水合物开采模型简化

2.4.2 热流固三场耦合方程的推导

2.5本章小结

3 海域天然气水合物开采数值模拟研究

3.1有限元多物理场行为分析

3.2热流固开采数值模型的建立

3.3多物理场耦合计算结果分析

3.3.1 气体压力变化分析

3.3.2 温度分布变化分析

3.3.3 有效应力变化分析

3.3.4 孔隙度和渗透率变化分析

3.4不同耦合因素变化下结果分析

3.4.1 不同注热温度下的结果分析

3.4.2 不同出口压力下的结果分析

3.4.3 不同初始渗透率下的结果分析

3.5本章小结

4 海域天然气水合物开采活动影响分析

4.1开采活动生产井稳定性影响分析

4.1.1 生产井稳定性分析依据

4.1.2 分支井斜角影响分析

4.1.3 井壁支承力影响分析

4.1.4 出口压力影响分析

4.2开采活动地层稳定性影响分析

4.2.1 地层稳定性分析依据

4.2.2 水合物分解程度的影响

4.2.3 水合物储层埋深影响分析

4.2.4 地层斜坡角度影响分析

4.3本章小结

5 海域天然气水合物开采潜在灾害防治

5.1海域天然气水合物潜在灾害分类及成因

5.1.1 海洋地质灾害

5.1.2 温室气体排放

5.1.3 海洋生态灾害

5.1.4 海洋工程灾害

5.2海域天然气水合物潜在灾害防治

5.2.1 开采前准备阶段

5.2.2 开采中控制阶段

5.2.3 开采后保护阶段

5.3本章小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2个人展望

参考文献

作者简历

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