海洋天然气水合物开采井孔出砂问题数值分析研究

摘要

天然气水合物是一种重要的能源战略物资，目前的研究热点多集中在如何保证海域水合物的安全高效开采。各国实地试采工程表明，出砂问题是影响水合物产业化的关键障碍。出砂是指地层中的沉积物颗粒不受控制的从井孔产出，它不仅会堵塞采气通道，磨损钻井设备，还会引起地层破坏，引发钻井事故。故要想实现海域水合物安全有效益地开采，必须研究水合物储层出砂机理，克服出砂难题。
　　该文首先利用海域天然气水合物分解数学模型，通过TOUGH+HYDRATE模拟器求解水合物分解过程。在分析海洋水合物开采规律的基础上，明确了影响水合物分解的参数的时空演化历程，模拟结果与日本水合物实地试采结果具有相似的变化趋势，确认了水合物开采的射孔井段存在薄弱地层，并认识到水合物饱和度和地层孔隙压力可能是影响海洋水合物开采储层出砂问题的重要因素。接着，该文围绕试采工程所关注的储层周围应力状况，以射孔处地层为研究对象，建立了适用于海洋天然气水合物储层的弹性力学模型。通过引入含水合物饱和度的粘聚力模型，考查了孔隙压力、泊松比、岩石压缩性等对出砂的影响。结果表明，孔隙压力对水合物开采中井周储层的应力状态改变最大，是影响水合物储层出砂的重要因素;应力状态临界函数表明，水合物开采中井孔附近已经出现了塑性变形区域，弹性力学模型已经不能很好的反应出砂过程中的力学状态变化。
　　为了进一步明确水合物储层出砂机理，以井孔附近储层为研究对象，研究水合物开采中的塑性应力演化路径。结果表明，水合物储层井周存在塑性内部区、弹-塑性过渡区以及远井端的弹性区。储层出砂并非由弹性破坏导致，而是受近井端的塑性集中应变和地层孔隙压力过高两种机理控制。该文还对影响出砂的参数进行了分析，结果指出，水合物饱和度降低和孔隙压力过高是诱发储层出砂的重要因素。试采期间工程人员应当密切关注井周塑性区域的塑性变形以及地层孔隙压力的变化，提前调整工况，从而防止出砂问题的出现。
　　该文在建立水合物储层力学模型的基础上，分析了出砂机理以及影响出砂的相关因素，给出了试采工程的一些建议，为后期建立多场耦合的出砂数学模型提供了参考。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及选题依据

1．2 国内外研究现状

1．2．1 各国试采工程对比

1．2．2 海域天然气水合物的储层结构

1．2．3 海域天然气水合物出砂实验研究

1．2．4 海域天然气水合物出砂数值模拟研究

1．2．5 存在的问题

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 论文主要创新点

第2章 海域天然气水合物分解的时空演化特征

2．1 数学模型的建立

2．1．1 水合物分解动力学模型

2．1．2 水合物分解中的传质传热刻画

2．1．3 水合物分解中的源汇项

2．1．4 水合物分解中的质量与能量守恒方程

2．2 地质模型与井身结构

2．3 网格离散化及参数初始化

2．4 水合物分解的时空演化特征

2．4．1 水合物分解的时间演化特征

2．4．2 水合物分解的空间演化特征

2．5 本章小结

第3章 天然气水合物开采井周储层的弹性应力演化

3．1 天然气水合物储层渗透率模型

3．1．1 Kozeny-Carman颗粒模型

3．1．2 包裹模式渗透率模型

3．1．3 充填模式渗透率模型

3．1．4 相对渗透事模型

3．1．5 东京大学模型

3．2 物理模型与地质参数

3．3 海域水合物试采井厨弹性区域的应力状态描述

3．3．1 水合物储层井周应力平衡微分方程

3．3．2 水合物储层井周应变Cauchy方程

3．3．3 水合物储层的本构方程

3．3．4 考虑流体压力项的水合物储层井周弹性区应力状态描述

3．4 水合物储层弹性应力解的参数敏感性分析

3．4．1 泊松比对水合物储层应力状态的影响

3．4．2 初始孔隙压力对水合物储层应力状态的影响

3．4．3 Biot系数对水合物储层应力状态的影响

3．5 水合物储层井周弹性区应力状态稳定性检验

3．6 本章小结

第4章 天然气水合物开采井周储层的塑性应力演化

4．1 海域水合物试采井周塑性区域的应力状态描述

4．1．1 水合物储层井周塑性变形方程

4．1．2 水合物储层井周塑性区应力状态的描述

4．1．3 井周塑性区域内部应力状态的确认

4．2 井周弹塑性边界的确定

4．3 水合物储层塑性应力解的参数敏感性分析

4．3．1 水合物饱和度对塑性区应力状态的影响

4．3．2 孔隙压力对塑性区应力状态的影响

4．3．3 泊松比对塑性区应力状态的影响

4．4 本章小结

第5章 天然气水合物开采应力演化与出砂问题分析

第6章 结论与建议

参考文献

作者简历