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海洋天然氣水合物開采儲層滲流基礎 版權信息
- ISBN：9787030737113
- 條形碼：9787030737113 ; 978-7-03-073711-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
海洋天然氣水合物開采儲層滲流基礎 內容簡介
本書聚焦海洋天然氣水合物開采面臨的儲層滲流核心科學問題和關鍵技術，首先在充分總結國際上海洋天然氣水合物儲層滲流研究進展的基礎上，提出海洋天然氣水合物儲層微觀結構探測與表征技術，揭示微孔結構演化特征；然后針對海洋天然氣水合物儲層單相滲流與多相滲流問題，綜合運用實驗模擬和數值模擬等手段，進行單相滲流與多相滲流特性研究，構建了適應性良好的滲透率預測模型；接下來介紹了分形理論在海洋天然氣水合物開采儲層滲流特性研究中的應用成果，梳理了儲層滲流參數的原位測量技術與研究現狀；*后對海洋天然氣水合物開采儲層滲流研究方向進行了展望，為實現海洋天然氣水合物產業化提供科學依據和技術支撐。
海洋天然氣水合物開采儲層滲流基礎 目錄
目錄
叢書序一
叢書序二
叢書前言
前言
**章緒論1
**節滲流研究內容及其重要意義1
第二節滲流基本概念與基本定律3
第三節海洋天然氣水合物開采儲層滲流研究進展12
參考文獻18
第二章海洋天然氣水合物儲層微觀結構及其探測表征24
**節天然氣水合物賦存類型和賦存形態24
第二節微觀孔隙結構探測技術33
第三節微觀孔隙結構量化表征技術50
第四節微觀孔隙結構特征演化規律57
參考文獻64
第三章海洋天然氣水合物開采儲層單相滲流研究69
**節單相流體滲流滲透率測量方法69
第二節單相流體滲流滲透率預測75
第三節單相流體滲流規律101
參考文獻109
第四章海洋天然氣水合物開采儲層多相滲流研究115
**節多相滲流的基本知識115
第二節水、氣兩相滲流模擬實驗研究118
第三節水、氣兩相滲流數值模擬研究128
第四節水、氣兩相滲流相對滲透率模型145
參考文獻148
第五章海洋天然氣水合物開采儲層滲流分形研究152
**節分形基本概念152
第二節多孔介質滲流分形基礎157
第三節含天然氣水合物沉積物有效孔隙分形理論165
第四節分形理論相結合的關鍵路徑分析方法199
參考文獻203第六章海洋天然氣水合物儲層滲流原位測量與分析207
**節海洋天然氣水合物儲層試井技術207
第二節核磁共振測井技術216
第三節保壓巖心測量技術221
第四節滲流原位測量實例與結果分析227
參考文獻237
附錄多孔介質中天然氣水合物成核生長模擬軟件PMHyGrowth源代碼242
叢書序一
叢書序二
叢書前言
前言
**章緒論1
**節滲流研究內容及其重要意義1
第二節滲流基本概念與基本定律3
第三節海洋天然氣水合物開采儲層滲流研究進展12
參考文獻18
第二章海洋天然氣水合物儲層微觀結構及其探測表征24
**節天然氣水合物賦存類型和賦存形態24
第二節微觀孔隙結構探測技術33
第三節微觀孔隙結構量化表征技術50
第四節微觀孔隙結構特征演化規律57
參考文獻64
第三章海洋天然氣水合物開采儲層單相滲流研究69
**節單相流體滲流滲透率測量方法69
第二節單相流體滲流滲透率預測75
第三節單相流體滲流規律101
參考文獻109
第四章海洋天然氣水合物開采儲層多相滲流研究115
**節多相滲流的基本知識115
第二節水、氣兩相滲流模擬實驗研究118
第三節水、氣兩相滲流數值模擬研究128
第四節水、氣兩相滲流相對滲透率模型145
參考文獻148
第五章海洋天然氣水合物開采儲層滲流分形研究152
**節分形基本概念152
第二節多孔介質滲流分形基礎157
第三節含天然氣水合物沉積物有效孔隙分形理論165
第四節分形理論相結合的關鍵路徑分析方法199
參考文獻203第六章海洋天然氣水合物儲層滲流原位測量與分析207
**節海洋天然氣水合物儲層試井技術207
第二節核磁共振測井技術216
第三節保壓巖心測量技術221
第四節滲流原位測量實例與結果分析227
參考文獻237
附錄多孔介質中天然氣水合物成核生長模擬軟件PMHyGrowth源代碼242
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海洋天然氣水合物開采儲層滲流基礎 節選
**章緒論 海洋天然氣水合物開采過程涉及多種相互作用的物理效應，既存在單相流體滲流的情況，又存在多相流體滲流的情況，均在很大程度上受儲層微觀結構的控制。滲透率是刻畫滲流過程的關鍵參數，是目前評價天然氣水合物開采潛力的重要指標之一。因此，開展宏微觀相結合的海洋天然氣水合物開采儲層滲流基礎研究，發展相關的室內與原位測量技術，揭示滲透率演化規律及其主控因素，對于海洋天然氣水合物開采基礎理論創新與技術方法進步具有重要的意義。 本章首先概述了滲流研究內容及其重要意義，然后介紹了海洋天然氣水合物開采儲層滲流的基本概念與基本定律，*后重點梳理了領域內模擬實驗、理論分析和數值模擬的研究進展及原位測量的分析現狀。 **節滲流研究內容及其重要意義 一、滲流與滲流力學 滲流是指氣體和液體等流體通過多孔介質的流動。多孔介質是指含有孔隙和微裂隙等各種類型毛細管體系的固相介質，其中固相部分被稱為固體骨架，而未被固相占據的部分被稱為孔隙，孔隙內既可以是氣體，也可以是液體，還可以是兩者混合的流體。多孔介質的孔隙空間應有一部分或大部分是相互連通的，可供流體流動，這部分孔隙空間對于滲流而言是有效的，通常被稱為有效孔隙空間；而不連通的或雖然連通但無法流動的孔隙空間對于滲流而言是無效的，通常被稱為無效孔隙空間，在某些情況下可視為多孔介質固體骨架的一部分。 滲流現象普遍存在于自然的和人造的多孔介質材料中，如自然界中地下巖土材料內淡水、鹽水、熱水、石油、天然氣和煤層氣等流體的滲流，動物臟器管道系統內血液和氣體等流體的滲流，以及植物根、莖、葉等系統內水分和氣體等流體的滲流。人造陶瓷、磚塊、砂模、混凝土、填充床和纖維等材料內部的孔隙也時常發生滲流。滲流通常存在以下四個特點：①多孔介質單位體積孔隙的表面積比較大，表面作用明顯，任何時候都必須考慮黏性作用；②在地下水滲流和油氣藏開發滲流中往往壓力較大，因而通常要考慮流體的壓縮性；③孔道形狀復雜、阻力大、毛細管壓力作用較普遍，有時還要考慮分子力；④往往伴隨有復雜的物理化學過程。 滲流力學是研究流體在多孔介質中如何運動的科學，它是流體力學的一個重要分支。流體力學主要用于研究流體本身在各種力作用下的靜止與運動性質，以及流體在其與固體界壁之間存在相對運動時的流動規律，它與多孔介質理論、表面物理學、物理化學以及生物學等學科交叉融合之后形成了滲流力學。滲流力學通常以法國工程師達西在1856年總結出的水通過均勻砂層的線性滲流方程，即達西定律為誕生標志。俄國的力學家尼古拉 葉戈羅維奇 茹科夫斯基在1889年推導出了滲流微分方程，發現滲流在數學上與熱傳導有相似的性質。20世紀石油工業的崛起在很大程度上推動了滲流力學的發展。隨著高性能計算機的出現以及計算機斷層掃描和低場核磁共振等先進技術方法應用于滲流，為多孔介質內部孔隙結構及流場狀態的無損觀測提供了前所未有的可能，又將滲流力學的發展大大推進了一步。近年來，隨著分叉、混沌以及分形等非線性理論應用于滲流以及格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann method，LBM)的建立等，滲流力學的發展進入了一個全新的階段。 滲流力學發展到今天，就其應用范圍而言，大致可劃分為地下滲流、工程滲流和生物滲流三個方面（孔祥言，2020）。地下滲流是指巖土材料和地表堆積物中流體的滲流，主要包含地下流體資源開發、地球物理滲流以及地下工程中的滲流等；工程滲流即工業滲流，是指各種人造多孔材料和工業裝置中的流體滲流，主要涉及化學工業、冶金工業、機械工業、建筑業、環保業、輕工業和食品加工業等領域，包括多相滲流、非牛頓流體滲流、物理化學滲流和非等溫滲流等；生物滲流是指動物與植物體內的流體滲流，大致可分為動物體內滲流和植物體內滲流兩部分，它是流體力學與生物學、生理學交叉滲透而發展起來的。 二、海洋天然氣水合物開采儲層滲流研究意義 天然氣水合物是天然氣分子（主要是甲烷分子）和水分子在較高的壓力和較低的溫度條件下形成的一種似冰雪籠狀的結晶化合物，它在自然界中廣泛分布于高原極地等永久凍土環境和海洋湖泊等深水儲層環境中，儲量巨大，其含碳總量與全球已知化石燃料含碳總量相當，是一種國際公認的非常規戰略能源，也是我國第173個礦種。天然氣水合物的開采方法主要包括降壓法、加熱法、注入化學試劑法、二氧化碳置換法、機械-熱采法以及幾種方法的聯合方法（張旭輝等，2014）。其中，降壓法是指降低儲層孔隙壓力至天然氣水合物相平衡壓力之下，從而使儲層內的固態天然氣水合物分解相變產生天然氣并采集的方法。大量的實驗研究、數值模擬及現場試采結果均證明降壓法及基于降壓法的改良方案是目前天然氣水合物開采的首選方法，這很可能也是實現海洋天然氣水合物產業化試采的*佳途徑，其他方法可作為降壓法的輔助增產措施或產氣穩定措施使用（吳能友等，2020）。 降壓法開采海洋天然氣水合物的過程實際上是傳熱效應、分解相變效應和儲層變形效應等多個物理效應的非等溫多相滲流過程（劉樂樂，2013）。多相滲流過程是指儲層內的天然氣和孔隙水在開采壓差作用下發生滲流，天然氣水合物微粒和細砂及黏土等礦物成分在滲流拖曳力作用下發生運移，伴隨著傳熱效應、分解相變效應和儲層變形效應等物理效應引起儲層狀態參數不斷演化的過程。其中，傳熱效應是指物質間熱量轉移的物理效應，降壓法開采天然氣水合物引起傳熱效應的主要原因是天然氣水合物分解產生天然氣和水需要吸收足夠的熱量，它是天然氣水合物能夠持續分解的關鍵；分解相變效應是指固態天然氣水合物分解、相變產生天然氣和水的效應，分解相變速率與儲層溫度和孔隙壓力等因素有關，該效應有增大孔隙中水、氣相可流動空間的作用；儲層變形效應是指儲層力學性質弱化以及有效應力增加引起的變形效應，天然氣水合物分解通常會弱化儲層的力學性質，而降壓開采持續抽排孔隙流體通常會顯著增加儲層的有效應力，該效應有減小孔隙水、氣相可流動空間的作用。在分解相變與儲層變形兩個物理效應共同作用下，儲層孔隙水、氣相可流動空間在降壓開采過程中是增大還是減小，或者說儲層滲透性在降壓開采過程中是提高還是降低還受到儲層沉積物本身粒徑級配及礦物成分等因素的控制。多相滲流過程在傳熱效應、分解相變效應及儲層變形效應等物理效應影響的同時，反過來又會對這些物理效應造成反向影響。多相滲流過程伴隨著對流傳熱，傳熱效率較單純的熱傳導有所提高；多相滲流過程很大程度上決定了孔隙水氣的抽排效率，從而影響儲層孔隙壓力的消散速率，進而影響儲層有效應力的增加效果；多相滲流過程通過影響傳熱效率和孔隙壓力消散速率，改變儲層溫度和孔隙壓力條件，從而影響天然氣水合物分解相變產生天然氣和孔隙水的效率。可見，降壓法開采海洋天然氣水合物儲層的滲流過程是交叉熱學、力學、化學等多個學科的復雜非等溫多相滲流過程。 海洋天然氣水合物儲層的多相滲流特性很大程度上反映允許天然氣和孔隙水通過的能力，通常采用滲透率進行量化表征。海洋天然氣水合物儲層的絕對滲透率與相對滲透率等是開采產能模擬與增產方案評價等研究的關鍵參數，很大程度上決定了儲層內天然氣和孔隙水的滲流過程，在熱量充足的條件下顯著影響降壓法開采天然氣水合物的產氣效率，通常被選為海洋天然氣水合物儲層可采性評價的關鍵指標（Huang et al.，2016）。降壓開采過程中海洋天然氣水合物儲層的絕對滲透率與相對滲透率等關鍵參數變化過程的物理機制及預測模型研究是天然氣水合物研究領域的熱點方向之一，也是海洋非常規地質能源開發相關滲流研究領域的重點內容之一，涉及單相流體滲流行為研究、多相流體滲流行為研究、固體微粒運移與產出規律研究等幾方面，常用的研究手段包括理論分析、實驗模擬以及數值計算等，它們相互依存、互相補充。海洋天然氣水合物開采儲層滲流特性研究對于豐富我國天然氣水合物開采基礎理論體系內涵具有重要的科學意義，對于我國海洋天然氣水合物開采技術方法進步及海洋非常規地質能源利用具有重要的工程意義，同時還能夠對天然氣水合物及地下滲流等學科的健全與發展起到積極的促進作用。 第二節滲流基本概念與基本定律 一、天然氣水合物 （一）天然氣水合物的結構特征 天然氣水合物是一種固體，它具有典型的籠狀結構，其多面體籠狀骨架呈現出空間點陣分布特征，由“主體”水分子在氫鍵作用下形成，籠狀骨架點陣之間有孔穴，氣體分子作為“客體”在范德瓦耳斯力作用下充填于這些孔穴中，水分子和氣體分子之間沒有化學計量關系。自然界中能夠形成天然氣水合物的氣體通常由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等同系物和二氧化碳、氮氣、硫化氫等其中的一種或多種成分組成，其中甲烷含量占80.0%～99.9%，以甲烷為主要氣體組分的天然氣水合物稱為甲烷水合物。 根據天然氣水合物籠狀結構特點的不同，目前已發現的天然氣水合物可劃分為Ⅰ型、Ⅱ型和H型三種結構類型。其中，Ⅰ型天然氣水合物為立方晶體結構，其客體分子基本由甲烷、乙烷兩種烴類以及二氧化碳、硫化氫等非烴類小分子構成，它在自然界中分布*為廣泛；Ⅱ型天然氣水合物為菱形晶體結構，其客體分子既可以是甲烷、乙烷烴類小分子，又可以是丙烷、丁烷烴類大分子；H型天然氣水合物為六方晶體結構，其客體分子可以是尺寸更大的烴類氣體分子，它在自然界中較為少見。關于天然氣水合物結構特征更系統的總結和更完整的描述請查閱相關專著（Sloan and Koh，2007）。不同類型的天然氣水合物結構特征實質上反映的是不同大小的水分子籠狀結構，同時也反映了氣體分子的組分構成。此外，天然氣水合物的結構類型與其氣體來源通常具有較好的對應關系。由于海底淺層沉積物中僅能產生生物成因的甲烷氣，而深層沉積物中的氣體因深部有機質裂解效應還會出現更多其他的烴類組分，因此Ⅰ型天然氣水合物往往反映了生物成因氣的起源，而Ⅱ型天然氣水合物通常反映了深部熱成因氣的來源（吳能友，2020）。 （二）天然氣水合物的生成分解 天然氣水合物的生成分解過程可用式（1.1）所述的化學式進行描述： M+NHH2O［M NHH2O］+ΔE（1.1） 式中，M為氣體分子；NH為水合指數；H2O為水分子；［M NHH2O］為天然氣水合物分子；ΔE為相變潛熱。式（1.1）中由左向右的箭頭表示天然氣水合物的生成過程，即天然氣和水在較低的溫度和較高的壓力條件下生成天然氣水合物并釋放能量；而當溫度升高或壓力降低至一定水平以后，天然氣水合物吸收足夠熱量后分解產生天然氣和水，即式（1.1）中由右向左的箭頭表示的過程。因此，天然氣水合物開采需要吸收足夠多的熱量，當天然氣水合物儲層環境供熱不足時其溫度將會降低，有可能導致天然氣水合物重新達到相平衡而停止分解，這對天然氣水合物的持續開采不利。 二、海洋天然氣水合物儲層 由于天然氣水合物僅在一些特定的溫度和壓力條件下才能保持穩定，海洋天然氣水合物儲層的基底深度和厚度主要受海底的溫度和壓力、地溫梯度、氣體成分以及海水鹽度等條件的控制。自然界中大陸邊緣海洋天然氣水合物儲層深度范圍如圖1.1所示。通常在天然氣水合物相平衡曲線與地溫梯度線的交點上確定天然氣水合物穩定帶的底界，而在天然氣水合物相平衡曲線與水溫梯度線的交點上確定天然氣水合物穩定帶的頂界，兩界之間區域的溫度和壓力條件滿足天然氣水合物相平衡條件。因為天然氣水合物的密度小于海水的密度，所以天然氣水合物能穩定存在于海床以下的沉積物中，形成天然氣水合物儲層。 圖1.1自然界中海洋天然氣水合物儲層深度分布范圍示意圖（Kvenvolden，1988） 由圖1.1可以看出，天然氣水合物儲層的深度分布范圍明顯受地溫梯度的控制，地溫梯度高則天然氣水合物穩定帶底界上移，天然氣水合物儲層相對較；地溫梯度低則天然氣水合物儲層相對較厚。如果地溫梯度保持不變，那么天然氣水合物儲層的厚度直接與上覆海水的深度有關，即水深較淺，壓力較低，天然氣水合物相平衡曲線下移，則天然氣水合物穩定帶底界上移，天然氣水合物儲層相對較薄
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