一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法

1.本发明涉及一种天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法。


背景技术：

2.天然气水合物（ngh）因其储量巨大且污染较小被视为重要的替代能源。ngh主要赋存在深海的浅部地层和陆上永久冻土带，其储层具有胶结性差、强度低的特点。目前开采ngh的主要手段是通过人为改变ngh储层的温度和压力条件使ngh晶体分解，进而开采出天然气，包括热激发法、降压法、化学抑制剂法、co2置换法。其中co2置换法利用co2水合物和ngh中的ch4水合物的相平衡条件的差异（在特定温压条件下ch4水合物发生分解，co2水合物可以生成并稳定存在），通过向ngh储层注入co2使ch4水合物分解并采出ch4，同时生成co2水合物，将温室气体co2封存在地下，改善全球自然环境。置换开采后产生的co2水合物仍能保持储层的力学稳定性，可以很大程度地降低由于ngh分解导致的储层强度降低从而引发井壁失稳、生产出砂、储层沉降、海底滑坡等工程和地质灾害的可能性。
3.目前关于ngh储层的力学特性已经形成了初步的认识。但是在co2置换法的研究方面，现有研究主要集中在置换反应的微观机理、相平衡和提高置换效率等方面。相较于地质和工程的力学安全性，大多数研究者似乎对置换开采法的可行性和经济效益更感兴趣。事实上，水合物储层的力学稳定性是制约使用co2置换法对天然气水合物这一清洁能源进行商业开采的重要因素，而目前对于这一重要议题的针对性研究相当缺乏。具体表现为对于co2置换过程中ngh储层的力学特性变化规律研究较少且置换影响下的储层强度准则还未建立。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法，建立的考虑开采影响的水合物地层强度准则对于co2置换影响下的天然气水合物储层具有较好的适用性，可为后续的理论研究及工程设计提供帮助。
5.本发明提到的一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其技术方案是包括以下步骤：步骤1：对人工制备的含甲烷水合物沉积物试样进行co2置换实验，并对置换前后的试样进行三轴力学实验，确定其包括破坏强度在内的各项力学参数；步骤2：基于m-c强度准则，根据三轴力学实验结果绘制应力莫尔圆，得到试样的内聚力和内摩擦角；步骤3：利用初始水合物饱和度、置换率参数对内聚力和内摩擦角进行修正，根据实验结果拟合得到修正系数；步骤4：将建立的考虑co2置换影响下的强度准则计算曲线与实验结果进行对比，验证所建立强度准则的准确性。
6.优选的，上述m-c强度准则的表达式如下：
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（1）式中，和分别表示剪切破坏面上的剪应力和正应力，mpa；为内聚力，mpa；为内摩擦角，
°
；所述试样的内聚力和内摩擦角由不同有效围压下应力莫尔圆的强度包络线确定。
7.优选的，上述置换率的定义式如下：
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（2）式中，为置换率；为初始ch4物质的量，mol；为置换后剩余ch4物质的量，mol。
8.优选的，上述内聚力是初始水合物饱和度和置换率的函数，表达式为
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（3）式中，、、、为修正系数，根据不同实验条件下试样的内聚力拟合获得。将式（3）代入式（1）得到考虑co2置换影响的天然气水合物储层强度准则为：
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（4）式（4）可简写为如下形式
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（5）其中式中，表示内聚力，mpa，与初始水合物饱和度和置换率有关。
9.优选的，上述人工制备的含甲烷水合物沉积物试样根据实际天然气水合物储层的矿物组成和粒径分布进行制备。
10.优选的，上述co2置换实验的温度和压力条件须满足使ch4水合物分解、co2水合物稳定存在。
11.优选的，上述步骤4的验证方法采用：方法1：基于实验结果，根据式（4）可以得到不同置换率和初始水合物饱和度下试样的强度包络线，再根据有效围压绘制对应的与强度包络线相切的应力莫尔圆，从而得到建立的强度准则预测的试样破坏强度。
12.优选的，上述步骤4的验证方法采用：
方法2：式（1）用最大有效主应力和最小有效主应力表示为：（6）将式（3）代入式（6）可得：
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（7）根据式（7）计算出破坏强度的值。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：本发明将co2置换和三轴力学实验相结合，利用初始水合物饱和度和置换率对m-c强度准则的内聚力和内摩擦角进行修正，建立了一个考虑co2置换影响下天然气水合物储层的强度准则，并为本构模型的建立奠定基础；修正后的m-c强度准则可为后续的理论研究及工程设计提供帮助，也为天然气水合物这一清洁能源的安全开采（包括地质结构和生产平台结构的稳定性）提供理论支撑。
附图说明
14.图1是本发明的水合物储层强度准则建立方法的流程图；图2是低温水合物三轴力学实验系统示意图；图3是初始水合物饱和度13%的含ch4水合物沉积物试样在不同置换率和有效围压下破坏强度的实验结果与计算曲线对比图；图4是初始水合物饱和度25%的含ch4水合物沉积物试样在不同置换率和有效围压下破坏强度的实验结果与计算曲线对比图；图5是初始水合物饱和度38%的含ch4水合物沉积物试样在不同置换率和有效围压下破坏强度的实验结果与计算曲线对比图；上图中：围压泵1、充油泵2、液压油箱3、阀门4、四通5、减压阀6、压力表7、 ch4气瓶8、 co2气瓶9、 n2气瓶10、控制与数据采集系统11、轴压系统12、 naoh溶液13、量筒14、压力室15、压头16、沉积物试样17、变形传感器18、底座19、放空管线20、三通21。
具体实施方式
15.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
16.实施例1，如图1所示，本发明提到的一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法，包括以下步骤：步骤1：进行初始水合物饱和度13%、25%、38%的含ch4水合物沉积物试样和初始水合物饱和度13%、25%、38%的含co2水合物沉积物试样在有效围压p
ce
=1 mpa、2 mpa、3 mpa下的常规三轴压缩实验（）。以及初始水合物饱和度13%、25%、38%的含ch4水合物沉积物试样在置换时间分别为6 h、12 h、20 h的条件下，有效围压1 mpa、2 mpa、3 mpa下的常规三轴压缩实验；
所述co2置换实验和三轴力学实验主要采用如图2所示的低温水合物三轴力学实验系统进行。该系统包括围压泵1、充油泵2、液压油箱3、阀门4、四通5、减压阀6、压力表7、 ch4气瓶8、 co2气瓶9、 n2气瓶10、控制与数据采集系统11、轴压系统12、 naoh溶液13、量筒14、压力室15、压头16、沉积物试样17、变形传感器18、底座19、放空管线20、三通21，形成了注气系统、轴压系统、围压系统、控制系统、气体收集系统等主要子系统，可实现水合物的原位生成、ch
4-co2置换实验及含水合物沉积物试样三轴压缩实验。
17.所述三轴压缩实验设置加载速率均为0.25 mm
·
min-1
。
18.所述人工制备的含甲烷水合物沉积物试样选择南中国海北部xx区域天然气水合物藏为研究对象, 其沉积物主要由粘土和粉砂组成，沉积物的主要粒度分布在0.221-174.55 μm之间，中值粒径范围为8-16 μm。为了模拟目标天然气水合物储层，本实施例中含水合物沉积物试样骨架选用不同粒径石英砂颗粒和高岭土混合压制而成。所述人工制备的含甲烷水合物沉积物试样尺寸为φ50
×
100 mm。
19.所述水合物原位生成采用“过量气”法进行，即根据要求的初始水合物饱和度计算出需要孔隙水的质量，然后在水合物生成的温压条件下，通过通入过量气体使所有孔隙水生成水合物。
20.所述co2置换实验的温度和压力条件须满足使ch4水合物分解、co2水合物稳定存在。基于此，本实施例中选择在温度为278 k，压力为3 mpa的条件下进行co2置换实验。
21.步骤2：基于m-c强度准则，根据三轴力学实验结果绘制应力莫尔圆，得到试样的内聚力和内摩擦角；所述m-c强度准则的表达式如下：
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（1）式中，和分别表示剪切破坏面上的剪应力和正应力，mpa；为内聚力，mpa；为内摩擦角，
°
；所述试样的内聚力和内摩擦角由不同有效围压下应力莫尔圆的强度包络线确定。
22.和分别对应于本实施例中的破坏强度和有效围压；在常规三轴实验中往往规定应力-应变曲线的峰值应力为试样的破坏强度，如果没有明显峰值，则采用轴向应变15%时的应力值作为破坏强度。本实施例即采用轴向应变15%时的应力值作为试样破坏强度。
23.本实施例中随着初始水合物饱和度的增加，内聚力增加。
24.本实施例中试样的内聚力随着置换率的增加呈增加趋势，而内摩擦角的变化趋势不明显。
25.步骤3：利用初始水合物饱和度、置换率参数对内聚力和内摩擦角进行修正，根据实验结果拟合得到修正系数；所述置换率的定义式如下：
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（2）式中，为置换率；为初始ch4物质的量，mol；为置换后剩余ch4物质的量，mol。
26.由步骤2可知，水合物类型和初始饱和度对所述试样内摩擦角的影响较小且影响规律不明显，故本实施例以变化区间平均值24.05
°
作为内摩擦角参数值。
27.由步骤2可知，所述内聚力是初始水合物饱和度和置换率的函数，本实施例设其表达式为（3）式中，、、、为修正系数，根据不同实验条件下试样的内聚力拟合获得。将式（3）代入式（1）得到考虑co2置换影响的天然气水合物储层强度准则为：
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（4）式（4）可简写为如下形式
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（5）其中式中，表示内聚力，mpa，与初始水合物饱和度和置换率有关。
28.步骤4：将建立的考虑co2置换影响下的强度准则计算曲线与实验结果进行对比，验证所建立强度准则的准确性；根据本实施例实验结果拟合得到南中国海水合物储层内聚力表达式为：
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（6）所述验证方法有两种：方法1：基于实验结果，根据式（4）可以得到不同置换率和初始水合物饱和度下试样的强度包络线。式（6）在本实施例中有以下形式：
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（7）再根据有效围压绘制与式（7）代表的强度包络线相切的应力莫尔圆，从而得到本实施例建立的强度准则预测的试样破坏强度。
29.方法2：式（1）用最大有效主应力和最小有效主应力表示为：
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（8）将式（3）代入式（8）可得：
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（9）式（9）在本实施例中有以下形式：（10）根据式（10）计算出破坏强度的值。
30.另外，图3是初始水合物饱和度13%的含ch4水合物沉积物试样在不同置换率和有效围压下破坏强度的实验结果与计算曲线对比图；图4是初始水合物饱和度25%的含ch4水合物沉积物试样在不同置换率和有效围压下破坏强度的实验结果与计算曲线对比图；图5是初始水合物饱和度38%的含ch4水合物沉积物试样在不同置换率和有效围压下破坏强度的实验结果与计算曲线对比图；根据上面建立的考虑co2置换影响下的强度准则的计算曲线与实验结果进行对比，验证了所建立强度准则的准确性。
31.本发明设计并实施ch
4-co2置换和三轴压缩的综合一体化实验，尽可能地减少了co2置换影响下水合物储层强度准则的建立过程中由于实验条件和实验操作带来的结果误差。基于所提出的建立方法建立的水合物储层强度准则的计算曲线与实验结果在本实施例中的拟合效果良好，相对误差在0.29%-6.18%之间；更重要的是，大多数明显偏离计算曲线的破坏强度实验结果都位于计算曲线上方，这在工程上代表着更大的安全系数；表明了修正后的m-c准则对于co2置换影响下的ngh储层具有较好的适用性，可为后续的理论研究及工程设计提供帮助。
32.以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1：对人工制备的含甲烷水合物沉积物试样进行co2置换实验，并对置换前后的试样进行三轴力学实验，确定其包括破坏强度在内的各项力学参数；步骤2：基于m-c强度准则，根据三轴力学实验结果绘制应力莫尔圆，得到试样的内聚力和内摩擦角；步骤3：利用初始水合物饱和度、置换率参数对内聚力和内摩擦角进行修正，根据实验结果拟合得到修正系数；步骤4：将建立的考虑co2置换影响下的强度准则计算曲线与实验结果进行对比，验证所建立强度准则的准确性。2.根据权利要求1所述的开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：所述m-c强度准则的表达式如下：
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（1）式中，和分别表示剪切破坏面上的剪应力和正应力，mpa；为内聚力，mpa；为内摩擦角，
°
；所述试样的内聚力和内摩擦角由不同有效围压下应力莫尔圆的强度包络线确定。3.根据权利要求2所述的开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：所述置换率的定义式如下：
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（2）式中，为置换率；为初始ch4物质的量，mol；为置换后剩余ch4物质的量，mol。4.根据权利要求3所述的开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：所述内聚力是初始水合物饱和度和置换率的函数，表达式为
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（3）式中，、、、为修正系数，根据不同实验条件下试样的内聚力拟合获得；将式（3）代入式（1）得到考虑co2置换影响的天然气水合物储层强度准则为：
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（4）式（4）可简写为如下形式
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（5）其中式中，表示内聚力，mpa，与初始水合物饱和度和置换率有关。
5.根据权利要求1所述的开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：所述人工制备的含甲烷水合物沉积物试样根据实际天然气水合物储层的矿物组成和粒径分布进行制备。6.根据权利要求1所述的开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：所述co2置换实验的温度和压力条件须满足使ch4水合物分解、co2水合物稳定存在。7.根据权利要求1所述的开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：所述步骤4的验证方法采用：方法1：基于实验结果，根据式（4）可以得到不同置换率和初始水合物饱和度下试样的强度包络线，再根据有效围压绘制对应的与强度包络线相切的应力莫尔圆，从而得到建立的强度准则预测的试样破坏强度。8.根据权利要求1所述的开采过程水合物地层强度准则的建立方法，其特征是：所述步骤4的验证方法采用：方法2：式（1）用最大有效主应力和最小有效主应力表示为：
ꢀꢀꢀꢀ
（6）将式（3）代入式（6）可得：
ꢀꢀ
（7）根据式（7）计算出破坏强度的值。

技术总结
本发明涉及一种天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法。包括以下步骤：对人工制备的含甲烷水合物沉积物试样进行CO2置换实验，并对置换前后的试样进行三轴力学实验，确定其包括破坏强度在内的各项力学参数；基于M-C强度准则，根据三轴力学实验结果绘制应力莫尔圆，得到试样的内聚力和内摩擦角；利用初始水合物饱和度、置换率参数对内聚力和内摩擦角进行修正，拟合得到修正系数；将建立的考虑CO2置换影响下的强度准则的计算曲线与实验结果进行对比，验证所建立强度准则的准确性。本发明对于CO2置换影响下的天然气水合物储层具有较好的适用性，可为后续的理论研究及工程设计提供帮助。助。助。


技术研发人员：闫传梁 陈勇 田万顷 程远方
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2022.06.21
技术公布日：2022/11/1