深海水合物分解诱发储层变形及渗透性变化耦合研究

The cementation of non-diagenetic natural gas hydrate reservoir in deep sea is very poor. Hydrate dissociation is very easy to induce reservoir deformation and permeability variation. The coupling of the two factors has a significant influence on the safety production of natural gas hydrate. Recently, there is still not a deep understanding on the coupling mechanism of reservoir deformation and permeability. This project takes the hydrate exploitation area in Shenhu district in South China Sea as the research background. Sediments from Shenhu district are used to form natural gas hydrate reservoir. A series of experiments are made to investigate the deformation properties, poromechanical properties and coupling mechanism between reservoir deformation and permeability of the synthetic hydrate reservoir. A coupling model is established with the theories of poromechanics, seepage mechanics、elasto-plastic mechanics and damage mechanics to reveal the coupling mechanism. A numerical simulation is made to predict the permeability variation during hydrate production in Shenhu district. The research will provide theoretical support for deep sea hydrate exploitation and submarine geological hazards prevention.

深海非成岩天然气水合物储层胶结性差，水合物分解极易诱发储层变形、渗透性变化，二者耦合作用是影响安全开采的关键因素。目前，对水合物分解过程中储层变形-渗透耦合机理还缺乏深刻认识。本项目以南海神狐海域水合物试采区为研究背景，通过现场取样合成水合物储层，开展室内试验探究水合物分解对储层变形特性、多孔介质力学特性以及变形-渗透耦合特性的影响；基于多孔介质力学、渗流力学、弹塑性力学及损伤力学理论，建立水合物储层变形-渗透耦合模型，揭示水合物分解过程中储层变形-渗透耦合机理；进一步通过数值模拟预测南海神狐海域水合物分解过程中储层渗透性的变化。研究成果将为深海天然气水合物的安全开采以及可能诱发的海底地质灾害防治提供理论依据。

天然气水合物资源储量高，能量密度大，是一种满足人类未来需求的高效清洁能源。目前世界各国对水合物试采进行了多次尝试，我国在南海神狐海域的两次试采工作取得了圆满成功，但是目前仍然无法实现天然气水合物的商业化开采，其中储层产气效率低是一个重要的影响因素，储层的产气效率和储层的渗透性密切相关。本项目基于一系列含水合物沉积物的CT扫描数据，通过孔隙网络建模及斯托克斯方程计算了不同CT图像数据在x、y及z三个不同方向的渗透性，分析了水合物生成、水合物不均匀分布以及不同的水合物形态对渗透性各向异性的影响。研究发现水合物生成过程更多的水合物在单一方向分布和积累，这也会导致这一方向的孔隙更加不规则，孔隙各向异性更加明显，孔隙各向异性的增加将进一步引起渗透性各向异性的增加。水合物的不均匀分布使得水合物生成前后不同方向绝对渗透性的变化也存在明显的差异，当水合物饱和度超过一定的值时，会减弱绝对渗透性各向异性。当水合物饱和度足够高时，相对渗透率各向异性也将减弱，并且水合物不均匀分布引起相对气体渗透率各向异性更显著。颗粒附着型水合物主要改变了孔隙大小，孔隙充填型水合物不仅改变了孔隙大小还改变了孔隙形状，这也导致了孔隙充填型水合物生成后的孔隙形状参数比例比颗粒附着型水合物生成后的小，较小的孔隙形状参数比例变化会导致较大的渗透性各向异性增加。孔隙充填型水合物生成引起的迂曲度增加更明显，这也导致渗透性降低大，同时也导致迂曲度比例变化更大，渗透性各向异性更高。整体而言，孔隙充填型水合物对渗透性各向异性的影响比颗粒附着型水合物大。