二氧化碳置换法开采天然气水合物过程中储层出砂机制研究

In China, the natural gas hydrate resources have been found to be mainly concentrated in the non diagenetic reservoir. After the complete dissociation of hydrate, the cementation of the sediments is poor. Sand production is easy to occur in the process of exploitation. It is difficult to prevent and control sand production because of the tiny sediment particle which size is only about 10 μm. Carbon dioxide replacement method is to inject carbon dioxide into hydrate reservoir to replace natural gas, meanwhile, it can not only permanently seal the carbon dioxide underground, but also the carbon dioxide hydrate produced after the replacement can maintain the mechanical stability of the reservoir to a certain extent. So it is an effective way to solve the problem of sand production. At present, the research on carbon dioxide replacement is mainly focused on the dynamic mechanism of replacement and how to improve the replacement efficiency, but there is a lack of research on the mechanical properties and sand production risk during the process of replacement. Therefore, this study intends to study the effect of carbon dioxide replacement on the mechanical properties of gas hydrate reservoir by laboratory experiments. And the thermal-fluid-solid coupling model considering replacement phase change was established to analyze the deformation and failure law of hydrate reservoir in the process of carbon dioxide replacement. The purpose of this paper is to reveal the mechanism of the method to stabilize the reservoir and reduce sand production in the process of gas hydrate exploitation with exploring the characteristics of hydrate reservoirs and carbon dioxide injection conditions suitable for carbon dioxide replacement.

我国已发现的天然气水合物资源主要集中在未成岩储层，沉积物胶结作用差，开采过程中易出砂，且沉积物粒径中值仅10μm左右，出砂后很难防控。二氧化碳置换法开釆天然气水合物是解决出砂问题的有效方法，该方法是将二氧化碳注入水合物储层置换出天然气，在获得天然气的同时，不但能将二氧化碳永久的封存在地下，置换后生成的二氧化碳水合物仍能在一定程度上保持储层的力学稳定性。现阶段关于二氧化碳置换法的研究主要集中在置换的动力学机制和如何提高置换效率方面，对置换过程中水合物储层的力学特性和出砂风险缺乏研究。因此，本课题拟通过室内实验研究二氧化碳置换对水合物储层力学特性的影响规律和作用机制，并基于实验结果建立考虑置换相变的“热-流-固”耦合模型，分析二氧化碳置换开釆过程中水合物储层的变形破坏规律，揭示该方法在天然气水合物开采过程中稳定储层、减少出砂的力学机制，探索适合二氧化碳置换法的水合物藏特征和二氧化碳注入条件。

我国已发现的天然气水合物资源主要集中在未成岩储层，沉积物胶结作用差，开采过程中易出砂，且沉积物粒径中值在10μm左右，出砂后很难防控。二氧化碳置换法开釆天然气水合物是解决出砂问题的有效方法，该方法是将二氧化碳注入水合物储层置换出天然气，在获得天然气的同时，不但能将二氧化碳永久的封存在地下，置换后生成的二氧化碳水合物仍能在一定程度上保持储层的力学稳定性。本课题通过室内实验研究了二氧化碳置换对水合物储层力学特性的影响规律，并基于实验结果对Mohr-Coulomb强度准则和Duncan-Chang模型进行了修正，建立了考虑二氧化碳置换影响的水合物储层强度准则和非线性本构模型。在实验研究的基础上，结合多场耦合理论建立了考虑二氧化碳置换的天然气水合物储层“热-流-固”多场耦合模型，研究了二氧化碳置换开釆过程中二氧化碳水合物的生成过程和天然气水合物的分解过程，确定了置换开采过程中井周水合物储层的变形破坏规律，分析了置换开采过程中储层出砂的影响因素和作用规律。结果表明，通过二氧化碳置换在井眼周围地层生成一定范围的二氧化碳水合物区域，可以增强地层的稳定性，大大降低地层的出砂量；生产压差和二氧化碳注入地层后的二氧化碳水合物饱和度对井壁最大塑性应变影响最为显著；生产压差对单位长度井眼出砂量的影响最大；当二氧化碳水合物的生成区域位于井眼应力集中区域时，二氧化碳水合物的生成区域的延伸会极大的降低地层的出砂；当二氧化碳水合物的生产区域超出井眼应力集中区域后，二氧化碳水合物的范围进一步增加对于地层出砂的防护作用较小；在工程设计中，通过高压注入二氧化碳气体，使其在井眼周围7-10倍井眼半径的地层中生成二氧化碳水合物，相较于直接开采可以有效地维护地层的稳定性，降低出砂量。通过本课题的研究，揭示了二氧化碳置换法在天然气水合物开采过程中稳定储层、减少出砂的力学机制，对促进天然气水合物资源早日实现商业开发有积极意义。