深海水合物钻采井壁安全多场耦合机理研究

Gas hydrate (combustible ice) is a clean and efficient future alternative energy source. However, the particularity of the occurrence and coupled environment conditions of gas hydrate makes the drilling risks and analyzing difficulties much greater than that of traditional energy sources. In order to improve the scale exploitation of deep-sea natural gas hydrate in our country, this project focuses on the basic problems in safety exploitation: the stability of wellbore in the drilling and exploiting process. Firstly, based on the wellbore simplified steady state model, the multi-field coupling analytical/semi-analytical solutions are attempted to be derived through rigorous mathematics and mechanical derivation. Therefore, the mechanical mechanism of instability of wellbore and the core controlling factors can be discussed from basic mechanical point of view. This is also the first expansion of multi-field coupling analytical theory in the wellbore safety analysis in new type mineral exploitation. By combining discrete element method with other numerical methods, the failure modes and macro-micro failure mechanism of single/group wells under difference occurrence of hydrate are revealed, and the reservoir reform efficiency and optimization of well arrangement are studied. This is the frontier application of discrete element method in analysis of large-scale engineering problem and multi-field analysis of methane hydtate exploitation. This project attempts to explore the mechanical mechanism and failure modes of the instability in deep-sea hydrate drilling which are different from that of the traditional shaft, to conduct some preliminary theoretical studies in order to realize the large-scale exploitation of hydrate in the South China Sea and to enrich the basic theory of deep-sea drilling and multi-field coupling analysis method at the same time.

天然气水合物（可燃冰）是一种清洁、高效的未来替代能源，但赋存形式与环境的特殊性使其开采风险与分析难度远大于传统能源。为提高我国深海天然气水合物规模化开发能力，本项目围绕安全开发中的基础问题：开采井在钻井与开采过程中井壁安全，首先着眼于井筒简化稳定状态模型，基于严格数学、力学推导尝试给出多场耦合解析/半解析解答，从基础理论层面进行失稳模式与核心控制因素力学机理探讨，是多场耦合解析理论在新型矿藏井壁安全分析中的初次拓展。然后通过离散元与其他数值方法的分区/分场耦合，揭示水合物复杂赋存环境下单/群井井壁破坏过程和宏微观破坏机理，研究储层改造效率和布井优化问题，是离散元在水合物安全开采工程尺度模拟与多场问题分析中的前沿应用。本项目试图探求深海水合物钻采中异于传统井筒失稳力学机理与破坏模式，为实现我国南海水合物规模化开采进行部分前期基础理论研究，同时丰富深海钻井基础理论和多场耦合分析方法。

项目聚焦我国南海水合物开发工程中的基础科学问题，以揭示深海水合物井壁稳定性力学机理与土体破坏的宏微观模式为目的，对钻井和开采过程井壁稳定判定的简化多场耦合解析/半解析分析方法和解答及力学机理、深海能源土力学特性宏微观关联及离散元与其他方法的分区分场耦合方法、水合物储层钻采井壁失稳的破坏模式与机理及开采优化分析等内容开展研究。（1）提出钻井阶段多场耦合井壁稳定评价的系列解析模型：考虑水合物分解饱和度变化对物理、力学参数的影响、稳态渗流和温度场影响下的弹性井壁稳定解答；考虑水合物分解产水吸热的非稳态渗流、温度场影响的弹塑性井壁稳定解答；考虑深海能源土流变特性、非稳态渗流和温度场、时间相关水合物分解锋面影响的黏弹性、黏弹塑性井壁稳定解答；采用Coussy提出的温度-渗流-力场耦合模型，考虑水合物分解、热传导、力场-渗流场全耦合作用的井壁稳定弹塑性非稳态解析模型。（2）研发针对开采阶段强多场耦合问题的半解析和两阶段法。采用时间离散的半解析迭代算法，建立了“渗流压力-温度-水合物相变-力场”顺序耦合的井壁稳定半解析模型，实现高效率多场全耦合分析；提出了改进的两阶段方法，实现滑坡冲击下开采井的横向位移响应分析。（3）建立深海能源土力学特性宏微观关联及多尺度本构模型。采用细观力学方法获得胶结和骨架承力型能源土的宏观弹性和强度特性与颗粒微观参数间的显式定量关联，为明晰水合物对土性影响机理提供方法；基于微结构损伤演化理论，提出能源土弹塑性损伤多尺度本构模型和应力依赖性的孔隙率和渗透率模型，用以预测不同水合物赋存方式能源土的微观结构、物理特征和力学行为在开采扰动下的变化规律。（4）多数值精细化数值分析框架的构建。利用离散元软件PFC（力场）和水合物工程分析软件TOUGH+ HYDRATE（其他场）优势，构建了水合物开采多场耦合分析框架T+H+PFC。（5）基于解析/半解析及数值模型，获得钻采过程井壁失稳的特殊破坏模式与机理，对最佳钻井液压力和开采方式进行讨论，确定了井壁稳定关键影响因素；进行了基于解析解的井壁失稳风险评估。本项目研究为水合物开采的井壁失稳预测提供了理论模型，同时拓展了解析理论在多场耦合岩土工程中的应用与发展。