空化射流破碎天然气水合物矿体机理研究

Natural gas hydrate (NGH) is a strategic prior resource for the global energy development in the 21th century. Over 90% of NGH in south China sea exists in non-diagenetic silty argillaceous reservoirs. The first step of utilizing NGH by fluidization exploitation process is to efficiently break the ore body. Cavitation jet can result in positive effects such as instantaneous minus pressure, hydraulic pulse and cavitation erosion et al. at the wellbore bottom, which greatly help to break the rocks. On this basis, present research brings about a new idea of using cavitation jet to crush NGH ore: high-pressure water jet flushes at the ore while the cavitation erosion aggravates material collapse. The combination of these two effects can hopefully lead to efficient breaking of NGH ore. Research plan includes: the synthesis of NGH ore and its in situ triaxial mechanical test, aimed at revealing the mechanical property of ore under varying NGH saturation; based on the characteristic of cavitation jet flow flied, the dynamic damage and breaking process of NGH ore by cavitation jet under low-termperature high-ambient-pressure condition are investigated both experimentally and numerically, aimed at illustrating the action mechanism of jet and cavitation bubbles; and the experimental determination of threshold pressure for various ore by cavitation jet, aimed at figuring out the effects of jet parameters and ore properties on the breaking efficiency. The purpose of this research is to uncover the crushing mechanism of NGH ore under the synergistic effect of jet flush and cavitation erosion, determining the feasibility of decreasing mining energy consumption by the use of cavitation jet and establishing foundation to fluidization exploitation process for deepwater superficial layer NGH.

天然气水合物是21世纪全球能源发展的战略制高点。我国南海90%以上的天然气水合物存在于粉砂泥质非成岩储层中，以固态流化这种前沿新方法开采天然气水合物资源的首要环节是将其粉碎细化。课题提出利用空化射流破碎天然气水合物矿体的新思路，其关键科学问题在于高压射流冲击-空化空蚀耦合作用下天然气水合物矿体单元的力学响应机制。具体开展：天然气水合物矿体的合成及真三轴力学测试，获得不同水合物饱和度下矿体的力学参数；基于空化射流流场特征，实验和数值模拟研究空化射流作用下水合物矿体的动态损伤破碎过程，揭示射流冲击和空化空蚀的作用机制；实验研究低温高围压条件下，空化射流破碎不同矿体的门限压力，阐明射流参数和矿体物性对破碎效率的影响规律。预期可揭示射流冲击与空化空蚀耦合作用下天然气水合物矿体的高效破碎机理，研究成果可望为深水浅层天然气水合物固态流化开采技术奠定基础。

水力喷射钻径向水平井可以增大水合物分解阵面进而提高产能，水力喷射也是固态流化法开采天然气水合物资源的关键技术之一。本项目提出了空化射流破碎天然气水合物矿体的思路，围绕两个关键科学问题，以南海泥质粉砂非成岩水合物沉积物为对象，系统研究了天然气水合物力学特性表征、空化射流作用下矿体损伤破碎机理、空化射流冲蚀效率与参数优化等，取得三方面认识：.（1）实验揭示不同饱和度、围压及温度条件下水合物矿体的变形破坏规律，结果表明水合物矿体的起始屈服应变随饱和度的增大而增大，受围压影响较小，而起始屈服强度随饱和度及围压的增大而增大；水合物矿体的抗剪强度在小围压时与围压正相关，在较大围压时与围压负相关；水合物矿体的黏聚力随着温度的升高而降低，说明水合物能够增大骨架颗粒间的胶结作用和沉积物强度。.（2）建立空泡在射流场中的运动模型，分析空泡溃灭过程中温度与压力的变化规律，阐明空化破坏效应取决于第一次溃灭产生的能量；基于分子模拟低时间尺度特征，开展了空泡溃灭时间尺度的天然气水合物矿体的空蚀破坏规律研究，发现了空蚀效应对天然气水合物的分解具有显著的加速作用；探究喷嘴结构对射流空化效应的影响规律，发现扩散段和旋转叶轮的存在均能提升射流空化初生能力和空蚀性能，旋转叶轮中心孔提升了射流对空泡的运移能力，增大了空蚀效应的作用范围。.（3）建立淹没围压环境下射流冲蚀水合物矿体数值模型，探究射流水力参数对矿体破碎过程的影响规律，测定沉积物临界破碎速度25-50m/s；开展锥直型射流、收缩-扩张型射流、旋转型射流及直旋混合型射流冲蚀天然气水合物矿体对比实验，发现扩散段与旋转叶轮结构均能提升射流的冲蚀效率，验证了空化效应对增强冲蚀效果具有辅助作用，为提高天然气水合物储层钻进效率、降低采掘能耗提供理论基础。.研究成果在《Energy》、《Energy Reports》、《中南大学学报（自然科学版）》等行业主流期刊和国际学术会议发表论文9篇，授权国家发明专利1件。