一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法


[0001]本专利技术涉及一种天然气水合物开采
，特别涉及一种开采过程水合物地层强度准则的建立方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术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
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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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果具体如下：本专利技术将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
[0014]图1是本专利技术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
[0015]以下结合附图对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0016]实施例1，如图1所示，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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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【专利技术属性】
技术研发人员：闫传梁，陈勇，田万顷，程远方，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：