CO2改造水合物藏海底邊坡穩(wěn)定性研究

閆傳梁，陳勇，任旭，程遠(yuǎn)方，李陽(yáng)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島，266580；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島，266580)

天然氣水合物廣泛分布在陸上凍土帶和海底的淺部地層[1-2]。目前開采天然氣水合物的基本思路是改變天然氣水合物藏的溫壓環(huán)境促使天然氣水合物分解[3-4]。由于水合物藏膠結(jié)松散、力學(xué)強(qiáng)度低，且大多未發(fā)育出完全封閉的蓋層，在開采過(guò)程中，水合物的分解容易引發(fā)天然氣泄漏、儲(chǔ)層沉降和海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[5]，這制約了水合物的安全開發(fā)。因此，對(duì)水合物藏進(jìn)行改造“加固”是保證水合物開采安全的一項(xiàng)重要措施。由于CO2水合物的力學(xué)穩(wěn)定性以及熱力學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于相同條件下的CH4水合物，可以使用CO2對(duì)天然氣水合物藏進(jìn)行改造，對(duì)上覆蓋層或下伏地層進(jìn)行孔隙封堵與力學(xué)加固，同時(shí)也將溫室氣體CO2封存在地下[6]。將天然氣水合物這一清潔能源的開采與“碳達(dá)峰、碳中和”這一雙碳目標(biāo)結(jié)合起來(lái)，符合人類對(duì)低碳發(fā)展的愿景。

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天然氣水合物儲(chǔ)層的力學(xué)特性是評(píng)價(jià)水合物開采過(guò)程中地層穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。目前天然氣水合物儲(chǔ)層的力學(xué)性能研究主要是測(cè)試人工制備的含天然氣水合物試樣[7]。根據(jù)MASUI等[8]對(duì)日本南海海槽天然氣水合物地層巖心和人工合成的天然氣水合物試樣的力學(xué)測(cè)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)人造試樣的粒徑分布與天然巖心的粒徑分布接近時(shí)，二者的力學(xué)特性相似；張旭輝等[9]在三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)圍壓、沉積物顆粒粒徑等會(huì)影響含天然氣水合物試樣的力學(xué)特性，其破壞形式為塑性破壞；LIU 等[10]對(duì)CO2水合物試樣進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究了不同溫度和圍壓下CO2水合物試樣的力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)CO2水合物試樣強(qiáng)度大于天然氣水合物試樣的強(qiáng)度；沈治濤[11]利用低溫高壓水合物三軸實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同飽和度CO2水合物和天然氣水合物混合制成的試樣進(jìn)行壓縮和剪切實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著CO2水合物飽和度增大，巖樣的強(qiáng)度增大，但內(nèi)聚力變化不大。現(xiàn)有CO2水合物地層力學(xué)特性研究主要集中在凍土層，針對(duì)南海水合物儲(chǔ)層特征的研究較少，缺乏對(duì)南海水合物藏使用CO2改造后地層力學(xué)特性的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

海底斜坡地層中含有天然氣水合物儲(chǔ)層時(shí)，天然氣水合物的分解會(huì)降低地層強(qiáng)度，可能引起邊坡失穩(wěn)。當(dāng)分解范圍很大時(shí)，可能引起大規(guī)模的海底滑坡[12-13]。含天然氣水合物的海底斜坡穩(wěn)定性受邊坡自身角度和天然氣水合物分解程度等共同影響[14-15]。在天然氣水合物儲(chǔ)層的蓋層中注入CO2氣體，將蓋層改造成CO2水合物的改造層，然后再進(jìn)行降壓開采。由于改造后的蓋層強(qiáng)度比周圍地層的強(qiáng)度更大，可以充當(dāng)頂板，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有一定加強(qiáng)作用。李楠[16]研究注CO2改造水合物藏，發(fā)現(xiàn)CO2水合物蓋層提高了采氣量和地層力學(xué)穩(wěn)定性。目前水合物開采過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定性研究主要針對(duì)降壓、注熱開采，缺乏對(duì)CO2改造后天然氣水合物藏開采過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性的研究。

本研究通過(guò)對(duì)CH4水合物和CO2水合物沉積物試樣的三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究水合物飽和度對(duì)地層力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，建立描述注CO2改造水合物藏及后續(xù)開采過(guò)程的溫度-滲流-應(yīng)力-飽和度多場(chǎng)耦合模型，結(jié)合分析邊坡穩(wěn)定性的強(qiáng)度折減法，分析注CO2改造水合物藏對(duì)后續(xù)開采過(guò)程邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 含水合物地層力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為研究CH4水合物和CO2水合物沉積物試樣的力學(xué)特性，采用低溫水合物三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)2種水合物的沉積物試樣開展三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

研究中人工巖樣骨架根據(jù)南海實(shí)際水合物儲(chǔ)層組分進(jìn)行制作。選用粒徑為4～125 μm[17]的石英砂顆粒，選用高嶺土充當(dāng)顆粒之間的膠結(jié)物。巖樣骨架制備完成后，采用原位生成的方式在反應(yīng)釜中生成水合物。為了能制成符合實(shí)驗(yàn)要求的水合物沉積物試樣，本研究通過(guò)控制巖樣中的水的質(zhì)量，并通入足量的CH4和CO2氣體，在實(shí)驗(yàn)溫壓條件下生成預(yù)設(shè)飽和度的水合物。

CH4水合物和CO2水合物生成的化學(xué)反應(yīng)式分別為[17-18]：

式中：n為水合指數(shù)。

式(1)和式(2)中的n分別取5.75 和6.00，因此，可以近似認(rèn)為相同物質(zhì)的量的水在足量的CH4和CO2氣體條件下生成水合物的物質(zhì)的量相同。換言之，當(dāng)試樣的含水量相同時(shí)，生成的CH4水合物和CO2水合物飽和度相同。制作不同水合物飽和度的試樣所需水的質(zhì)量用下式確定(以CH4水合物為例)：

式中：MW為水的質(zhì)量，g；mH2O為水相對(duì)分子質(zhì)量；SH為水合物飽和度；Vc為巖心體積，cm3；mCH4為CH4相對(duì)分子質(zhì)量；ρH為CH4水合物密度，g/cm3；φ為孔隙度。

在CH4水合物和CO2水合物飽和度分別為13%，25%和38%，圍壓分別為1，2 和3 MPa 時(shí)，開展三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.2 改造過(guò)程中地層力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)演化模型

圖1所示為CH4水合物和CO2水合物試樣彈性模量隨水合物飽和度的變化關(guān)系，其中，σ3為有效圍壓，MPa。由圖1可見：CH4水合物試樣的彈性模量整體上隨CH4水合物飽和度增加而增大(部分試驗(yàn)點(diǎn)彈性模量略有減小，可能是實(shí)驗(yàn)操作所致)。這主要是由于隨著CH4水合物飽和度增加，試樣中CH4水合物會(huì)逐漸包裹骨架顆粒，使顆粒之間的黏結(jié)力增大，限制了顆粒移動(dòng)，同時(shí)，CH4水合物對(duì)骨架也有一定支撐作用。CO2水合物試樣的彈性模量同樣隨水合物飽和度增加而增大，且在相同水合物飽和度下，CO2水合物試樣比CH4水合物試樣的彈性模量更大。

圖1 CH4水合物和CO2水合物試樣彈性模量隨水合物飽和度變化曲線Fig.1 Variation curves of elastic modulus with hydrate saturation for CH4 and CO2 hydrate samples

線性擬合CH4水合物地層彈性模量與CH4水合物飽和度及有效圍壓的關(guān)系，可以得出：

式中：EN為CH4水合物沉積物地層的彈性模量，MPa；ShN為CH4水合物的飽和度；b1為有效圍壓的函數(shù)，b1= 82.16a+42.22；a為有效圍壓，MPa。

線性擬合CO2水合物地層彈性模量與CO2水合物飽和度及有效圍壓的關(guān)系可以得出，

式中：EC為CO2水合物地層的彈性模量，MPa；ShC為CO2水合物的飽和度；b2為有效圍壓的函數(shù)b2= 100.5a+66.46。由于泊松比變化不明顯，因此，將泊松比設(shè)為常數(shù)0.3。

在常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)中，一般規(guī)定應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值為試樣的強(qiáng)度，含水合物沉積物的性質(zhì)不同于常規(guī)巖石，若應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的峰值，則人為規(guī)定軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)的軸向應(yīng)力為試樣的強(qiáng)度。圖2所示為CH4水合物和CO2水合物試樣強(qiáng)度隨水合物飽和度的變化關(guān)系。由圖2可見：隨著水合物飽和度增大，2種試樣的強(qiáng)度都逐漸增大；在相同條件下，CO2水合物試樣的強(qiáng)度明顯高于CH4水合物試樣的強(qiáng)度。

圖2 CH4水合物和CO2水合物試樣強(qiáng)度隨水合物飽和度變化關(guān)系Fig.2 Variation curves of strength with hydrate saturation for CH4 and CO2 hydrate samples

Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則是巖土力學(xué)中最為常用的強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用該準(zhǔn)則對(duì)含水合物試樣的破壞規(guī)律進(jìn)行分析，其表達(dá)式為

式中：σ1為最大有效主應(yīng)力，MPa；C為內(nèi)聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

圖3所示為2種水合物試樣內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨飽和度的變化關(guān)系，從圖3可見：CH4水合物和CO2水合物試樣的內(nèi)聚力均隨著飽和度增大而增大。這是因?yàn)閮?nèi)聚力主要表征試樣顆粒之間的膠結(jié)作用，而膠結(jié)作用隨著水合物飽和度增大而增強(qiáng)。當(dāng)水合物飽和度相同時(shí)，CO2水合物試樣的內(nèi)聚力大于CH4水合物試樣的內(nèi)聚力，這是由于CO2水合物強(qiáng)度更大，且較CH4水合物能增強(qiáng)試樣顆粒間的膠結(jié)作用；CH4水合物試樣的內(nèi)摩擦角略微大于CO2水合物試樣的內(nèi)摩擦角，但內(nèi)摩擦角與水合物飽和度間無(wú)明顯聯(lián)系規(guī)律。

圖3 內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨飽和度變化關(guān)系Fig.3 Variation curves of cohesion and internal friction angle with saturation

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，CH4水合物沉積物地層的內(nèi)聚力與飽和度的關(guān)系可表示為

式中：CN為CH4水合物沉積物地層內(nèi)聚力，MPa；ShN為CH4水合物飽和度。

CO2水合物沉積物地層內(nèi)聚力與飽和度的關(guān)系可表示為

式中：CC為CO2水合物沉積物地層的內(nèi)聚力，MPa；ShC為CO2水合物的飽和度。

2 注CO2改造水合物藏及開采過(guò)程多場(chǎng)耦合模型

注CO2對(duì)天然氣水合物藏進(jìn)行改造以及之后進(jìn)行的開采過(guò)程伴隨著地層溫度、孔隙壓力、應(yīng)力狀態(tài)、CH4水合物和CO2水合物飽和度變化的過(guò)程，其本質(zhì)是溫度場(chǎng)-滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)和飽和度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

2.1.1 傳熱方程

熱傳導(dǎo)由Fourier定律來(lái)描述：

式中：f為熱流密度，J/m2；k為熱傳導(dǎo)矩陣。θ為滿足基本邊界條件的任意變量。

傳熱過(guò)程的熱量守恒方程為[19]

式中：ρ為材料的密度，kg/m3；U˙為材料的內(nèi)能隨時(shí)間的變化速率，J/s；V為物體材料體積，m3；q為單位面積內(nèi)流入體內(nèi)的熱量，J/m2；S為物體材料表面積，m2；Sq為存在熱量流入的物體材料表面積；r為單位體積體內(nèi)產(chǎn)生的熱量，J/m3。

2.1.2 流固耦合方程

多孔介質(zhì)的有效應(yīng)力準(zhǔn)則為[20]：

式中：為有效應(yīng)力矩陣，MPa；nt為單位體積內(nèi)束縛液體的體積分?jǐn)?shù)；為固體骨架的有效應(yīng)力矩陣，MPa；為束縛液體的平均壓應(yīng)力，MPa；I為由應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)力矢量。

由虛功原理得到的地層固體骨架的應(yīng)力平衡方程為

式中：σ為總應(yīng)力矩陣，Pa；f1為體力向量，N；t為單位面積表面牽引力向量，N/m2；δv為虛速度，m/s；δε為虛應(yīng)變率矩陣；s為液相飽和度；n為液相體積與材料體積之比；ρw為液相的密度，kg/m3；g為重力加速度矢量，m/s2。

固體介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式為[21-22]：

式中：H為多孔介質(zhì)的剛度矩陣，N/m；a為熱應(yīng)變的應(yīng)力變化，MPa。

多孔介質(zhì)固體的孔隙中的流體滿足質(zhì)量守恒方程：

式中：Vw為非束縛液體體積，m3；Vt為束縛液體體積，m3；nw為非束縛液體單位體積的體積分?jǐn)?shù)。

多孔介質(zhì)固體中的流體應(yīng)滿足達(dá)西定律：

式中：qm為多孔介質(zhì)中的流體速度矢量，m3/s；ρf為流體密度，kg/m3；k1多孔介質(zhì)導(dǎo)流能力，m3；X為空間坐標(biāo)向量。

2.1.3 動(dòng)力學(xué)方程

注CO2對(duì)天然氣水合物藏進(jìn)行改造及之后進(jìn)行的開采過(guò)程中包含CH4水合物的分解和CO2水合物的生成。CH4水合物分解方程和CO2水合物生成方程分別為[18,23]：

式中：ΔH1和ΔH2分別為CH4水合物分解熱和CO2水合物生成熱，J/mol。

CH4水合物的相平衡條件如下所示[24]：

式中：T為熱力學(xué)溫度，K；Peq1為溫度為T時(shí)所對(duì)應(yīng)的CH4水合物相平衡壓力，MPa；e1和e2為分解系數(shù)。當(dāng)T＞273.15 K時(shí)，e1取31.497，e2取8 349.7。CO2水合物的相平衡條件如下所示[24]：

那一年，國(guó)內(nèi)網(wǎng)站上漢語(yǔ)詩(shī)歌寫作已經(jīng)進(jìn)入萌發(fā)期了。榕樹下、橄欖樹、蒲公英……很多詩(shī)人沒事的時(shí)候都喜歡到網(wǎng)吧去聊天、發(fā)帖子。

式中：Peq2為溫度為T時(shí)的CO2水合物相平衡壓力，MPa；e3和e4為生成系數(shù)，e3取35.3，e4取9 583.2。

CH4水合物的分解和CO2水合物的生成與許多變量有關(guān)。本研究建立了模擬CH4水合物分解和CO2水合物形成的5 組分動(dòng)力學(xué)模型，其組分為水、CH4氣體、CO2氣體、CH4水合物固體、CO2水合物固體。

CH4水合物的分解方程為[25]

CO2水合物的生成方程為[25]

式中：A為水合物的分解速率，(mol/m3)-1·kPa-1·d-1；B為水合物的形成速率，kPa-1·d-1；t為反應(yīng)時(shí)間，d；E為活化能，J/mol；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(K·mol)；ρH為水合物密度，kg/m3；φ為孔隙度；SH為水合物飽和度；Sw為液相飽和度；yi為氣相摩爾分?jǐn)?shù)；pg為氣相分壓，Pa；K為三相(水-水合物-蒸汽)平衡值。

2.2 儲(chǔ)層物性參數(shù)

CH4水合物和CO2水合物在儲(chǔ)層孔隙中以固體形式存在，此外，孔隙中還存在水、CH4和CO2流體。本研究將CH4水合物與CO2水合物固體體積、水、CH4和CO2流體體積之和與儲(chǔ)層總體積之比定義為總孔隙度。將水、CH4和CO2流體體積之和與儲(chǔ)層總體積之比定義為有效孔隙度，CO2改造水合物藏及后續(xù)開采過(guò)程中儲(chǔ)層的滲透性與CH4水合物和CO2水合物的飽和度有關(guān)[26]。

滲透率與CH4水合物和CO2水合物的飽和度關(guān)系為

式中：k為滲透率，μm2；k0為初始滲透率，μm2；ShN為CH4水合物的飽和度；ShC為CO2水合物的飽和度；n1為飽和度指數(shù)。

孔隙度與CH4水合物和CO2水合物的飽和度關(guān)系為

式中：φe為有效孔隙度；φ0為初始孔隙度。

自由水和CH4氣體、CO2氣體的相對(duì)滲透率為[27]：

式中：krw為液體的相對(duì)滲透率，μm2；S*w為孔隙中自由水的飽和度；Sirw為孔隙中束縛水的飽和度；nw為液相指數(shù)；krg為氣體相對(duì)滲透率，μm2；S*g為孔隙自由氣體的飽和度；Sirg為束縛氣體的飽和度；ng為氣相指數(shù)。

模擬所需的總滲透率要考慮水相飽和度的影響。

式中：為儲(chǔ)層的總滲透率，μm2；ks為水相飽和度。

2.3 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

邊坡穩(wěn)定的主流分析方法可以分為2類：有限元法和極限平衡法。采用有限元法計(jì)算安全系數(shù)時(shí)需要通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)等進(jìn)行判斷，過(guò)程比較復(fù)雜，概念不明確。極限平衡法通過(guò)安全系數(shù)可以表征邊坡的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)單明了，但不能分析塑性區(qū)的發(fā)展過(guò)程。采用強(qiáng)度折減法時(shí)，邊坡的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨折減系數(shù)增大而降低，可以高效分析邊坡的穩(wěn)定問題[28]。

折減后的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角可分別表達(dá)為[29]

式中：cm為折減后的內(nèi)聚力，MPa；c為地層原本的內(nèi)聚力，MPa；φm為折減后的內(nèi)摩擦角，(°)；φ為地層原本的內(nèi)摩擦角，(°)；Fr為折減系數(shù)，邊坡即將發(fā)生剪切破壞時(shí)的折減系數(shù)Fr即為其安全系數(shù)Fs，安全系數(shù)越高，邊坡越穩(wěn)定。

ABAQUS 是一種通用的有限元分析軟件，可用于分析多孔介質(zhì)中的流體滲流和地質(zhì)力學(xué)問題，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析[30-31]。ABAQUS 可以自動(dòng)增加折減系數(shù)并改變材料的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度，最終得到計(jì)算中斷時(shí)的折減系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)邊坡失穩(wěn)準(zhǔn)則，確定該條件下邊坡的安全系數(shù)，并根據(jù)所得的結(jié)果進(jìn)行后續(xù)分析。

2.4 多場(chǎng)耦合模擬驗(yàn)證

2.4.1 水合物模型

目前對(duì)注CO2改造天然氣水合物藏及后續(xù)開采過(guò)程的研究?jī)?nèi)容還比較缺乏，為此，本研究通過(guò)驗(yàn)證CH4水合物的分解過(guò)程來(lái)證明用ABAQUS 得到的計(jì)算結(jié)果的可靠性，具體內(nèi)容為對(duì)GUPTA等[32]的CH4水合物降壓分解模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖4所示為本研究模型與驗(yàn)證模型擬合結(jié)果。由圖4可見：利用ABAQUS 實(shí)現(xiàn)CH4水合物分解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果與GUPTA等[32]模擬的結(jié)果吻合。

圖4 本研究模型與驗(yàn)證模型擬合結(jié)果Fig.4 Comparison of results between our model and verified mode

2.4.2 邊坡穩(wěn)定性模型

采用Dawson 的標(biāo)準(zhǔn)邊坡算例驗(yàn)證3 種邊坡失穩(wěn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[28]，通過(guò)該算例可以驗(yàn)證ABAQUS 在分析邊坡穩(wěn)定性問題上的可靠程度。圖5所示為塑性應(yīng)變隨折減系數(shù)變化，由圖5可見：伴隨著折減系數(shù)增大，坡腳處先出現(xiàn)塑性屈服，然后塑性區(qū)域向上延伸，形成塑性屈服帶，此時(shí)得到的邊坡安全系數(shù)為1.001。這與根據(jù)極限平衡法所得的安全系數(shù)接近，但是形成大范圍塑性屈服的時(shí)候，位移快速增加且運(yùn)算沒有停止。

圖5 塑性應(yīng)變隨折減系數(shù)變化Fig.5 Plastic strain changes with reduction factor

圖6所示為算例折減系數(shù)的計(jì)算過(guò)程。由圖6可見：在折減系數(shù)為0.984時(shí)，位移突增；折減系數(shù)增大到1.058，運(yùn)算不收斂，達(dá)到預(yù)設(shè)的判斷條件。以位移突增為判斷標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)為0.984，以運(yùn)算不收斂為判斷標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)為1.058。使用極限平衡法、塑性貫通法、拐點(diǎn)法3種極限狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)所得的安全系數(shù)結(jié)果相近，誤差較小，滿足工程要求。因此，用ABAQUS 進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析具有可靠性。

圖6 算例折減系數(shù)的計(jì)算過(guò)程Fig.6 Calculation process of reduction factor of calculation example

3 注CO2改造水合物藏邊坡穩(wěn)定性

3.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

注CO2改造水合物藏的過(guò)程如下：先通過(guò)高壓注氣井向CH4水合物儲(chǔ)層的蓋層注入CO2氣體，使其與蓋層孔隙中的水反應(yīng)生成CO2水合物；然后對(duì)CH4水合物儲(chǔ)層進(jìn)行降壓開采?；谧O2改造CH4水合物藏的工況，建立CH4水合物的海底邊坡模型，基礎(chǔ)模型規(guī)格和尺寸如圖7所示。邊坡位于1 000 m 水深的海底，寬度為100 m，坡角為20°，CH4水合物儲(chǔ)層頂部距邊坡坡面200 m 且厚度為50 m，CO2改造層為CH4水合物儲(chǔ)層的上覆或下伏地層，厚度也為50 m。本研究結(jié)合勘察資料，假設(shè)海底溫度不受水深變化的影響。為了增大與儲(chǔ)層的接觸面積，便于壓力傳遞，模型采用2口長(zhǎng)度為100 m、貫穿儲(chǔ)層的水平井分別進(jìn)行CO2氣體的注入和CH4水合物的開采。注入CO2氣體對(duì)蓋層進(jìn)行改造時(shí)，井底壓力大于地層壓力，注入壓力設(shè)為20 MPa；在降壓開采時(shí)，CH4水合物生產(chǎn)井的井底壓力要小于儲(chǔ)層壓力，生產(chǎn)壓力為5 MPa。其余模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 海底邊坡模型基本參數(shù)[33]Table 1 Basic parameters of submarine slope model[33]

圖7 注CO2改造海底邊坡模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of CO2 injection to transform submarine slope model

3.2 注CO2改造過(guò)程及開采過(guò)程中水合物藏物性參數(shù)演化

圖8所示為改造過(guò)程中CO2水合物生成分布圖。由圖8可見：在注入井周圍生成的CO2水合物呈現(xiàn)出明顯的方向不均勻特征，即先在淺部蓋層生成，再逐漸在井周兩側(cè)生成，最終CO2水合物飽和度分布呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀。這是因?yàn)榈貙釉綔\，溫度越低，根據(jù)CO2水合物的相平衡曲線可知，溫度越低，生成CO2水合物所需的壓力越小，當(dāng)高孔隙壓力和CO2氣體傳遞到淺部低溫蓋層后就會(huì)先生成CO2水合物。CO2水合物飽和度由井周向地層遠(yuǎn)處逐漸減小，這是因?yàn)镃O2氣體在注入時(shí)先與井周地層中的自由水反應(yīng)生成CO2水合物，使井周地層的有效孔隙度降低，從而增大CO2氣體向遠(yuǎn)處地層傳遞的難度，離井筒越遠(yuǎn)，越難生成CO2水合物。綜上所述，越靠近淺部蓋層生成的CO2水合物越多，最終CO2水合物的生成范圍近似呈倒三角形。

圖8 改造過(guò)程中注入井周圍CO2水合物生成分布圖Fig.8 CO2 hydrate distribution around injection well during transformation

圖9所示為注CO2改造時(shí)間與CO2水合物生成范圍半徑及孔隙壓力的關(guān)系曲線。由圖9(a)可見：注CO2改造蓋層的過(guò)程較緩慢，CO2水合物前緣30 d 前進(jìn)了12 m，60 d 前進(jìn)了20 m，這意味著注CO2改造速度逐漸降低。這是由于CO2先與注入井周圍蓋層中的孔隙水反應(yīng)生成了CO2水合物，占據(jù)了這些區(qū)域的孔隙空間，導(dǎo)致已改造區(qū)域的有效滲透率降低，CO2氣體向蓋層深處傳遞的難度加大，導(dǎo)致注CO2改造蓋層的速度降低。

由圖9(b)可見：注入的CO2氣體在井周10～40 m 范圍內(nèi)的壓力傳遞速度比40～70 m 范圍內(nèi)更快。這是因?yàn)樽⑷刖浇壬傻腃O2水合物降低了井周地層的有效孔隙度和滲透率，導(dǎo)致孔壓傳遞速度降低。距離高壓注入井40 m 處的地層孔壓在改造時(shí)間100 d左右開始發(fā)生變化，之后以一定速度迅速增大，改造500 d左右時(shí)，地層孔壓趨于穩(wěn)定。距離井眼越近的地層，孔壓升高的速率和幅度都越大。

為了研究改造后開采過(guò)程中儲(chǔ)層物性參數(shù)的變化，在注入CO2改造蓋層厚度為80 m時(shí)進(jìn)行CH4水合物的開采過(guò)程分析。圖10所示為改造后不同開采時(shí)間的CH4水合物分解范圍。由圖11可見：在開始生產(chǎn)后的300～1 500 d，開采的范圍從50 m增大到250 m，且CH4水合物在下部?jī)?chǔ)層的分解范圍更大。造成這種現(xiàn)象的原因是：一方面，地層越深，溫度越高，CH4水合物越容易分解；另一方面，下部?jī)?chǔ)層的孔隙壓力更大，與生產(chǎn)井的壓差更大，孔壓傳遞及CH4水合物的分解速度也更快?？傮w表現(xiàn)為CH4水合物分解范圍分布不均勻。

3.3 注CO2改造后邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為了得到注CO2改造后邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，以注入CO2改造蓋層的范圍為80 m、開采CH4水合物的范圍為0～250 m為例對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。圖11所示為注CO2改造蓋層后開采時(shí)邊坡塑性區(qū)隨折減系數(shù)的發(fā)展過(guò)程，由圖11可知：隨著折減系數(shù)增大，在含有CH4水合物儲(chǔ)層和CO2水合物改造層的整個(gè)邊坡中，最先出現(xiàn)塑性屈服的區(qū)域位于CH4水合物分解區(qū)域，這是因?yàn)椋?/p>

圖11 注CO2改造蓋層后開采時(shí)塑性區(qū)隨折減系數(shù)的發(fā)展過(guò)程Fig.11 Development process of plastic zone with reduction factor after CO2 injection to transform strata and mining injection to reform stratum and re-mining

1)CH4水合物分解后的地層強(qiáng)度相比較原始儲(chǔ)層強(qiáng)度及上覆改造蓋層強(qiáng)度更低；

2)塑性區(qū)開始由CH4水合物分解地層向坡腳和坡頂處延伸，形成一個(gè)塑性屈服帶，但此時(shí)塑性屈服帶的范圍和屈服程度都不大；

3)隨著折減系數(shù)增大，塑性屈服帶所在地層的塑性變形區(qū)域和程度都增大，直到運(yùn)算不收斂時(shí)結(jié)束。

注CO2改造層抑制了塑性區(qū)的發(fā)展，使塑性區(qū)不會(huì)向CO2水合物改造層的區(qū)域擴(kuò)展，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖12所示為注CO2改造對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性影響。由圖12可見：相比較直接降壓開采，注CO2改造上覆蓋層后再進(jìn)行開采邊坡的安全系數(shù)Fs由1.738提升到1.821，邊坡穩(wěn)定性提升明顯。其主要原因是直接降壓開采使地層強(qiáng)度降低，水合物分解區(qū)域的地層會(huì)發(fā)生塑性屈服，隨著折減系數(shù)增大，會(huì)形成塑性屈服帶從而發(fā)生海底滑坡。注CO2改造后的上覆蓋層強(qiáng)度增大，相當(dāng)于在水合物儲(chǔ)層上部加上了一個(gè)高強(qiáng)度頂板。隨著折減系數(shù)增大，改造蓋層限制了塑性區(qū)的發(fā)展，降低了開采過(guò)程中由于CH4水合物分解引起的海底滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 注CO2改造對(duì)海底邊坡穩(wěn)定性影響Fig.12 Effect of CO2 injection on stability of submarine slope

3.4 注CO2改造CH4水合物藏的影響因素

3.4.1 注CO2改造層厚度

以注CO2改造上覆蓋層范圍為0～80 m、CH4水合物的分解范圍0～250 m為例研究改造蓋層厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。圖13(a)所示為改造層厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。由圖13(a)可見：當(dāng)上覆改造層厚度為25～125 m 時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著上覆改造層厚度增大而增大，邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)。這是因?yàn)樯细哺脑鞂雍穸仍龃笠馕吨玫降母邚?qiáng)度蓋層的厚度增大，水合物藏整體強(qiáng)度增大，抵抗整體變形的能力增強(qiáng)。另外，隨著上覆改造層厚度增加，邊坡安全系數(shù)增速降低。

3.4.2 注CO2改造范圍

以注CO2對(duì)上覆蓋層進(jìn)行改造、CH4水合物的分解范圍0～250 m為例研究改造范圍對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。圖13(b)所示為CO2水合物生成范圍半徑與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系曲線。由圖13(b)可見：邊坡安全系數(shù)隨著CO2水合物生成范圍半徑增大而增大。一方面，CH4水合物分解后儲(chǔ)層強(qiáng)度急劇下降，有效應(yīng)力增大，地層會(huì)被壓實(shí)，分解后的地層會(huì)出現(xiàn)塑性屈服；另一方面，高強(qiáng)度蓋層范圍半徑增大導(dǎo)致CH4水合物分解區(qū)域地層壓實(shí)的程度與對(duì)應(yīng)的塑性屈服程度更低。在這2種因素的綜合作用下，CO2水合物改造蓋層的海底邊坡更難發(fā)生塑性屈服，更難形成塑性屈服帶，故邊坡隨著注CO2改造范圍增大而更加穩(wěn)定。

圖13 注CO2改造CH4水合物藏對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素Fig.13 Influencing factors of CH4 hydrate reservoir reconstruction by CO2 injection on stability of submarine slope

3.4.3 注CO2改造位置

為研究注CO2改造位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用與上覆蓋層相同的模型參數(shù)對(duì)CH4水合物儲(chǔ)層的下伏地層進(jìn)行注CO2改造。圖13(c)所示為不同注CO2改造位置條件下邊坡頂部X方向的位移隨折減系數(shù)的變化曲線。將兩者安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比改造上覆蓋層(Fs= 1.821)，改造下伏地層(Fs= 1.850)時(shí)邊坡更穩(wěn)定。這是由于邊坡失穩(wěn)主要是CH4水合物儲(chǔ)層中水合物的分解帶動(dòng)上覆巖層向坡腳處滑移，而下伏地層強(qiáng)度增大限制了儲(chǔ)層整體的向下滑移，更有利于邊坡穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)CH4水合物和CO2水合物試樣的彈性模量、峰值強(qiáng)度和內(nèi)聚力均隨水合物飽和度增大而增大。

2)由于CO2水合物的強(qiáng)度及顆粒間膠結(jié)作用均比CH4水合物的大，在相同水合物飽和度下，CO2水合物沉積物的彈性模量和強(qiáng)度均比CH4水合物沉積物的高。

3)在CH4水合物儲(chǔ)層的上覆蓋層注入CO2，使其與孔隙中的自由水反應(yīng)生成CO2水合物從而得到強(qiáng)度更大的蓋層，完成蓋層改造后再進(jìn)行降壓開采與直接降壓開采相比，海底邊坡發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)降低。

4)隨著注CO2改造蓋層的厚度和范圍增大，海底邊坡抵抗滑坡的能力增強(qiáng)。在相同改造程度下，注CO2對(duì)下伏地層改造比對(duì)上覆蓋層改造更有利于水合物開采過(guò)程中邊坡的穩(wěn)定。