天然氣水合物儲(chǔ)層蠕變性能測試研究

王 萍

（中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

天然氣水合物是一種高壓、低溫條件下水分子、氣體分子組成的籠形的固體結(jié)晶化合物，廣泛分布海底地層和凍土地帶[1-3]。研究表明，天然氣水合物具有豐富的儲(chǔ)量、極高的能量密度以及很小的污染性，被視為未來最具開發(fā)潛力的能源[4-5]。雖然天然氣水合物埋藏深度較淺，但仍需通過鉆井作業(yè)形成儲(chǔ)層與地面之間天然氣的流動(dòng)通道，因此天然氣水合物鉆井過程中的井壁穩(wěn)定是決定天然氣水合物能否成功開采的關(guān)鍵[6]。與常規(guī)地層相比，天然氣水合物儲(chǔ)集層是一種弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、強(qiáng)塑性和蠕變性的沉積物[7]。并且在鉆井作業(yè)中，受工程的擾動(dòng)，井眼周圍的水合物會(huì)出現(xiàn)分解進(jìn)一步降低地層強(qiáng)度，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的井眼失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)[8]。

1 含水合物沉積物骨架制備方法

選擇南海北部神狐海域水合物藏為研究對象，沉積物的中值粒徑大部分在8~16μm，主要粒度分布在0.221~174.55μm之間，在40μm以下的粒度分布達(dá)到了83%[9]。研究過程中水合物沉積物試樣骨架選用不同粒徑石英砂顆粒和高嶺土混合壓制而成。在制作水合物沉積物骨架時(shí)發(fā)現(xiàn)其基礎(chǔ)物理性質(zhì)還受壓制力和壓制時(shí)間的影響。根據(jù)所選儲(chǔ)層的地質(zhì)概況，計(jì)算天然氣水合物沉積物儲(chǔ)層沉積物骨架承受的有效應(yīng)力，以此壓力值作為基準(zhǔn)壓制試樣骨架，骨架制作完成后測量其直徑、高度和孔隙度。在此基礎(chǔ)上增大壓制力和壓制時(shí)間制作出多組試樣。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)壓制力為6.4kN、壓制時(shí)間為20min時(shí)，制作的試樣骨架能較好地模擬真實(shí)儲(chǔ)層的基礎(chǔ)物理性質(zhì)。

制作水合物沉積物骨架用到的實(shí)驗(yàn)儀器有巖芯壓制模具、三軸實(shí)驗(yàn)裝置軸壓系統(tǒng)、激光粒度分析儀。巖芯壓制模具套筒高130mm，外徑75mm，內(nèi)徑50mm；上、下壓頭可與套筒嚴(yán)密配合。粒度分析儀用于測量不同配比砂粒的粒度分布，將其與實(shí)驗(yàn)所選儲(chǔ)層的物性參數(shù)進(jìn)行對比，確定出最合理的石英砂和高嶺土配比。巖芯模具由套筒和上、下壓頭組成，可制作尺寸為直徑50mm、高度100mm的沉積物骨架。巖芯制備原料選用石英砂和高嶺土模擬南海天然氣水合物沉積物儲(chǔ)層粒度組成。沉積物骨架制作步驟包括：①將配比好的混合砂放入烘箱，設(shè)定烘干溫度為110℃，烘干8h，保證混合砂干燥不含水，避免對甲烷水合物飽和度產(chǎn)生影響；②清洗模具，晾干后備用；③使用電子天平稱取適量烘干后的實(shí)驗(yàn)用砂，加入根據(jù)預(yù)設(shè)飽和度所需用水量的蒸餾水并與砂子混合均勻，將下壓頭與巖芯套筒配合，形成下端封閉上端開放的柱狀空間，將混合后的實(shí)驗(yàn)用砂全部轉(zhuǎn)移至巖芯套筒中，邊加砂邊用上壓頭將端面按壓平整，所有砂粒加入巖芯套筒后加裝上壓頭；④將模具組合轉(zhuǎn)移至三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)上，控制軸壓系統(tǒng)施加軸向壓力至6.4kN，施壓速度100N/s，維持壓制20min；⑤壓制結(jié)束后，取出模具組合，拆除上、下壓頭，取出試樣骨架；⑥使用游標(biāo)卡尺測量并記錄試樣骨架的直徑和高度；測量并記錄試樣骨架的孔隙度。

2 天然氣水合物原位生成實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用原位生成法合成水合物沉積物試樣。在三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)壓力室內(nèi)通入過量的CH4使之與巖芯骨架中定量的水在低溫高壓條件下形成甲烷水合物，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間足夠長時(shí)可以認(rèn)為試樣骨架中的水反應(yīng)完全，全都與CH4氣反應(yīng)生成了甲烷水合物。

實(shí)驗(yàn)步驟：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，連接三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)子系統(tǒng)，確保各項(xiàng)功能正常工作。截取一段長度合適的熱塑管，將制作完成的人工巖芯骨架裝入熱塑管并在巖芯兩端處加裝上、下壓頭，并用熱風(fēng)槍吹緊熱塑管使下壓頭、巖芯、上壓頭三者連接在一起；為保證在實(shí)驗(yàn)過程中熱塑管的強(qiáng)度與密封性需在吹緊的熱塑管外套上一層與其大致等長的熱塑管。在熱塑管與上、下壓頭的連接處加裝橡膠套進(jìn)行密封，使熱塑管和上、下壓頭形成密閉空間。將徑向變形傳感器固定在下壓頭上，調(diào)整使其測量巖芯中間位置。安裝好變形傳感器后，將整個(gè)裝置轉(zhuǎn)移安裝到低溫三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)的底座上。將傳感器連接線和孔壓連接線連接至底座上相應(yīng)的接口處。通過計(jì)算機(jī)軟件控制高壓釜釜體使其準(zhǔn)確降落在底座上。安裝高壓釜釜體和底座之間的卡塊，并用鋼箍箍住卡塊，保證高壓釜的密封性，確保壓力室在充入高壓油后不會(huì)發(fā)生泄漏。

預(yù)先將冷庫溫度調(diào)至273.15K，對三軸實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行降溫。打開圍壓泵上的閥門，按下充液按鈕，將壓力室充滿高壓油；待壓力室充滿油后關(guān)閉回油管路的閥門。關(guān)閉圍壓泵上的閥門，關(guān)閉充液泵。打開真空泵抽出試樣孔隙和注氣管線中的空氣。控制圍壓系統(tǒng)，緩慢升高圍壓至6MPa，與此同時(shí)，打開CH4氣瓶閥門，緩慢調(diào)節(jié)減壓閥，打開管線上的開關(guān)，將CH4氣通入巖芯骨架，使巖芯骨架中的CH4氣體壓力達(dá)到5.5MPa。使用CH4氣體檢漏儀檢查各個(gè)接口處是否有CH4氣體泄露。檢漏完成后，每間隔2h觀察壓力表數(shù)值，若發(fā)現(xiàn)壓力表數(shù)值降低則補(bǔ)充CH4氣體，使壓力維持在5.5MPa，直至壓力表數(shù)值穩(wěn)定在5.5MPa 不再降低時(shí)，巖芯中甲烷水合物完全生成。

3 天然氣水合物儲(chǔ)層三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

采用低溫水合物三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為主要裝置。在不同條件下對含天然氣水合物巖樣的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行測定，為后續(xù)蠕變實(shí)驗(yàn)過程中偏應(yīng)力的確定提供參數(shù)。進(jìn)行原位三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)整有效圍壓，設(shè)置加載速率為0.25mm/min進(jìn)行三軸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 水合物試樣力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)

圖1 三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

4 天然氣水合物儲(chǔ)層蠕變實(shí)驗(yàn)

根據(jù)不同飽和度條件下天然氣水合物三軸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇水合物飽和度40%條件下實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度的40%、50%、70%和90%作為不同載荷條件下蠕變實(shí)驗(yàn)差應(yīng)力。為控制變量，結(jié)合三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取水合物飽和度40%條件下實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度的50%作為不同飽和度和不同泥質(zhì)含量條件下蠕變實(shí)驗(yàn)差應(yīng)力，進(jìn)而開展天然氣水合物儲(chǔ)層蠕變實(shí)驗(yàn)研究。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，含水合物沉積物的試樣的蠕變均遵循衰減蠕變的蠕變變形特征，及試樣的蠕變速率隨著蠕變時(shí)間的增加而逐漸減小。蠕變實(shí)驗(yàn)過程中軸向差應(yīng)力、水合物飽和度及泥質(zhì)含量均會(huì)影響含水合物沉積物的蠕變變形大小。其中，相同水合物飽和度及泥質(zhì)含量下，軸向差應(yīng)力越大沉積物蠕變變形量越大，如水合物飽和度為40%、泥質(zhì)含量為0.2、差應(yīng)力為3.6MPa時(shí)，蠕變時(shí)間48h后，試樣的蠕變應(yīng)變?yōu)?.02；而差應(yīng)力為8.1MPa 時(shí)，48h 后蠕變應(yīng)變達(dá)到了0.109，后者是前者的5.45倍，如圖2所示。相同泥質(zhì)含量及差應(yīng)力條件下，水合物飽和度越大，蠕變變形越大，如水合物飽和度為0%時(shí)，48h 后的蠕變應(yīng)變僅為0.0096；而水合物飽和度為60%時(shí)，相同條件下蠕變應(yīng)變達(dá)到了0.068，如圖3所示。隨著泥質(zhì)含量的增加，水合物試樣的蠕變變形快速增加，如水合物飽和度為40%、差應(yīng)力為4.5MPa 時(shí)，泥質(zhì)含量為30%的試樣48h后蠕變變形為0.078；泥質(zhì)含量為60%時(shí)，蠕變變形量達(dá)到了0.155，如圖4所示。

圖2 不同差應(yīng)力條件下蠕變實(shí)驗(yàn)曲線

圖3 不同飽和度條件下蠕變實(shí)驗(yàn)曲線

圖4 不同泥質(zhì)含量條件下蠕變實(shí)驗(yàn)曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，含天然氣水合物試樣的蠕變?yōu)槭懿顟?yīng)力、水合物飽和度、泥質(zhì)含量影響的衰減蠕變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立含天然氣水合物試樣三軸蠕變模型；由于含天然氣水合物試樣蠕變滿足衰減蠕變特征，因此可通過半對數(shù)坐標(biāo)系對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，如圖5~圖7所示。

圖5 不同差應(yīng)力半對數(shù)坐標(biāo)系下蠕變應(yīng)變—時(shí)間曲線

圖6 不同水合物飽和度半對數(shù)坐標(biāo)系下蠕變應(yīng)變—時(shí)間曲線

圖7 不同泥質(zhì)含量半對數(shù)坐標(biāo)系下蠕變應(yīng)變—時(shí)間曲線

根據(jù)蠕變應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系構(gòu)建含天然氣水合物蠕變模型如下式所示：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系數(shù)擬合，建立參數(shù)方程g1(σ,Sh,n)、g2(σ,Sh,n)如下：

其中：?1(σ)=0.0015e0.00389σ，?1(Sh)=0.4932e1.5972Sh，?3(n)=-0.1355n2+0.2307n-0.042，?4(σ)=0.0033e0.3936σ，?5(Sh)=0.17e4.2413Sh，?6(n)=0.0093n2+0.1042n-0.0241。

圖8顯示了蠕變模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，可以看出所建立的模型具有較高精度，可以用于表征含水合物沉積物蠕變特征。

圖8 不同泥質(zhì)含量條件下計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

5 結(jié)論與建議

（1）海底水合物儲(chǔ)層所處水深大、埋深淺，骨架固結(jié)程度弱，具有極強(qiáng)的蠕變特性。有效確定水合物儲(chǔ)層的蠕變規(guī)律，理清其隨著水合物分解過程的變化規(guī)律和井周應(yīng)力變化規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)水合物安全、高效開采的前提保證。

（2）選取性質(zhì)相似的石英砂和高嶺土等制備水合物沉積物試樣開展蠕變性能試驗(yàn)測試，能夠?yàn)樘烊粴馑衔镢@井工程技術(shù)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)支撐。