水合物開(kāi)采致地層沉降的發(fā)展規(guī)律研究

摘" " 要：水合物儲(chǔ)量豐富，但其開(kāi)采過(guò)程易引起儲(chǔ)層發(fā)生沉降變形等災(zāi)害，為明確水合物開(kāi)采對(duì)地層沉降的影響，采用有限元方法分析了開(kāi)采過(guò)程中水合物儲(chǔ)層厚度、蓋層厚度、分解區(qū)大小和分解程度等不同影響因素對(duì)地層沉降的影響，發(fā)現(xiàn)了等效塑性應(yīng)變與分解區(qū)域的關(guān)系，明確了水合物開(kāi)采過(guò)程中蓋層及下臥土層的變形規(guī)律，并確定了分解與沉降的函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水合物沉積物；沉降；有限元

Study on the evolution rule of settlement caused by hydrate exploitation

QI Lei1，2， YU Dezhou3， YAO Zhiguang1，2， DENG Haifeng1，2， XU Hao1，2， LI Chun1，2

1. CNPC Engineering Technology Research Company Limited， Tianjin 300451， China

2. CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering， Tianjin 300451， China

3. CNPC Offshore Engineering （Qingdao） Company Limited， Qingdao 266552， China

Abstract：Despite abundant reserves of hydrates， their exploitation process is prone to disasters such as reservoir settlement and deformation. In order to clarify the influence of hydrate exploitation on formation settlement， this paper used the finite element method to analyze the effects of different influencing factors such as the thickness， caprock， the size of the decomposition zone and the degree of decomposition of hydrate reservoir on stratum settlement. As a result， the relationship between the equivalent plastic strain and the decomposition area was discovered， the deformation law of the caprock and the underlying soil layer during the exploitation identified， and the functional relationship between decomposition and settlement determined.

Keywords：hydrate deposit; settlement; finite element

天然氣水合物因其分布廣、儲(chǔ)量豐富且能量密度高被認(rèn)為是未來(lái)最具開(kāi)采前景的能源。我國(guó)已在神狐海域成功完成了兩次水合物試采，開(kāi)采技術(shù)已走在世界的前列。水合物開(kāi)采需要改變水合物的相平衡條件，即改變其穩(wěn)定存在的溫度和壓力，這也會(huì)導(dǎo)致地層膠結(jié)強(qiáng)度、孔隙度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，從而引發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害，例如海底滑坡、海底沉降和海嘯等，嚴(yán)重威脅水合物資源的安全開(kāi)采[1-2]。因此，有必要針對(duì)開(kāi)采過(guò)程的儲(chǔ)層沉降變化規(guī)律開(kāi)展研究，為未來(lái)水合物的有序安全開(kāi)采提供技術(shù)參考。

1nbsp; " 水合物開(kāi)采過(guò)程的力學(xué)特性

水合物是甲烷、二氧化碳等氣體在一定溫度、壓力條件下與水形成的籠狀晶體，而水合物沉積物指的是含有水合物的砂、黏土等土質(zhì)沉積物。水合物按結(jié)構(gòu)可分為I型、II型和H型等幾種類型，主要差別在于結(jié)構(gòu)以及氣水分子比例不同。自然界中水合物的密度一般在0.8～1.0 g/cm3之間。水合物含量和賦存模式都會(huì)對(duì)水合物沉積物強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響，水合物對(duì)其沉積物強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要是增加黏聚力，而對(duì)內(nèi)摩擦角影響較小[3]。常壓下，1單位體積的水合物分解能釋放出164～172單位體積的甲烷，由此可知，當(dāng)水合物沉積物飽和度較高時(shí)，根據(jù)土力學(xué)原理分解后的水合物將產(chǎn)生超孔壓，超孔壓的形成將降低水合物沉積物的抗剪強(qiáng)度。

目前已提出的水合物開(kāi)采方法主要有5種：降壓法、熱激勵(lì)法、注化學(xué)劑法、二氧化碳置換法和固態(tài)流化法[4]。我國(guó)兩次水合物試采已證明，降壓法開(kāi)采水合物是有效、可行的。在降壓開(kāi)采水合物過(guò)程中，根據(jù)有效應(yīng)力原理，以井筒為中心水合物儲(chǔ)層可大致分為3個(gè)不同分解區(qū)，不同分解區(qū)抗剪強(qiáng)度分布規(guī)律如圖1所示。

1）1區(qū)：靠近井筒，水合物分解后的高壓氣體進(jìn)入井筒后超孔壓得到釋放，抗剪強(qiáng)度得到部分恢復(fù)。

2）2區(qū)：與井筒間有一定距離，水合物分解形成的高壓氣體因未完全釋放等原因產(chǎn)生超孔壓，抗剪強(qiáng)度較低。

3）3區(qū)：遠(yuǎn)離井筒，水合物分解較少甚至完全未分解，抗剪切強(qiáng)度最高。

每個(gè)分解區(qū)范圍的大小與水合物沉積物的滲透性、水合物飽和度等多種影響因素有關(guān)。分解區(qū)抗剪強(qiáng)度越低，越易產(chǎn)生沉降變形，尤其是分解區(qū)2因產(chǎn)生超孔壓導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度損失更多，可能會(huì)產(chǎn)生更大的變形。因問(wèn)題的復(fù)雜性，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本文將分解區(qū)簡(jiǎn)單分為2個(gè)，即分解區(qū)和完全未分解區(qū)。分解區(qū)因存在超孔壓，其抗剪強(qiáng)度較完全未分解區(qū)小。

楊期君等[5]對(duì)水合物沉積物的主要力學(xué)性質(zhì)作了簡(jiǎn)要?dú)w納：

1）水合物沉積物的彈性模量隨水合物飽和度的增加而增加，但其泊松比所受的影響很小；

2）水合物沉積物的強(qiáng)度隨水合物飽和度的增加而增加，水合物對(duì)其沉積物強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要是增加其黏聚力，而內(nèi)摩擦角基本上不隨水合物飽和度的變化而變化。

2" " 水合物開(kāi)采地層沉降分析

2.1" " 水合物儲(chǔ)層沉降分析方法

由于不同位置水合物分解的差異性，開(kāi)采過(guò)程存在發(fā)生不均勻沉降的可能性。為量化不均勻沉降的大小和發(fā)展規(guī)律，采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行分析。以神狐海域調(diào)查研究區(qū)作為模擬區(qū)域，含水合物儲(chǔ)層厚度為10～43 m。模擬區(qū)的初始物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，模型采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型。

抗剪強(qiáng)度及彈性模量在分解前后會(huì)有較大變化。本計(jì)算中，通過(guò)在參數(shù)設(shè)置中定義彈性模量和抗剪強(qiáng)度的場(chǎng)量（見(jiàn)圖2），來(lái)模擬分解前后儲(chǔ)層力學(xué)特性的變化。同時(shí)，須在inp文件中進(jìn)行相應(yīng)關(guān)鍵字的添加（如圖3所示）。

采用平面應(yīng)變單元CPE4，建立如圖4、圖5所示的2維平面模型。分析過(guò)程主要有兩步：第一步，模擬開(kāi)采前的地層應(yīng)力分布，建立蓋層及儲(chǔ)層等的地應(yīng)力分析步，確定分解前的地應(yīng)力分布狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算地應(yīng)力分布如圖6所示；第二步，模擬分解過(guò)程，主要考慮儲(chǔ)層厚度、蓋層厚度、分解區(qū)大小和分解程度對(duì)地層沉降的影響。分解程度以分解后水合物抗剪強(qiáng)度與未分解前的原狀水合物抗剪強(qiáng)度Cu做對(duì)比來(lái)表示，計(jì)算工況見(jiàn)表2。

2.2" " 不同影響因素分析

部分工況的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律。

1）蓋層厚度、儲(chǔ)層厚度、分解區(qū)范圍（前緣）、分解程度等因素均對(duì)沉降量的大小有影響。

2）沉降量隨著與開(kāi)采井距離的增大而減?。ㄒ?jiàn)圖7）。

3）沉降區(qū)等效塑性應(yīng)變位于水合物分解與未分解區(qū)的交界面上，分解區(qū)越大，等效塑性應(yīng)變范圍越大（見(jiàn)圖7、圖8）。

4）根據(jù)開(kāi)采區(qū)擴(kuò)展時(shí)間與飽和度和范圍的關(guān)系可推知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)沉降量逐漸增加，且在前期沉降速度較快（見(jiàn)圖9）。

5）水合物層分解會(huì)導(dǎo)致蓋層下沉，且下臥土層因水合物層應(yīng)力釋放及強(qiáng)度降低而向上隆起（如圖10所示）。

6）水合物分解量越大，沉降越明顯（如圖11所示），兩者呈冪函數(shù)關(guān)系（如圖12所示），隨著分解區(qū)擴(kuò)大沉降量會(huì)急劇增加，因此部分水合物層不分解對(duì)控制地層沉降具有一定作用。

3" " 結(jié)束語(yǔ)

本文采用有效應(yīng)力原理初步確定了水合物開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層抗剪強(qiáng)度的分布規(guī)律，采用數(shù)值分析方法計(jì)算了蓋層厚度、儲(chǔ)層厚度、分解程度等多種因素對(duì)沉降的影響。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)了等效塑性應(yīng)變與分解區(qū)域的關(guān)系，明確了水合物開(kāi)采過(guò)程中蓋層及下臥土層的變形規(guī)律，并確定了分解與沉降的函數(shù)關(guān)系。本文的相關(guān)成果可為水合物開(kāi)采提供技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

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[5]" 楊期君，趙春風(fēng). 含氣水合物沉積物彈塑性損傷本構(gòu)模型探討[J]. 巖土力學(xué)，2014，35（4）：991-997.

作者簡(jiǎn)介：

祁" " 磊（1982—），男，山東煙臺(tái)人，高級(jí)工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋工程相關(guān)的科研工作。Email：qilei01@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-02-19