吳浩澤

(汕頭大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，廣東 汕頭 515000)

0 前 言

天然氣水合物是全球新能源發(fā)展的焦點(diǎn)，其大規(guī)模開發(fā)可保障我國(guó)能源安全和發(fā)展。南海北部陸坡深水區(qū)是國(guó)際上公認(rèn)的天然氣水合物開采潛力較好的地區(qū)，南海含水合物沉積物為黏土質(zhì)粉砂型。其被認(rèn)為是水合物儲(chǔ)量最大，而開采難度也最大的水合物儲(chǔ)層[1]。南海神狐海域是我國(guó)試采的主要靶區(qū)，我國(guó)于2017年首次在該海域采用單豎直井降壓法進(jìn)行試采。2020年3月，我國(guó)采用單水平井降壓法。第二次水合物試采同樣在該海域順利完成，標(biāo)志著已經(jīng)進(jìn)入“實(shí)驗(yàn)性試開采”的階段。

目前，進(jìn)行過(guò)天然氣水合物試生產(chǎn)的國(guó)家主要采用降壓法、熱刺激法和置換法，而降壓法因其開采成本低、效率相對(duì)較高，因而被認(rèn)為是商業(yè)開采最具潛力的方法。但是，降壓法會(huì)導(dǎo)致有效應(yīng)力的增加和儲(chǔ)層的豎向變形，可能導(dǎo)致沉降等災(zāi)害。因此，研究水合物降壓開采的影響非常重要。同時(shí)，由于海域水合物開采過(guò)程涉及復(fù)雜的溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)耦合(THMC)，建立多場(chǎng)耦合模型可以準(zhǔn)確模擬水合物開采過(guò)程，并對(duì)可能發(fā)生的儲(chǔ)層沉降等災(zāi)害進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。本文擬在對(duì)南海黏土質(zhì)粉砂型水合物沉積物的賦存狀態(tài)、力學(xué)性質(zhì)及降壓開采研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，給出相應(yīng)的研究方向和意義。

1 南海水合物勘探及水合物賦存特征

南海天然氣水合物主要分布于北部陸坡的神狐海域、東沙海域、瓊東南海域，水深約為1 000 m。廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局曾多次在此區(qū)域勘探，均已取樣并確認(rèn)。南海水合物主要賦存于未固結(jié)成巖的粉砂、粉質(zhì)黏土和其他沉積物中。在南海的一些冷泉區(qū)，水合物甚至直接裸露在海底。神狐海域儲(chǔ)層多粉砂質(zhì)黏土和富含有孔蟲等古生物化石的黏土質(zhì)粉砂。沉積物粒徑主要在4～63 μm，中值粒徑在8～16 μm[2]。東沙海域水合物儲(chǔ)層為粉砂質(zhì)黏土，并含有生物碎屑灰?guī)r沉積物，粒徑大多小于20 μm[3]。瓊東南海域水合物儲(chǔ)層以粉砂質(zhì)黏土為主，少量為黏土質(zhì)粉砂[4]。

我國(guó)幾次海上鉆探及試采的結(jié)果表明，神狐海域的水合物呈分散狀和厚層狀交替發(fā)育，分布在海底以下幾十米至幾百米，巖芯掃描還發(fā)現(xiàn)有孔蟲中也含有水合物。東沙海域水合物多呈塊狀、結(jié)核狀、脈狀，填充在細(xì)粒沉積物中，深部也有分散狀水合物。GMGS5航次水合物勘探表明，瓊東南海域水合物通常呈結(jié)核狀、脈狀、厚層狀、薄層狀和分散狀填充在粉砂質(zhì)黏土中[3]。

2 南海含水合物沉積物力學(xué)特性研究

在進(jìn)行水合物的大規(guī)模開采之前，需要評(píng)估水合物儲(chǔ)層在開采過(guò)程中的力學(xué)穩(wěn)定性，例如海底沉降和海底滑坡。為了全面了解南海含天然氣水合物沉積物的力學(xué)特性，需要研究其強(qiáng)度、變形和固結(jié)性質(zhì)等力學(xué)特性，進(jìn)而建立本構(gòu)模型。

2.1 含天然氣水合物沉積物制樣

水合物沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)具有較強(qiáng)的區(qū)域性特征，原位水合物沉積物樣品主要通過(guò)鉆孔取芯獲得。但水合物多賦存在深海海底沉積物中，因此難以原位獲取巖芯，且取芯后不易保存原位狀態(tài)。因此所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法真實(shí)反映沉積物的力學(xué)性質(zhì)。因此，對(duì)含水合物沉積物物理力學(xué)性能的研究，多是在實(shí)驗(yàn)室對(duì)人工合成含水合物沉積物進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。但是，在樣品制備過(guò)程中必須考慮所研究區(qū)的地質(zhì)條件和水合物賦存特征。目前實(shí)驗(yàn)室制備樣品所采用的方法主要有溶解氣體法、部分飽和法、混合樣品制備法、冰種子法等[5]。溶解氣體法合成水合物需要較長(zhǎng)的時(shí)間，且水合物在生成過(guò)程中易造成管路堵塞。部分飽和法生成的水合物在沉積物中多是以膠結(jié)型結(jié)構(gòu)存在。冰會(huì)在混合樣品制備法生成的含水合物沉積物中生成，冰的存在會(huì)影響含水合物沉積物的力學(xué)性能。不同的水合物樣品制備方法和其他實(shí)驗(yàn)條件會(huì)導(dǎo)致不同的水合物賦存狀態(tài)，這是造成不同研究結(jié)果橫向可比性較差的主要原因。

2.2 含天然氣水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

對(duì)含水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)主要集中在含水合物沉積物的抗剪強(qiáng)度特性和含水合物沉積物的剪脹特性上。以前的研究主要集中在含水合物砂沉積物上，近年來(lái)研究的熱點(diǎn)逐漸聚焦南海黏土質(zhì)沉積物。石要紅等[6]制備海底粉質(zhì)黏土沉積物并進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，分析水合物分解前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度特征。發(fā)現(xiàn)含水合物粉質(zhì)黏土沉積物與含水合物砂沉積物存在顯著差異，其應(yīng)變強(qiáng)化特性較為明顯，并且應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的彈塑性破壞形式。楊周潔等[7]配置了泥質(zhì)粉細(xì)砂，其級(jí)配與南海北部沉積物相似。研究了不同飽和度下的含水合物沉積物在不同圍壓下的三軸剪切試驗(yàn)。結(jié)果表明，有效圍壓的增加會(huì)導(dǎo)致初始泊松比的降低，當(dāng)水合物飽和度變化時(shí)，內(nèi)摩擦角基本不變。

由于難以獲得原位天然氣水合物沉積物，因此在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，使用與南海地區(qū)含水合物沉積物具有相似級(jí)配的高嶺土進(jìn)行測(cè)試是完全可行的。然而，目前的主要問(wèn)題是，從定量的角度來(lái)看，對(duì)含水合物沉積物的三軸力學(xué)參數(shù)的測(cè)量很難達(dá)成共識(shí)，不同的實(shí)驗(yàn)方法得到的結(jié)果可能是矛盾的。因此，有必要建立含水合物沉積物三軸試驗(yàn)的統(tǒng)一規(guī)范。

2.3 含天然氣水合物沉積物本構(gòu)模型

近年來(lái)，含天然氣水合物沉積物本構(gòu)模型不斷發(fā)展，主要是基于常規(guī)土力學(xué)的本構(gòu)模型。主要有彈性本構(gòu)模型、彈塑性本構(gòu)模型和損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型。盡管非線性的Ducan-Chang模型可以合理地預(yù)測(cè)沉積物剛度和強(qiáng)度的力學(xué)行為，但它不能描述在加載和卸載過(guò)程中沉積物的體積變化。臨界狀態(tài)彈塑性模型具有良好的適用性，主要基于劍橋模型進(jìn)行改進(jìn)。損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型在考慮水合物分解及賦存方面也顯示出良好的適用性。目前，含水合物沉積物的本構(gòu)模型已取得一定進(jìn)展，但對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬并不是特別全面。以往研究的沉積物多為砂，對(duì)于南海黏土質(zhì)粉砂的研究較少，有必要建立適合南海含天然氣水合物沉積物的本構(gòu)模型，然后建立更為廣泛適用的本構(gòu)模型來(lái)分析水合物開采中的海底沉降和海底滑坡等海域?yàn)?zāi)害。

3 南海水合物降壓開采過(guò)程研究

在現(xiàn)有的天然氣水合物開采方法中，大多通過(guò)改變天然氣水合物的溫度和壓力條件來(lái)達(dá)到開采目的。降壓法因?yàn)槠涓咝А⒔?jīng)濟(jì)、無(wú)需連續(xù)激發(fā)成為最具吸引力的水合物藏開采方法。研究水合物降壓開采的方法有現(xiàn)場(chǎng)試采、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬。目前，只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家進(jìn)行了海域水合物的試采，現(xiàn)場(chǎng)試采難度大、成本高，無(wú)法進(jìn)行深入研究。室內(nèi)試驗(yàn)有助于理解水合物降壓開采原理，定性分析水合物降壓開采過(guò)程。但限于試驗(yàn)規(guī)模，無(wú)法全面了解生產(chǎn)規(guī)模的水合物生產(chǎn)潛力及開采影響。數(shù)值模擬已被應(yīng)用于研究不同開采方式下生產(chǎn)規(guī)模的水合物藏長(zhǎng)期分解特性及開采規(guī)律。但仍需要實(shí)際試采數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去校正數(shù)值模型，使其可以更好地描述水合物的開采過(guò)程，并為水合物開采防災(zāi)優(yōu)化提供可靠的參考。

3.1 南海水合物降壓開采試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)可以為南海水合物生產(chǎn)提供一定的參考，因?yàn)樗鼈兙哂信c實(shí)際生產(chǎn)相似的產(chǎn)氣規(guī)律。為了探明降壓開采過(guò)程中降壓幅度和飽和度等因素對(duì)水合物分解過(guò)程的影響，在實(shí)驗(yàn)室模擬了試采現(xiàn)場(chǎng)的條件，并進(jìn)行降壓分解試驗(yàn)。然而，由于室內(nèi)試驗(yàn)研究規(guī)模與南?，F(xiàn)場(chǎng)降壓開采有較大差異，這將導(dǎo)致試驗(yàn)的產(chǎn)氣速率、產(chǎn)氣時(shí)間等與南?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開采的參數(shù)存在較大差異。此外，這會(huì)影響室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)南海水合物現(xiàn)場(chǎng)開采的理論參考意義，但可以為校準(zhǔn)水合物數(shù)值模型提供參考。后續(xù)需研制大型水合物降壓開采模擬裝置，探明實(shí)驗(yàn)室開采中的尺寸效應(yīng)，使試驗(yàn)結(jié)果對(duì)南海水合物試采具有可靠的理論參考。

3.2 南海水合物降壓開采數(shù)值模擬

Feng等[8]利用東沙GMGS2-16站水合物鉆井公布的數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了單水平井降壓、雙水平井降壓和雙水平井熱吞吐聯(lián)合降壓方案的試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，降壓和熱吞吐相結(jié)合的方法采氣效果最佳，F(xiàn)eng還指出開采過(guò)程中的產(chǎn)水問(wèn)題亟待解決。萬(wàn)義釗等[9]建立了水合物降壓開采的多場(chǎng)耦合模型，對(duì)單一豎井進(jìn)行了三維降壓模擬，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層滲透性和降壓幅度對(duì)地層變形的影響較為顯著。

目前已有的研究結(jié)果表明：南海泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層滲透率低是導(dǎo)致開采井產(chǎn)氣量低的主要原因，多井聯(lián)合開采可以顯著提高總產(chǎn)氣量，保證穩(wěn)定產(chǎn)氣量。為了滿足南海水合物商業(yè)化開采的產(chǎn)氣量要求，目前最佳的開采方法是利用水平井網(wǎng)降壓開采。具體的開采設(shè)計(jì)參數(shù)需要根據(jù)鉆井成本、水合物層滲透率、預(yù)計(jì)的生產(chǎn)周期、井場(chǎng)總的產(chǎn)氣量等因素確定。降壓開采時(shí)，孔隙流體被不斷從開采井中抽出，有效應(yīng)力逐漸增大。水合物分解導(dǎo)致水合物膠結(jié)作用減弱，同時(shí)還有氣和水產(chǎn)出，因此可能會(huì)發(fā)生生產(chǎn)井出砂、海底沉降和滑坡等災(zāi)害。加拿大、日本等在天然氣水合物試采過(guò)程中都曾因水合物大量出砂而停止開采。通過(guò)數(shù)值模擬，可以模擬降壓開采過(guò)程中產(chǎn)生的沉降、出砂和滑坡，確保實(shí)際開采中的安全性。

4 結(jié) 論

1)為了進(jìn)一步完善我國(guó)南海含水合物沉積物的原位鉆采取樣技術(shù)，需要克服深海高壓作業(yè)、低溫保溫、密封保壓等方面遇到的技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)還要考慮到南海環(huán)境的要求以及南海海底沉積物主要為黏土的這一特點(diǎn)，保護(hù)鉆采設(shè)備以及注意對(duì)原位樣品的保溫保壓。

2)為了更加準(zhǔn)確地研究南海含水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)，制備的水合物沉積物樣品應(yīng)具有與原位沉積物具有相似的級(jí)配。同時(shí)選擇合適的水合物生成方法，使制備的含水合物沉積物的物理力學(xué)性能與原位含水合物沉積物接近。建立其力學(xué)本構(gòu)模型，并為后續(xù)的數(shù)值模擬提供研究基礎(chǔ)。

3)我國(guó)實(shí)際試開采和數(shù)值模擬表明，水平井比豎直井更加有利于南海天然氣水合物的開采。針對(duì)水合物降壓開采過(guò)程中可能出現(xiàn)的海底沉降、滑坡、生產(chǎn)井出砂等問(wèn)題，均是涉及熱-水-力-化的耦合過(guò)程，建立符合實(shí)際開采過(guò)程的多場(chǎng)耦合模型，可為后續(xù)商業(yè)開采提供指導(dǎo)，優(yōu)化開采過(guò)程。

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