非成巖弱膠結天然氣水合物沉積物彈性力學參數的實驗分析

趙 軍 向薪燃 趙金洲 李海濤 郭 平 張烈輝周守為 魏 納 李清平 龐維新

1. “油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中海油研究總院有限責任公司

0 引言

天然氣水合物（以下簡稱水合物）在低溫高壓的環境中才能保持穩定，當儲層環境發生變化，就會導致水合物的大量分解，排出大量溫室氣體，甚至還會導致海底大范圍沉降、失穩滑坡等工程地質災害，給人類生活、生產活動帶來巨大的威脅。我國南海90%以上的水合物都屬于非成巖礦體，開采難度極大，所以對其力學特征的研究，一直都是熱點和重點。目前，由于對水合物的原位取心，技術尚未成熟，取心成本較高，故實驗室人工合成水合物沉積物來研究物理性質是最主要的研究手段，前人也做了不少工作[1-3]。

Winters等[4]利用美國地質調查局的水合物和沉積物模擬實驗裝置（GHASTI低溫高壓水合物三軸儀）測量了3種不同的水合物沉積物的剪切強度；Masui、Hyodo、Miyazaki等[5-7]利用人工合成水合物在不同溫壓條件下進行了三軸壓縮試驗；蔣明鏡[8-9]運用離散元方法，從微觀角度對水合物的力學特性進行研究，微觀物理模型模擬獲得的三軸壓縮強度與室內試驗結果較為符合；中國科學院王秀娟[10]利用巖石物理模型并結合室內實驗，對砂目數相同孔隙飽和度不同、不同水合物類型同一孔隙飽和度以及在不同孔隙飽和度下不同種類和不同粒徑砂的水合物沉積物性質規律進行了研究；但是，利用聲波資料解釋水合物沉積物力學參數的研究比較少。利用聲波資料解釋水合物儲層的彈性力學參數可解決水合物儲層取心難、成本高的問題，并可以利用測井技術解釋連續的井下儲層力學參數，故極具研究意義。筆者使用SHW-Ⅲ型水合物聲電力學測試裝置，利用3種不同粒徑的石英砂，人工合成水合物沉積物，并測得沉積物孔隙中的水合物的飽和度以及不同骨架粒徑、不同泥質含量、不同三軸軸壓下的聲波數據，再根據彈性理論，計算彈性力學參數，研究不同條件對水合物沉積物彈性力學參數的影響規律。

1 實驗原理

1.1 水合物沉積物的制備

本實驗采用SHW-Ⅲ型水合物聲電力學測試裝置，在恒溫1 ℃的實驗條件下，用分階段持續供給天然氣法[11]，先分別制備巖心規格為?60 mm×20 mm的3種不同骨架粒徑的水合物沉積物；再合成相同規格、骨架粒徑為0.125～0.600 mm且含有3種不同泥質含量的沉積物試件，并對其施加5 MPa的圍壓和10 MPa、15 MPa、20 MPa的軸壓，分別測試各個試件巖電、聲波數據，計算出不同沉積物試件的水合物飽和度和動態彈性參數，分析不同條件下對動態彈性參數的影響。水合物制備步驟如下。

1.1.1 加砂

將處理好的粒徑分別為小于0.125 mm、介于0.125～ 0.600 mm和0.600～1.180 mm的3種石英砂（圖1）砂樣加入反應釜，設置好儀器開關，連接相應的線路。

1.1.2 建立水合物生成的溫度、壓力條件

通過圍壓系統及軸壓系統，設置壓力環境，利用循環制冷系統，降低反應釜溫度。

1.1.3 加氣反應形成水合物

向計量室內充入8～10 MPa的甲烷氣體，記錄反應釜入口壓力、電阻率、縱橫波的時差和波速等參數；重復加氣反應步驟，使反應釜中水全部生成水合物。

1.2 動態彈性參數的計算

試樣在靜態荷載條件下利用應力—應變曲線可求取彈性參數，這些彈性參數稱為靜態彈性參數。根據彈性波動理論，彈性波在固體介質中傳播，它在介質中傳播時與介質相互作用，使接收波中攜帶了與巖石物理性質相關的各種信息，所以也可利用聲波數據求取彈性參數，而這樣求得的彈性參數稱為動態彈性參數，動態彈性參數與靜態彈性參數之間存在一定的相關性，故可利用動彈性參數求取連續的靜彈性參數。

圖1 不同粒徑的松散石英砂樣圖

根據彈性波動理論，在假定巖石均質、各向同性的線彈性體的前提下，利用所測定的縱波速度、橫波速度與試件的密度，便可計算出含水合物試件的動態泊松比、動態楊氏模量、動態剪切模量[12]。即

式中μ表示動態泊松比，無量綱；vs表示橫波波速，m/s；vp表示縱波波速，m/s； E表示動態楊氏模量，GPa；ρ表示巖石密度，g/cm3；G表示動態剪切模量，GPa。

2 實驗結果與分析

依據記錄的實驗參數，結合理論推導出來的計算公式，即可求得反應溫度恒為1 ℃時、水合物在多孔介質中的形成過程中3種不同骨架粒徑、3種不同泥質含量、3種不同軸壓條件下的水合物沉積物的彈性力學參數，如表1～3所示。

2.1 骨架粒徑大小對動態彈性參數的影響

根據實驗，得到如圖2、3所示的關系。骨架粒徑分別為小于0.125 mm、介于0.125～0.600 mm和大于0.600 mm的水合物沉積物試件，隨著飽和度增加（5%～70%）其泊松比有一定呈線性下降；楊氏模量隨水合物飽和度增大，因為孔隙中水合物飽和度增大，孔隙中水的飽和度減小，所以強度增加。楊氏模量隨著粒徑增大而增大，因為在一定的骨架粒徑范圍內，巖土體剪切面主要是切割其骨架部分，所以在一定粒徑范圍內，水合物沉積物的強度隨著骨架粒徑增大而增大。

表1 不同骨架粒徑下的水合物沉積物的彈性力學參數實驗及計算數據表

表2 不同泥質含量下的水合物沉積物的彈性力學參數實驗及計算數據表

表3 不同軸壓下的水合物沉積物的彈性力學參數實驗及計算數據表

圖2 不同骨架粒徑下泊松比與水合物飽和度的關系圖

圖3 不同骨架粒徑下楊氏模量與水合物飽和度的關系圖

2.2 泥質含量對動態彈性參數的影響

水合物沉積物在相同水合物飽和度條件下，動態力學彈性參數與不同泥質含量的關系如圖4、5所示。從圖4、5可看出，泥質含量分別為5%、10%、20%的水合物沉積物樣品隨著泥質含量的增加其動態泊松比有所增大；動態楊氏模量都隨著泥質含量的增加呈冪函數減小。因為隨著泥質含量的增加，泥質填充在石英砂骨架中，占據了一定的孔隙空間，使這些地方無法生成水合物，又因為水合物的強度大于黏土的強度，所以總體上水合物沉積物的楊氏模量隨著泥質含量增加而減小。

圖4 不同水合物飽和度下泊松比與泥質含量的關系圖

圖5 不同水合物飽和度下楊氏模量與泥質含量的關系圖

利用在相同飽和度下不同泥質含量與泊松比、楊氏模量回歸分析可得到他們之間的關系分別為：

式中Ssh表示泥質含量；a、b、c、d分別表示與水合物飽和度有關的系數。a、b、c、d取值如表4所示。

2.3 軸壓對動態彈性參數的影響

根據實驗在5 MPa的圍壓下，施加10 MPa、15 MPa、20 MPa的軸壓所得數據（圖6、7）表明，天然氣水合沉積物在不同水合物飽和度下，施加軸壓對泊松比的影響并不大；軸壓大小對泊松比影響不大，與Masui研究發現水合物沉積物的泊松比與水合物飽和度關系的結論一致；而楊氏模量在相同水合物飽和度下和軸壓呈一定對數關系，隨著軸壓增大而增大；水合物沉積物的強度主要由水合物強度、巖石顆粒間摩擦力和基質顆粒間的相互作用共同決定，增加軸壓抑制了壓實過程中的裂隙發育，使其顆粒間的摩擦力及咬合力增加，使得水合物沉積物顆粒之間的膠結能力增強，從而增加了試樣的強度。

表4 a、b、c、d在不同水合物飽和度情況下的取值表

圖6 不同水合物飽和度下泊松比與軸壓的關系圖

圖7 不同水合物飽和度下楊氏模量比與軸壓的關系圖

利用相同水合物飽和度在不同軸壓情況下的動態楊氏模量回歸分析，可得到水合物沉積物在相同水合物飽和度下動態楊氏模量與軸壓的關系如下：

式中σ表示軸壓，MPa；e、f分別表示與水合物飽和度有關的系數。e、f取值如表5所示。

表5 e、f在不同水合物飽和度情況下的取值表

3 結論

本次研究采用SHW-Ⅲ型水合物聲電力學測試裝置，合成了不同飽和度下3種不同骨架粒徑、3種不同泥質含量、3種不同三軸軸壓下的水合物沉積物試件，并測得了各個試件的水合物飽和度、巖電和聲波數據；再根據彈性波動理論計算出不同試件的泊松比和動態彈性模量，并進行了分析。數據分析顯示：在線性坐標系下，一定水合物飽和度范圍內水合物沉積物中的水合物飽和度和沉積物試件的彈性參數呈一定的正比關系，隨著水合物飽和度的增大，沉積物試件的泊松比減小，動態楊氏模量增大；水合物飽和度在5%～70%時，隨著試件的骨架粒徑增大（0.125～1.180 mm），沉積物試件的泊松比降低，動態楊氏模量增大；隨著泥質含量的增大（5%～20%），沉積物試件的動態楊氏模量呈現冪函數減小；在5 MPa的圍壓條件下，隨著軸壓的增大水合物沉積物的動態楊氏模量大幅增大，而泊松比與軸壓的關系不大。根據實驗數據，建立動態泊松比與泥質含量、動態楊氏模量與泥質含量及軸壓的關系模型。

利用聲波測井方法分析水合物的動態彈性力學參數，可解決水合物取心難、造價高、無法獲取連續數據的問題。本次實驗所得到的結果符合客觀的巖石物理實驗現象及規律，但仍需要進一步研究水合物沉積物的動態彈性參數與靜態彈性參數之間的關系。