天然氣水合物儲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形成儲層與地面之間天然氣的流動通道，因此天然氣水合物鉆井過程中的井壁穩定是決定天然氣水合物能否成功開采的關鍵[6]。與常規地層相比，天然氣水合物儲集層是一種弱膠結、低強度、強塑性和蠕變性的沉積物[7]。并且在鉆井作業中，受工程的擾動，井眼周圍的水合物會出現分解進一步降低地層強度，從而導致嚴重的井眼失穩的風險[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發現其基礎物理性質還受壓制力和壓制時間的影響。根據所選儲層的地質概況，計算天然氣水合物沉積物儲層沉積物骨架承受的有效應力，以此壓力值作為基準壓制試樣骨架，骨架制作完成后測量其直徑、高度和孔隙度。在此基礎上增大壓制力和壓制時間制作出多組試樣。經過對比發現壓制力為6.4kN、壓制時間為20min時，制作的試樣骨架能較好地模擬真實儲層的基礎物理性質。

制作水合物沉積物骨架用到的實驗儀器有巖芯壓制模具、三軸實驗裝置軸壓系統、激光粒度分析儀。巖芯壓制模具套筒高130mm，外徑75mm，內徑50mm；上、下壓頭可與套筒嚴密配合。粒度分析儀用于測量不同配比砂粒的粒度分布，將其與實驗所選儲層的物性參數進行對比，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驗用砂，加入根據預設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，將混合后的實驗用砂全部轉移至巖芯套筒中，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將模具組合轉移至三軸實驗機上，控制軸壓系統施加軸向壓力至6.4kN，施壓速度100N/s，維持壓制20min；⑤壓制結束后，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驗

實驗采用原位生成法合成水合物沉積物試樣。在三軸實驗機壓力室內通入過量的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，當反應時間足夠長時可以認為試樣骨架中的水反應完全，全都與CH4氣反應生成了甲烷水合物。

實驗步驟：進行實驗前，連接三軸實驗機的各項子系統，確保各項功能正常工作。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；為保證在實驗過程中熱塑管的強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，調整使其測量巖芯中間位置。安裝好變形傳感器后，將整個裝置轉移安裝到低溫三軸實驗機的底座上。將傳感器連接線和孔壓連接線連接至底座上相應的接口處。通過計算機軟件控制高壓釜釜體使其準確降落在底座上。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發生泄漏。

預先將冷庫溫度調至273.15K，對三軸實驗裝置進行降溫。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閉回油管路的閥門。關閉圍壓泵上的閥門，關閉充液泵。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，緩慢升高圍壓至6MPa，與此同時，打開CH4氣瓶閥門，緩慢調節減壓閥，打開管線上的開關，將CH4氣通入巖芯骨架，使巖芯骨架中的CH4氣體壓力達到5.5MPa。使用CH4氣體檢漏儀檢查各個接口處是否有CH4氣體泄露。檢漏完成后，每間隔2h觀察壓力表數值，若發現壓力表數值降低則補充CH4氣體，使壓力維持在5.5MPa，直至壓力表數值穩定在5.5MPa 不再降低時，巖芯中甲烷水合物完全生成。

3 天然氣水合物儲層三軸力學實驗

采用低溫水合物三軸實驗系統為主要裝置。在不同條件下對含天然氣水合物巖樣的力學強度進行測定，為后續蠕變實驗過程中偏應力的確定提供參數。進行原位三軸力學實驗時，按照預設實驗條件調整有效圍壓，設置加載速率為0.25mm/min進行三軸實驗，實驗結果應力應變曲線如圖1所示，強度參數結果如表1所示。

表1 水合物試樣力學強度參數

圖1 三軸力學實驗應力應變曲線

4 天然氣水合物儲層蠕變實驗

根據不同飽和度條件下天然氣水合物三軸強度實驗結果，選擇水合物飽和度40%條件下實驗強度的40%、50%、70%和90%作為不同載荷條件下蠕變實驗差應力。為控制變量，結合三軸實驗結果，選取水合物飽和度40%條件下實驗強度的50%作為不同飽和度和不同泥質含量條件下蠕變實驗差應力，進而開展天然氣水合物儲層蠕變實驗研究。

根據實驗結果可以看出，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間的增加而逐漸減小。蠕變實驗過程中軸向差應力、水合物飽和度及泥質含量均會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含量下，軸向差應力越大沉積物蠕變變形量越大，如水合物飽和度為40%、泥質含量為0.2、差應力為3.6MPa時，蠕變時間48h后，試樣的蠕變應變為0.02；而差應力為8.1MPa 時，48h 后蠕變應變達到了0.109，后者是前者的5.45倍，如圖2所示。相同泥質含量及差應力條件下，水合物飽和度越大，蠕變變形越大，如水合物飽和度為0%時，48h 后的蠕變應變僅為0.0096；而水合物飽和度為60%時，相同條件下蠕變應變達到了0.068，如圖3所示。隨著泥質含量的增加，水合物試樣的蠕變變形快速增加，如水合物飽和度為40%、差應力為4.5MPa 時，泥質含量為30%的試樣48h后蠕變變形為0.078；泥質含量為60%時，蠕變變形量達到了0.155，如圖4所示。

圖2 不同差應力條件下蠕變實驗曲線

圖3 不同飽和度條件下蠕變實驗曲線

圖4 不同泥質含量條件下蠕變實驗曲線

根據實驗結果，含天然氣水合物試樣的蠕變為受差應力、水合物飽和度、泥質含量影響的衰減蠕變。根據實驗結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，因此可通過半對數坐標系對實驗結果進行處理，如圖5~圖7所示。

圖5 不同差應力半對數坐標系下蠕變應變—時間曲線

圖6 不同水合物飽和度半對數坐標系下蠕變應變—時間曲線

圖7 不同泥質含量半對數坐標系下蠕變應變—時間曲線

根據蠕變應與時間的關系構建含天然氣水合物蠕變模型如下式所示：

根據實驗結果進行系數擬合，建立參數方程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顯示了蠕變模型計算結果與實驗結果對比，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 不同泥質含量條件下計算結果與實驗結果對比

5 結論與建議

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

（2）選取性質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測試，能夠為天然氣水合物鉆井工程技術的優化提供基礎支撐。