水合物開采致地層沉降的發展規律研究

摘" " 要：水合物儲量豐富，但其開采過程易引起儲層發生沉降變形等災害，為明確水合物開采對地層沉降的影響，采用有限元方法分析了開采過程中水合物儲層厚度、蓋層厚度、分解區大小和分解程度等不同影響因素對地層沉降的影響，發現了等效塑性應變與分解區域的關系，明確了水合物開采過程中蓋層及下臥土層的變形規律，并確定了分解與沉降的函數關系。

關鍵詞：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、儲量豐富且能量密度高被認為是未來最具開采前景的能源。我國已在神狐海域成功完成了兩次水合物試采，開采技術已走在世界的前列。水合物開采需要改變水合物的相平衡條件，即改變其穩定存在的溫度和壓力，這也會導致地層膠結強度、孔隙度、地質結構等發生變化，從而引發一系列地質災害，例如海底滑坡、海底沉降和海嘯等，嚴重威脅水合物資源的安全開采[1-2]。因此，有必要針對開采過程的儲層沉降變化規律開展研究，為未來水合物的有序安全開采提供技術參考。

1nbsp; " 水合物開采過程的力學特性

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、黏土等土質沉積物。水合物按結構可分為I型、II型和H型等幾種類型，主要差別在于結構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對水合物沉積物強度產生明顯影響，水合物對其沉積物強度的貢獻主要是增加黏聚力，而對內摩擦角影響較小[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，當水合物沉積物飽和度較高時，根據土力學原理分解后的水合物將產生超孔壓，超孔壓的形成將降低水合物沉積物的抗剪強度。

目前已提出的水合物開采方法主要有5種：降壓法、熱激勵法、注化學劑法、二氧化碳置換法和固態流化法[4]。我國兩次水合物試采已證明，降壓法開采水合物是有效、可行的。在降壓開采水合物過程中，根據有效應力原理，以井筒為中心水合物儲層可大致分為3個不同分解區，不同分解區抗剪強度分布規律如圖1所示。

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

2）2區：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生超孔壓，抗剪強度較低。

3）3區：遠離井筒，水合物分解較少甚至完全未分解，抗剪切強度最高。

每個分解區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。分解區抗剪強度越低，越易產生沉降變形，尤其是分解區2因產生超孔壓導致抗剪強度損失更多，可能會產生更大的變形。因問題的復雜性，為簡化分析過程，本文將分解區簡單分為2個，即分解區和完全未分解區。分解區因存在超孔壓，其抗剪強度較完全未分解區小。

楊期君等[5]對水合物沉積物的主要力學性質作了簡要歸納：

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

2" " 水合物開采地層沉降分析

2.1" " 水合物儲層沉降分析方法

由于不同位置水合物分解的差異性，開采過程存在發生不均勻沉降的可能性。為量化不均勻沉降的大小和發展規律，采用數值模擬手段進行分析。以神狐海域調查研究區作為模擬區域，含水合物儲層厚度為10～43 m。模擬區的初始物理力學參數如表1所示，模型采用摩爾庫倫本構模型。

抗剪強度及彈性模量在分解前后會有較大變化。本計算中，通過在參數設置中定義彈性模量和抗剪強度的場量（見圖2），來模擬分解前后儲層力學特性的變化。同時，須在inp文件中進行相應關鍵字的添加（如圖3所示）。

采用平面應變單元CPE4，建立如圖4、圖5所示的2維平面模型。分析過程主要有兩步：第一步，模擬開采前的地層應力分布，建立蓋層及儲層等的地應力分析步，確定分解前的地應力分布狀態，經計算地應力分布如圖6所示；第二步，模擬分解過程，主要考慮儲層厚度、蓋層厚度、分解區大小和分解程度對地層沉降的影響。分解程度以分解后水合物抗剪強度與未分解前的原狀水合物抗剪強度Cu做對比來表示，計算工況見表2。

2.2" " 不同影響因素分析

部分工況的計算結果如表3所示。

通過計算結果可發現如下規律。

1）蓋層厚度、儲層厚度、分解區范圍（前緣）、分解程度等因素均對沉降量的大小有影響。

2）沉降量隨著與開采井距離的增大而減小（見圖7）。

3）沉降區等效塑性應變位于水合物分解與未分解區的交界面上，分解區越大，等效塑性應變范圍越大（見圖7、圖8）。

4）根據開采區擴展時間與飽和度和范圍的關系可推知，隨著時間的延長沉降量逐漸增加，且在前期沉降速度較快（見圖9）。

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

6）水合物分解量越大，沉降越明顯（如圖11所示），兩者呈冪函數關系（如圖12所示），隨著分解區擴大沉降量會急劇增加，因此部分水合物層不分解對控制地層沉降具有一定作用。

3" " 結束語

本文采用有效應力原理初步確定了水合物開采過程中儲層抗剪強度的分布規律，采用數值分析方法計算了蓋層厚度、儲層厚度、分解程度等多種因素對沉降的影響。通過計算發現了等效塑性應變與分解區域的關系，明確了水合物開采過程中蓋層及下臥土層的變形規律，并確定了分解與沉降的函數關系。本文的相關成果可為水合物開采提供技術參考。

參考文獻

[1]" 李棟梁，王哲，吳起，等. 天然氣水合物儲層力學特性研究進展[J]. 新能源進展，2019，7（1）：40-49.

[2]" 柴俊凱，劉圓，黃磊. 基于風險的海洋平臺抗震設計過程[J]. 石油工程建設，2021，47（S2）：41-46.

[3]" 韋昌富，顏榮濤，田慧，等. 天然氣水合物開采的土力學問題：現狀與挑戰[J]. 天然氣工業，2020，40（8）：116-132.

[4]" 張旭輝，魯曉兵，李鵬，等. 天然氣水合物開采方法的研究綜述[J]. 中國科學：物理學力學 天文學，2019，49（3）：38-59.

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

作者簡介：

祁" " 磊（1982—），男，山東煙臺人，高級工程師，2009年畢業于哈爾濱工程大學船舶與海洋結構物設計制造專業，碩士，現從事海洋工程相關的科研工作。Email：qilei01@cnpc.com.cn

收稿日期：2024-02-19