海洋天然气水合物稳定带内流体压裂与气体流动的数值模拟研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘金龙 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 授予单位 | 南海海洋研究所 |
| 导师 | 颜文 |
| 关键词 | 天然气水合物，流体压裂，流体流动，海底气体释放 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 海洋地质 |
| 其他题名 | Numerical simulation study on hydraulic fracturing and gas flow within the marine gas hydrate stability zone |
| 英文摘要 | 在被动陆缘和主动陆缘，普遍存在从深部地层向浅部天然气水合物稳定带（gas hydrate stability zone, GHSZ）运移而来的甲烷气体。这些气体，或是进入水合物稳定带，形成水合物；或是受到含水合物地层的阻挡，聚集于水合物稳定带底界（base of gas hydrate stability zone, BGHSZ）之下，形成下伏气体聚集；亦或是进入水合物稳定带后，并未形成水合物，继续向上运移，最终穿过水合物稳定带，到达海底泄露。水合物稳定带内的气体运移，通常是沿小范围宽度内的高渗透性通道（例如断裂系统或气烟囱结构），因而这类气体流动是局部性的、集中式的、具有横向差异性的。对于气体从水合物稳定带底界至海底的整个运移过程，以往的一维数值模拟研究，不能反映沿裂隙通道发生的、局部性的、集中式的、具有横向差异性的气体流动特征，没有揭示这类气体流动穿越整个水合物稳定带的动力学过程、在水合物稳定带中引起的响应（例如带来的压力、温度、盐度和水合物饱和度的大体演变趋势）；与此同时，以往一维数值模拟研究的结果，与水合物稳定带中观测到的温度、盐度和水合物饱和度三者的主要趋势，不能同时、较好地吻合。因此，水合物稳定带内，裂隙控制的气体流动，有待得到更好的认识。水合物稳定带内的流体压裂和流体流动研究，对水合物稳定带内的人为工程（例如以流体压裂方式进行水合物开采、钻井稳定性）、水合物稳定带内的海底滑坡、海底水合物分解-海底气体释放等课题，具有理论和应用意义。本文以数值模拟研究方法，对水合物稳定带内裂隙影响的气体流动、以及水合物稳定带内的流体压裂过程，开展了研究。首先，以南水合物脊为例，用等效裂隙模型近似流体压裂后沉积物的水力学特征、同时考虑了水合物形成过程中引起的温度和盐度升高对水合物形成的自抑制作用，对局部、高通量、集中式气体流动自水合物稳定带底界穿越整个水合物稳定带的动力学过程，进行了二维数值模拟研究，尝试为气体为什么能够穿越水合物稳定带、气体在什么条件下能够穿越稳定带等问题提供更好的认识。然后，针对目前尚没有数值程序能够显式、直接地模拟计算水合物稳定带内流体压裂过程相关的离散裂隙形成、流体流动、以及水合物反应，我们对相关的数值程序进行了耦合，对水合物稳定带内的流体压裂过程进行了算例模拟。基于以上的研究内容和研究工作，我们主要获得了以下几个方面的结果和认识：（1）我们的数值模拟计算证明，气相甲烷之所以能够穿越水合物稳定带，在本质上是因为：向上供给甲烷的速率超过了水合物形成所消耗甲烷的速率。气体能否穿越整个水合物稳定带，取决于水合物稳定带各深度上两者的竞争、比较，而非单方面高低的原因。流体压裂过程利于气体穿越水合物稳定带，是因为流体压裂过程能够引起向上供给甲烷的速率增加。（2）气体能够穿越水合物稳定带的条件或关键因素是：存在集中式、高通量的气相甲烷在水合物稳定带底界向上供给。例如在南水合物脊，初始阶段时，向水合物稳定带底界供给的甲烷通量应该在1.0e-5 kg m-2 s-1数量级上。该数量级通量的气相甲烷供给，可以通过以下两种途径实现：①来自深部的气相甲烷，低通量的、长时间的供给，在水合物稳定带底界之下聚集气体并形成超压，然后在水合物稳定带底界附近形成流体压裂，形成高渗透性通道，实现高通量的气相甲烷向上流动；②或者直接来自深部的高通量气相甲烷供给。（3）集中式、高通量的气体流动，穿越水合物稳定带的动力学过程大致是：随着深部气体向水合物稳定带底界供给，水合物稳定底界之下（或水合物稳定带之内）的气体聚集将积累压力，当超压超过上覆岩层有效应力时，沉积物将被压裂，形成如气烟囱般的运移通道，再在气体超压和浮力的作用下，允许发生局部、高通量、集中式的向上气体供给（足以大于水合物形成所引起的甲烷消耗）。流体压裂后，初始阶段的快速水合物形成，致使气烟囱结构内的温度增加，促进气相甲烷穿越水合物稳定带。随之，因为近海底沉积物的温度已经降回到海底水团的温度，高饱和度的水合物率先在近海底沉积物中形成；同时，高盐度异常在近海底沉积物孔隙水中出现。接着，在气烟囱结构内，水合物以较低的速率继续形成；随着水合物饱和度的增加，气烟囱结构内的渗透率逐渐降低，直至来自下方的甲烷供给停止。之后，起初增加的温度和盐度将逐渐消散；而在水合物稳定带底界之下，气体超压有可能再次聚集，直到再次引致下一周期的气体穿透。（4）我们的数值模拟计算证明和限定了：穿越水合物稳定带的气体流动，不仅是局部集中式、高通量的，而且是间歇式的。我们的计算表明，例如在南水合物脊ODP Site 1249站位所观测到的近海底高盐度异常、温度、以及水合物饱和度趋势，是这类间歇式、高通量气相甲烷穿越水合物稳定带的结果。（5）我们呈现了一种将IC-Ferst和Solidity耦合程序与TOUGH+Hydrate程序相耦合的方法。通过一个算例的初步计算，本文呈现的耦合计算方法有潜力应用到水合物稳定带内流体压裂相关问题的研究。（6）在水合物稳定带内的沉积物中，与不存在流体压裂、裂隙网络时相比，实现流体压裂、形成裂隙网络后，沉积物中的水合物反应和流体流动差异，有待得到更好的认识。 |
| 源URL | [http://ir.scsio.ac.cn/handle/344004/18143]  |
| 专题 | 南海海洋研究所_学位论文（博士） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘金龙. 海洋天然气水合物稳定带内流体压裂与气体流动的数值模拟研究[D]. 南海海洋研究所. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：南海海洋研究所
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