海洋非成岩天然气水合物藏固态流化采空区安全性评价
伍开松1, 王燕楠1, 赵金洲1, 周守为2, 陈柯杰1, 沈家栋1, 郑利军3
1.西南石油大学
2.中国海洋石油总公司
3.中海油研究总院
通信作者:王燕楠,女,1983年生,硕士;主要从事岩石破碎、海洋天然气水合物开发等方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道8号。电话:(028)83032739。E-mail: qqhaixiao@163.com

作者简介:伍开松,1961年生,教授;主要从事海洋天然气水合物开发方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道8号。电话:(028)83033463。ORCID: 0000-0002-4270-5581。E-mail: wks9998@163.com

摘要

为了解决固态流化法开采海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)采空区安全性如何评估的问题,以中国南海神狐海域的水合物藏为例,根据水合物射流破碎流化开采工艺及流程,基于圣维南原理建立了采空区有限元模型并进行了网格精度验证,采用研究区水合物藏的物性参数和力学特征参数,模拟分析了垂直和水平采空区的稳定性问题,并探索了海洋非成岩水合物稳定层采空区的安全评价方法。结果表明:①基于圣维南原理建立的海底采空区有限元分析模型能够保证计算精度且计算工作量不大;②垂直采空区最大偏应力随采空区直径的增加呈现出先快速增加后缓慢增加的趋势,最大应变则随采空区直径的增加而呈线性增加;③垂直采空区的安全问题主要受到应力水平的控制,采空区直径不宜超过800 mm;④水平采空区最大偏应力和最大应变均随水平采空区直径的增加而呈现出单调增加的趋势。结论认为:垂直采空区的直径可以达到比较大的临界值,其安全性主要属于采空区井壁强度问题;而水平采空区的临界直径值则比较小,其安全性主要属于采空区稳定性问题。

关键词: 有限元; 水合物; 固态流化开采; 水平采空区; 垂直采空区; 安全评价; 中国南海; 神狐海域
Safety evaluation on the solid fluidized goaf zone in marine non-diagenetic hydrate reservoirs
Wu Kaisong1, Wang Yannan1, Zhao Jinzhou1, Zhou Shouwei2, Chen Kejie1, Shen Jiadong1, Zheng Lijun3
1. Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China
2. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China
3. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China
Abstract

As for the solid fluidization exploitation of marine non-diagenetic natural gas hydrate (NGH), the basic problem is how to assess the safety of such goaf zones. In this paper, a finite element analysis model for goaf zones was established according to the St. Venant principle and the technology and process of NGH jet breaking and fluidization exploitation with the NGH reservoirs in the Shenhu sea area of the South China Sea as an example, and its grid accuracy was verified. Then, the stability of the horizontal and vertical goaf zones were simulated and analyzed based on the physical and mechanical parameters of NGH reservoirs in the study area. Finally, a safety evaluation method for goaf zones in the resistant beds of marine non-diagenetic NGH was investigated. And the following findings were obtained. First, this finite element analysis model for submarine goaf zones can ensure the calculation accuracy with a small amount of calculation work. Second, with the increase of the diameter of a goaf zone, its maximum deviatoric stress increases rapidly first and then slowly, and its maximum strain increases linearly. Third, the safety of a vertical goaf zone is mainly dominated by the stress level and its diameter shall not exceed 800 mm. And fourth, with the increase of the diameter of a goaf zone, its maximum deviatoric stress and maximum strain follow the trend of monotonic increase. It is concluded that the diameter of a vertical goaf zone can reach a higher critical value, and the safety is mainly dependent on its borehole wall strength. Besides, the critical diameter of a horizontal goaf zone is relatively small, and the safety mainly relies on its stability.

Keyword: Finite element; Natural gas hydrate; Solid fluidization exploitation; Horizontal goaf; Vertical goaf; Safety evaluation; South China Sea; Shenhu sea area
0 引言

从笔者查阅到的海洋天然气水合物(以下简称水合物)现场取样的样品来看[1, 2, 3], 海洋水合物藏大多数都是属于非成岩水合物。所谓“ 非成岩水合物” 是指赋存于未胶结的、松散的或碎屑的泥砂沉积物中的水合物。换句话说, 当非成岩水合物分解并释放天然气后, 其残余物主要为水和泥砂沉积物所组成的混合浆体。

海洋非成岩水合物储藏特征表现为:埋深浅、储量大、胶结性差, 并且水合物稳定层的上覆地层多数也是未成岩的泥砂沉积层, 强度低, 密闭性较差。所以海洋非成岩水合物藏开采属于世界性难题。其最大开采风险为:①水合物储层中的天然气采出后会造成地层亏空, 同时, 原始的固态的水合物稳定层会变成可流动的浆体层, 极易造成海底滑坡或垮塌等地质灾害; ②由于水合物稳定层的上覆地层多数为泥砂沉积层, 密闭性较差, 在钻井或开采过程中, 一旦水合物稳定层局部出现分解, 自由天然气在地层中容易失控, 出现四处逃逸现象, 极易造成生产灾难和环境污染[4]

以周守为院士为首的海洋水合物藏开发研究团队, 在全球首次提出了“ 海底非成岩水合物藏固态流化开采新方法” [5, 6]。该方法的基本思想是:首先通过直接采掘破碎海底水合物稳定层, 获得固态水合物碎屑; 采掘破碎过程中混入适量的来自海面的热海水, 形成可流动的水合物浆体(流化); 然后通过密闭的管道, 将水合物浆体从海底输送到海上的开采平台; 再由开采平台上(或海底)的密闭容器分解分离水合物浆体, 收集逸出的天然气; 最后将分离后的泥砂, 再补充适量的海沙, 回填到采空区, 尽量保持海底原貌。通过边开采边回填的方式, 直至整个水合物稳定层开采完毕。从理论上, 固态流化开采思想解决了海底非成岩水合物开采这一难题。但是, 该方法须解决的关键科学问题之一, 就是单次采空区的强度和稳定性问题。

1 射流破碎流化开采工艺

射流破碎流化开采是海洋非成岩水合物藏固态流化开采方法中的一种工艺。该工艺的优势是:在海洋非成岩水合物储层中, 没有采用常规方法[7, 8](如降压法, 热激发和注抑制剂法等)的开采原理— — 都是直接在储层原位分解水合物稳定层来获取天然气。而固态流化开采则是在基本不改变储层的温度和压力条件下, 通过射流破碎方式, 破碎固态水合物储层, 同时将其流化成浆体, 再吸入上返管道。然后利用连续油管上的上返装置、井下分离器、泥砂回填装置及机械破碎等工具串, 进行水合物射流破碎流化开采工艺的实施, 如图1-a所示。该方法的基本流程是:利用前端采掘破碎工具打领眼井, 然后在领眼井段与射流破碎井段之间设计圆锥形过渡段以利于破碎颗粒的上排, 利用连续油管下放喷嘴进行射流破碎与流化, 井下分离, 水合物流化浆体通过立管向上输送, 海面分解与分离, 以及泥砂回填固化等基本步骤, 如图1-b所示。

图1 射流破碎流化开采工艺与流程示意图

2 采空区有限元模型研究
2.1 采空区有限元模型建立

根据水合物射流破碎流化开采工艺及流程, 如图1-a所示, 为了简化计算模型, 忽略领眼井段与射流破碎井段之间的圆锥形影响。将水合物稳定层的垂直采空区简化为圆柱形空腔。假定水合物稳定层以上属于泥砂沉积体, 水气能在其中渗透。则海洋水合物稳定层的上覆地层的垂向主应力计算如下[9]

式中σ V表示采空区处上覆地层垂向主应力, Pa; γ Wγ Wi分别表示海水的重度和第i层沉积物的水饱和重度, N/m3; hWhi分别表示海水深度和采空区上覆地层的第i层沉积物厚度, m; n表示采空区上覆地层的层数。

式中σ Hmaxσ Hmin分别表示采空区中心处最大、最小水平主应力, Pa; 由地应力测井资料确定; KHmax表示最大水平主应力和垂向主应力的比例系数; KHmin表示最小水平主应力和垂向主应力的比例系数。

根据圣维南原理— — 局部应力集中对远场应力没有影响。以垂直采空区为例, 建立有限元模型(图2)。设采空区处海水深度为1 300 m, 距海床表面108 m, 采空区直径为d。围绕采空区从地层中截取隔离体, 取隔离体的几何模型的水平截面尺寸取为10 d× 10 d, 垂向尺寸取所需开采水合物稳定层的厚度H=5 m。取隔离体的oxyz坐标系如下:x轴为最大水平主应力方向; y轴为最小水平主应力方向; z轴为垂直主应力方向。

图2 有限元力学模型与网格验证

有限元边界条件为:几何模型上表面施加压力载荷(沿z轴负方向), 其值取垂向主应力值, 下表面施加z轴方向的位移约束; 几何模型右侧面施加压力载荷(沿x轴负方向), 其值取最大水平主应力值, 左侧面施加x轴方向的位移约束; 同理, 几何模型后表面施加压力载荷(沿y轴负方向), 其值取最小水平主应力值, 前表面施加y轴方向的位移约束。这样设置边界条件的最大好处是隔离体在宏观上形成了上下、左右和前后3个互相平衡的力系, 符合地层的实际受力状态。由于采空区尺度d远远小于模型尺度10 d, 根据圣维南原理, 采空区附近的应力和应变的有限元仿真结果就是精确的, 与实际工况吻合。另外, 在采空区圆柱内表面上施加井筒液柱静水压力边界。由于整个力学模型属于轴对称性问题, 取四分之一模型分析, 如图2-a所示。

2.2 网格精度验证

采空区有限元模型采用C3D8R单元类型和六面体结构网格, 采空区中心区域网格较密, 外围网格较稀疏, 由里到外缓慢变化, 如图2-b所示。为验证仿真模型的网格独立性。采用上述相同的物理参数和边界条件对四种不同网格数量的模型进行有限元数值模拟, 得到计算结果如表1所示。

表1 有限元网格独立性验证表

表1中看出, 网格数量对仿真结果有一定的影响, 随网格数量增加, 有限元模型计算的最大偏应力值和最大应变值都在逐渐增加, 当网格数量增加到119 952, 计算结果趋向稳定。网格数量越多仿真计算所需要的时间越长, 因此综合考虑仿真时间和仿真结果精度, 折中选用网格数量为119 952个的模型可满足网格独立性。

2.3 水合物稳定层物性参数及本构关系

从我国南海神狐海域水合物层的部分钻孔取样组分来看, 如SH-2钻孔沉积物砂粒级配为:黏土(< 4 μ m)占8.3%、粉砂(4~63 μ m)占44.7%、细砂(63~250 μ m)占35.4%、中砂(250~500 μ m)占11.6%, 基本属于泥质细粉砂; 又如SH-7钻孔沉积物砂粒级配为:黏土(< 4 μ m)占0.4%、粉砂(4~63 μ m)占23.5%、细砂(63~250 μ m)占32.2%、中砂(250~500 μ m)占29.1%、粗砂(500~2 000 μ m)占14.8%, 基本属于泥质中细粉砂。水合物饱和度20%~40%[10]。根据李令东等[11]和张旭辉等[12]对水合物沉积物的力学性质研究结果表明:一般情况下, 沉积物砂粒粒度越小水合物强度越低, 塑性更大, 更易于变形。因为水合物稳定层的砂粒实际现场级配可能有些波动, 从偏于安全的角度考虑, 笔者采用文献[11]中的强度较低的膨润土水合物岩样所测定的数据, 作为水合物稳定层的基本力学特性参数。

水合物稳定层具有明显的土力学特征, 故笔者采用了Drucker— Prager材料本构模型[13, 14](以下简称D-P)。根据文献[11]中的膨润土沉积物岩样的实验数据和实验曲线, 选取和提取有关材料参数为:围压15 MPa, 弹性模量1.25 GPa, 泊松比0.32, 内摩擦角φ =7.2° , 内聚力1.2 MPa。参照三维模型中, Mohr— Coulomb模型的内摩擦角(φ )和D— P模型材料参数内摩擦角(β )的转换公式为[15]

根据式(4)、(5), 可以计算出D— P模型材料所需基本参数, 内摩擦角(β )=14.66° , 流动应力比K=0.919 8, 初始屈服应力2.5 MPa。依据文献[11]中膨润土水合物岩样的应力— 应变关系曲线, 提取并处理可得D— P硬化参数, 如表2所示。

表2 水合物稳定层D— P硬化参数表
3 采空区安全性分析与讨论

从海洋非成岩水合物固态流化开采工艺来看, 首先是采掘破碎, 然后流化管输, 再是分解分离获取天然气, 最后是回填固结。为了保证在回填固结之前, 采空区不会破坏开裂或者失稳垮塌, 需要研究采空区直径对水合物稳定层的应力与应变的影响。

3.1 垂直采空区

射流破碎流化开采所形成采空区的直径大小, 直接关系到水合物稳定层开采生产的安全问题。由于本次试采目的是检验海洋非成岩水合物固态流化开采的各种工艺的可行性, 所以采空区研究以垂直采空区为主。垂直采空区附近网格密度与网格验证模型的网格密度接近或相同, 以便保证计算精度。改变垂直采空区直径从100 mm到1 600 mm, 分别用有限元方法分析各种直径下的最大偏应力和最大应变, 分别绘制曲线图, 如图3所示。

图3 垂直采空区直径对最大偏应力和最大应变影响图

从图3中可以看出, 随着采空区直径增加, 其最大偏应力逐渐增加, 接近于线性变化; 而其应变则是先呈现迅速增加, 紧接着呈现比较平缓增加, 甚至微小波动。由此说明, 垂直采空区的安全问题主要受到应力水平控制, 属于强度问题。就本文的理论计算数据来看, 采空区直径达到1 600 mm仍然处于安全状态, 考虑井眼不规则和地应力载荷确定误差等因素影响, 建议采空区直径不要超过800 mm。

3.2 水平采空区

为了提高固态流化开采效率, 可能需要采用水平开采方式。水平采空区的力学模型与垂直采空区基本类似。但几何模型发生了变化, 垂直采空区的隔离体几何模型在xy方向上几何尺寸是随着采空区的直径(d)变化而变化, 始终保持10 d的关系。本次分析的最大水平采空区直径是0.5 m, 为简化水平采空区几何建模, 这里取隔离体的几何模型的xyz三个方向的尺寸均为5 m, 构成一个尺度不变的立方体。然后在隔离体的yoz截面的中心, 沿着x轴方向(即最大水平主应力方向)建造直径分别为100、200、300、400、500 mm的圆柱通孔, 构成水平采空区有限元分析的几何模型。

水平采空区的有限元模型的边界条件与垂直采空区的相同。注意水平采空区圆柱内表面也需要施加井筒液柱静水压力。水平采空区几何模型的网格密度与垂直采空区的类似, 符合前面的网格验证要求。

水平采空区直径分别从100 mm增加到500 mm, 进行有限元分析计算。分别提取不同直径条件下最大偏应力和最大应变, 用水平轴代表采空区直径, 垂直轴代表最大偏应力或最大应变, 如图4所示。

图4 水平采空区直径对最大偏应力和最大应变的影响图

从图4可以看出, 随着采空区直径增加, 其最大偏应力呈现单调增加。与同样直径的垂直采空区应力水平相比较, 应力增加幅度较大。尤其值得注意的是:当水平采空区直径达到200 mm左右时(此时, 已经达到或刚好超过初始屈服应力2.5 MPa), 水合物稳定层出现一个较小的稳定变形阶段。当直径超过300 mm后, 水合物稳定层中的最大应变出现一个急剧上升的现象。由此可见, 水合物稳定层在水平采空区周围将出现急剧的变形, 容易导致水平采空区出现失稳破坏, 进一步有出现垮塌的危险。因此水平采空区的直径在开采过程中不宜太大, 一旦超过某一临界值后, 其采空区的变形会急剧增加, 直接威胁到水平开采区的稳定性问题。

根据有限元分析结果, 参照前节的图4沿着垂直采空区圆柱孔的圆周方向, 取x轴方向为0° , 逆时针旋转提取偏应力; 类似地, 沿着水平采空区的圆周方向提取偏应力; 绘制角度与偏应力关系曲线图, 如图5所示。

图5 垂直和水平采空区孔周偏应力变化图

从图5可以看出:垂直采空区最大偏应力值较小, 且分布比较均匀, 这是垂直采空区极限安全采空直径可以较大的主要原因。而水平采空区不仅最大偏应力值较大, 而且变化比较剧烈, 容易导致井壁失稳, 也可能出现强度破坏, 所以水平采空区的极限安全采空直径不宜过大。

4 结论

1)基于圣维南原理, 开发了一套适合于海底采空区的有限元分析模型。尤其是边界条件和模型尺度的确定具有独特性, 既能保证计算精度, 而计算工作量也不太大。

2)根据垂直采空区孔周应力分布规律和不同直径条件下垂直采空区最大偏应力的变化规律, 可以判断垂直采空区的极限安全直径主要是受井壁强度的控制。因此, 垂直采空区的安全性主要属于强度问题。

3)水平采空区的孔周应力存在剧烈变化; 另外水平采空区直径超过某一临界值后, 水平采空区的形变会急剧上升。由此可见, 水平采空区的安全性主要属于井壁稳定性问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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