电磁振荡条件下成岩天然气水合物热动力学特性及对井壁稳定的影响研究

Diagenetic gas hydrate is abundant in permafrost regions of China. For guaranteeing the borehole stability, it is difficult to achieve the sustainable and controllable self-decomposition condition by using the traditional technology during mining diagenetic gas hydrate. In this project, taking the diagenetic gas hydrate of permafrost regions as research object, the microscopic characteristics of cell structure of diagenetic gas hydrate, such as molecular saturation, lattice share and object molecular characteristics, will be revealed firstly based on quantum mechanics theory. Secondly, using numerical simulation of molecular dynamics, change process of micro thermodynamic of hydrate molecular will be investigated considering the effect of electromagnetic vibration. Thirdly, thermodynamic characteristics of diagenetic gas hydrate during the decomposition process will be analyzed through electromagnetic vibration test. As well as the heat transfer model for the phase transition of diagenetic gas hydrate and the coupling model of hydrate dissociation and gas-liquid flow under electromagnetic vibration will be developed. Finally, using the numerical simulation and physical model test, we will research the evolution of the stress field and the borehole stability under the effect of the phase rapid change of the diagenetic gas hydrate. In addition, the influence mechanism of the diagenetic gas hydrate dissociation on the borehole instability will be revealed. The research results will not only enrich the natural gas hydrate thermodynamic theory, but also provide a technical guidance for harmonious exploration and development of diagenetic gas hydrate.

我国冻土地区成岩天然气水合物蕴藏丰富，传统的天然气水合物开发技术较难达到确保井壁稳定下的成岩天然气水合物持续可控自流分解条件，严重制约其工业化开采。本项目拟以冻土成岩天然气水合物为研究对象，基于量子力学理论，分析不同赋存条件下成岩天然气水合物分子饱和度、晶格占有率、客体分子等特性，揭示其微观晶胞结构特征；利用分子动力学数值模拟，研究水合物微观晶胞结构受电磁振荡环境影响时的微观热动力学变化过程；通过室内电磁振荡试验，分析成岩天然气水合物分解时的热动力学特性，建立电磁振荡条件下成岩天然气水合物相态转换的传热过程模型、水合物分解与气液流动耦合动力学模型；采用数值分析与模型试验相结合的方法，分析成岩天然气水合物相态急剧变化下储层应力场演变及结构稳定，揭示其对井壁坍塌失稳的影响机制。研究成果不仅可丰富天然气水合物热动力学理论知识，而且可为成岩天然气水合物安全、绿色、低成本勘探开发提供技术指导。

我国冻土地区成岩天然气水合物蕴藏丰富，传统的天然气水合物开发技术较难达到确保井 壁稳定下的水合物持续可控自流分解条件，严重制约其工业化开采。本项目在厘清成岩天然气水合物成藏地质条件与储层物、化、微观特性基础上，首先，结合储层环境下不同岩石粒径成岩天然气水合物饱和度试验结果，建立了水合物饱和度预测模型。其次，利用Gaussian软件模拟分析了天然气水合物微观结构稳定性、极化响应特征和微观弹性特性，揭示了水合物微观分子晶胞结构特征，得到了水合物分子分解微观性质变化规律。第三，建立了成岩天然气水合物分解热力学模型与剩余热力学模型，并厘清了水合物稳定极限的单一热力学变量压力-温度关系、原始水合物浓度与当前水合物稳定性极限的关系。第四，构建了电磁波在不同浓度乙醇溶液中传播数学模型并开展模拟分析，得到了乙醇浓度和电磁振荡频率对电磁波传播的影响规律，厘清了乙醇初始浓度、电磁振荡频率、多孔介质导热率和多孔介质比热容对电磁振荡加热分解水合物的影响机制，并获得电磁振荡引起天然气水合物相态变化的临界条件。第五，研制了成岩天然气水合物原位合成与分解三轴多功能试验系统，测试了人造岩心试样孔隙度与渗透率，并开展三轴力学试验得到了成岩天然气水合物的力学参数，厘清了成岩天然气水合物力学性质与孔隙压力、温度、围压等的相关关系，进而建立了电磁振荡条件下多孔介质中天然气水合物分解与气液流动耦合动力学模型。第六，通过数值模拟，分析了水合物分解析出气液两相在地层中的渗流规律，得到了水合物分解与气液渗流对地层应力、温度与压力的影响机理，揭示水合物分解引起井壁失稳机制。最后，结合电磁振荡成岩天然气水合物分解热动力学机制、水合物分解与气液流动耦合动力学特性研究成果，提出一种电磁振荡可控分解成岩天然气水合物方法。研究成果不仅可丰富天然气水合物热动力学理论知识，而且可为成岩天然气水合物安全、绿色、低成本勘探开发提供技术指导。