文摘

天然气水合物是一种潜在的未来能源,广泛分布在海洋沉积物和冻土地区。气体的物理性质和力学行为hydrate-bearing海底沉积物具有重要意义的稳定和安全的平台。2013年,大量压力的核心是恢复在中国第二天然气水合物钻探探险队在南中国海。在这项研究中,我们确定了天然气水合物分布、饱和,气体的物理性质和机械行为hydrate-bearing沉积物进行多传感器核心记录器测量和三轴和渗透性测试。传播天然气水合物、天然气水合物静脉和天然气水合物沉积物中观察板。天然气水合物分布和饱和空间异构,天然气水合物饱和度为0% -55.3%。气体的偏应力峰值hydrate-bearing沉积物是0.14 - -1.62 MPa下0.15 - -2.3 MPa有效围压应力。0.006 -渗透率 ,它随增加天然气水合物饱和度和埋藏深度。

1。介绍

天然气水合物,广泛分布在大陆边缘和冻土地区,被认为是一个潜在的可再生能源资源。了解气体的物理性质hydrate-bearing沉积物从海洋沉积物对天然气水合物生产很重要1- - - - - -5]。根据上行甲烷通量、温度、压力、孔隙水盐度、埋藏深度和天然气水合物的分布有很大的波动从海底到几百米深的海底以下(6- - - - - -9]。以前的实验室测试和数值模拟表明,天然气水合物形成和分解可能会改变沉积物的性质,如他们的渗透率和力量10- - - - - -15]。导致强度降低天然气水合物分离可能导致地质灾害,如山体滑坡(大陆16,17和海底沉降。

实验室实验是主要的方法用于确定气体hydrate-bearing沉积物的物理性质,如渗透性和抗剪强度。关键参数,如渗透性和抗剪强度,可以通过数值模拟所需的实验室实验和现场测试(18]。实验室使用的天然气水合物实验是合成(19- - - - - -21)或自然样品(22- - - - - -24]。为了防止天然气水合物从游离在核心检索从海洋沉积物23,25,26),近年来各种密闭取心工具开发(3,27- - - - - -29日];然而,只有很少的研究一直在进行压力气体核心hydrate-bearing沉积物(22,23,30.]。

六个天然气水合物钻探探险(31日- - - - - -37)和两个生产测试是成功进行的广州海洋地质调查局2007年和2019年之间在南海北部大陆坡(38];然而,气体的地质属性和渗透率hydrate-bearing沉积物尚未公开报道。在这项研究中,我们确定的物理性质hydrate-bearing压力核心沉积物从珠江口盆地获得2013年在南中国海。进行了x射线成像和纵波速度和伽马密度是使用多传感器测量的核心记录器(MSCL)。天然气水合物饱和度估计通过减压。气体hydrate-bearing沉积物的物理性质,包括渗透率和力量,是使用压力测量的核心分析和传输系统(PCATS) GeoTek开发的公司。通过比较我们的结果与先前的研究中,我们调查了影响天然气水合物的分布、饱和度、有效的围岩强度和埋藏深度渗透和沉积物的强度。

2。材料和方法

沉积物被检索使用密闭取心工具在GMGS2在珠江口盆地北部大陆坡南中国海(图1)。PCATS已用于天然气水合物勘探很长一段时间(22]。它可以使气体hydrate-bearing沉积物原始原位压力(高压)在整个取心和加工过程,使进一步的陆上天然气水合物的分析。通过使用PCATS、原位压力维护和高压灭菌器的核心被转移到一个日志室的伽马密度、纵波速度进行了测定和x射线成像。此外,使用PCATS,核切成次级样本下原位(表压力1)进行进一步的测试,包括三轴和渗透性测试。一些次级样本减压估算天然气水合物饱和度。核记录的温度和压力在整个过程(图2)。


图1
研究区域的地形和钻探地点的位置。南中国海的插图显示了地形和研究区域的位置。
表1
关于次级样本和测试结果的信息。
(一)
(一)
(b)
(b)
图2
(a)比较的压力和温度条件下天然气水合物相图。粉色线:相界面的甲烷水合物在3.5 wt %氯化钠溶液(8]。黑线:密闭取心系统的部署,包括从船到海底,在钻孔内,从海底回船,并从甲板上实验室。蓝线:在PCATS整个三轴试验。红线:脱气核心的压力。(b)温度和压力随时间变化的核心。
2.1。PCATS MSCL测试

伽马密度测量使用137 Cs源和碘化钠探测器,误差为±2%。纵波速度测量使用脉冲传输技术在250 kHz,误差为±1%。使用微焦点x射线图像采集源和图像增强器像素的分辨率为120微米。多色的x射线源的电压和电流调谐提供最好的质量。所有的数据收集在一个0.5厘米的间距。

2.2。PCATS三轴强度和渗透性测试
2.2.1。准备

基于MSCL日志数据,特定的间隔从三轴测试的核心。次级样本被转移到一个三轴转船的原位压力和温度下8°C-10°C防止天然气水合物分离。次级样本(长度:115毫米,直径:57毫米)都被转移到PCATS三轴仪(22]。

整合之后,连续应用程序有效的原位应力的计算值(表1)。孔隙压力降低,同时保持围压,以便申请样品上的有效应力。原地有效应力估计使用logging-while-drilling密度测井(39]。积极的轴向载荷,通过逐步移动顶罩下来的样本合并,也是维护以确保顶盖和样品之间的联系。

2.2.2。渗透试验

对样品的渗透率测量水头和流量测量样本。头部压力调整创造足够的流过样品在合理的时间范围内完成渗透率测量(12小时)。压力和流体体积随着时间记录,并在此基础上,渗透系数( )计算和转换为渗透率( )如下: 在哪里 是水的流量, 横截面积, 液压压头, 样品的长度, 粘度是流体动力学, 是流体密度, 重力加速度。动态粘度的水被认为是 在5°C (40]。

2.2.3。三轴试验

渗透试验后,不排水三轴试验进行了使用恒定的轴向应变率(2%的样本的身高每小时记录样本的变化)。进行了测试,直到样品失败或伺服驱动器提供负载的转矩限制样本了。轴向载荷,轴向应变,细胞压力和孔隙压力测试期间的记录。

2.3。减压和天然气水合物量化

次级样本是减压、和所有的水和气体收集发布。在降压过程中,有效的围压力大于孔隙压力的为了避免液体泄漏。天然气总额计算是基于气体释放在减压,收集在2000°C和大气压力在一个水mL-measuring气缸。沉积物的温度和压力测量的原位固探测器是用来计算甲烷饱和(41]。当气体总量大于甲烷的饱和孔隙水,额外的甲烷被认为是甲烷水合物。

3所示。结果

三个核心压力从水井GMGS2-05B检索,GMGS2-08C, GMGS2-16D。给出了次级样本的基本信息表1。

3.1。核心- t条件的压力

核心的压力和温度传感器记录的取芯器(图2)。在部署期间,温度降低,压力随着水深的增加而增加。水的深度 米,取心工具进入天然气水合物稳定带(图2(一个))。沉积物在取心工具,密封后的压力几乎维持在一个恒定值,但温度增加缓慢,由于气候变暖的海水和空气在核心检索。在三轴和渗透性测试,11和19 MPa之间的压力变化由于核心业务。温度低于10°C的取心操作(图2 (b))。渗透测试是紧随其后的是脱气。虽然在取心的操作压力和温度变化,基于相图(图2(一个)),天然气水合物不分解。

3.2。MSCL测量和天然气水合物饱和度

子样品的减压05 b-2p-1b表明甲烷浓度不超过原位甲烷气体在孔隙水饱和度,表明在这个子样品没有天然气水合物。05 b-2p-1b的x射线图像显示了一个同质的岩性、与观察到的灰色粘土一致的核心(图描述3)。平均伽马密度为1.9克/厘米3,变化小于0.1克/厘米3,平均p波速度(Vp)是1505米/秒,用不到15米/秒的一种变体。


图3
典型的伽马密度(红点),纵波速度(蓝点),和次级样本的x射线图像。

子样品的x射线图像08年c-4p-1b显示许多天然气水合物层和静脉(图1 - 5毫米3)。08年c-4p-1a5减压和08年c-4p-1b透露,他们的天然气水合物饱和度孔隙体积的9.7%和14.4%,分别。伽马密度和Vp价值几乎是常数,平均值为1.8克/厘米3和1610 m / s。

四个次级样本16 d-13a减压。除了16 d-13a-1a2子失去了甲烷在减压,其他三个样本的天然气水合物饱和度孔隙体积的44% - -55%。16 d-13a-1a2的x射线图像没有显示不同的天然气水合物分布(如层和静脉);因此,推测,天然气水合物可能是精细分布在孔隙空间(图3)。这个核心由同质的粉质粘土和饼干的间隔。密度没有显著变化;然而,副总裁达到高值1700 - 2050 m / s。

3.3。的气体渗透率Hydrate-Bearing沉积物

渗透测试是进行五个样本(05 b-2p-1b, 08年c-4p-1a5 08 c-4p-1b 16 d-13a-1a2,和16 d-13a-1b);所有的成功,除了16 d-13a-1b。顶部和基底压力记录随时间变化如图4。计算出的液压压头压差乘以恒定的压力(10 kPa / m)从0.05米到0.08米不等。次级样本的流速范围 来 ,用线性拟合(图4)。05 b-2p-1b的渗透率,08年c-4p-1a5, 08年c-4p-1b 0.055 - ,而16 d-13a-1a2只有 ,这是一个数量级低于别人。


图4
流量和渗透测试的时间。
3.4。气体Hydrate-Bearing沉积物的力量

三轴抗压强度进行了测试在每个子样品在不同有效围压压力。偏应力峰值被定义为10%的偏应力在一个轴向污点,如果没有达到了峰值测试结束。

图5显示了次级样本的应力-应变曲线。除了05 b-2p-1b展品轻微的应变软化,其他六个样品表现出应变硬化,尤其是次级样本16 d。基于初始strain-stress曲线的斜坡,16 d-13a更高的刚度比05年b-2p和08年c-4p。05 b-2p-1b的偏应力峰值为0.285 MPa的有效围压应力下0.15 MPa。08年的偏应力峰值c-4p-1a5和08年c-4p-1b 0.135 MPa和0.265 MPa,分别在0.15 MPa的有效围压应力。对比试验进行了次级样本的16 d在各种有效的围岩压力。16 d-13a-1a6c和d-13a-1a2的偏应力峰值分别为1.185和1.619 MPa,分别在1.6 MPa的有效围压应力,而16 d-13a-1b的值和16 d-13a-1c 1.553 MPa和1.493 MPa,分别在2.3 MPa的有效围压应力。应该注意的是,一些曲线表现出偏应力突然降低;例如,样本的偏应力16 d-13a-1b的轴向应变7%从1.40 MPa逐步下降到1.05 MPa,但它在短时间内恢复。


图5
偏应力与轴向应变在PCATS三轴试验。

4所示。讨论

4.1。天然气水合物分布和埋深

天然气水合物分布控制的埋深(42)和流体迁移模式(25,43- - - - - -46]。x射线图像表明,天然气水合物的形式在浅静脉沉积物~ 17米(08年c-4p-1a5和08年c-4p-1b)。在深海沉积物,沉积物孔隙中的天然气水合物是传播(16 d-13a,深度~ 200)或填充骨折(16 d-13a-1b,深度~ 200)。这个观察是一致的猜测戴et al。43),天然气水合物分布受有效应力和增长空间。在浅层沉积物中,天然气水合物成核和结晶可以克服静岩压力和形成天然气水合物静脉和层。在深海沉积物,天然气水合物的增长不能克服静岩压力,因此,他们只能在孔隙空间形式,先前存在的缺点和骨折。

4.2。因素控制气体Hydrate-Bearing沉积物的物理性质

有人建议,气体hydrate-bearing沉积物的物理性质密切相关的天然气水合物饱和度和有效围压应力(24,26]。此外,天然气水合物层和静脉被发现在海洋沉积物中海洋海地区,这可以改变海洋沉积物从各向同性、各向异性材料(47,48]。这种材料性能的不均匀性增加的困难预测海底沉积物在天然气水合物的稳定生产(38]。

4.2.1。准备天然气水合物饱和度对沉积物的影响强度和渗透性

沉积物的渗透率是影响天然气水合物饱和度(图6)。我们的结果显示消极的渗透率和水合物饱和度(图之间的关系6)。天然气水合物沉积物中含量增加时,天然气水合物所占据的孔隙空间可能是谷物,从而减少沉积物的渗透率10,14,49]。


图6
渗透率和水合物饱和度之间的关系。

先前的研究显示,粗粒度沉积物的刚度和强度增加而增加天然气水合物饱和度(21,50,51]。韦特et al。52)指出,天然气水合物在偏应力峰值的影响相当有限,当饱和度小于30%;然而,影响饱和度大于40%时就显著增加。Hyodo et al。11)实验确定指数偏应力峰值和天然气水合物饱和度之间的关系。前的横波速度没有明显增加天然气水合物饱和度达到40%,表明天然气水合物的影响强度和刚度的沉积物不显著低于这一点。Yoneda et al。24)指出,天然气水合物饱和度的影响类比天然气水合物和实验室合成的标本。在现实中,实验室合成的标本更容易均匀的天然气水合物形成的孔隙空间的谷物,而天然气水合物在自然界中通常更异构在孔隙空间和骨折。因此,这个比较时应考虑天然气水合物饱和度的影响的实验室合成和天然气hydrate-bearing沉积物。

图7显示了天然气水合物饱和度和沉积物强度之间的关系。由于次级样本05 b-2p, 08年c-2p和16 d-13a受到不同有效应力,天然气水合物饱和度的影响在这些样品无法相比的优势。日食的图7说明三对次级样本,从同一埋深和受到相同的有效围压应力在三轴测试。结果表明,沉积物的刚度和强度随着天然气水合物饱和度的增加增加。刚度的增加造成的推断是天然气水合物占据的孔隙空间。之间的天然气水合物胶结沉积物颗粒抵抗旋转、滑动,和重排的谷物,因此增加了密度和强度的沉积物17,24]。这胶结作用增加而增加天然气水合物饱和度。


图7
抗剪强度与水合物饱和度之间的关系。
4.2.2。有效围压应力对沉积物的影响力量

沉积物刚度和强度随着有效围压应力的增加而增加42,50,53]。如表所示1子样品的原地有效应力05 b-2p-1b (0.44 MPa)三倍初始有效应力(0.15 MPa),导致的超固结比对 的推测导致small-observed峰值后软化行为在剪切(图5)。高度有效围压应力会增加有效的泥沙颗粒之间的摩擦,和需要更多的能量来克服这种摩擦50]。strain-stress曲线变化的应变软化应变硬化的有效围压增加。

图8说明了有效围压应力和强度之间的关系。推断,有效围压应力的增加会导致增加颗粒间的协调和颗粒之间的摩擦,因此增加的刚度和强度气体hydrate-bearing沉积物。


图8
有效围压应力之间的关系和偏应力峰值。红星:这项研究。黑盒:之前的研究17]。沉积物中的数字是天然气水合物饱和度。

5。结论

在这项研究中,hydrate-bearing压力核心沉积物的物理性质恢复期间GMGS2在南中国海进行了分析和报告首次。本研究的结论如下:(1)内的天然气水合物的压力核心表现出不同的形态,如板、孔隙填充,和静脉(2)天然气水合物分布非常异构沉积物中水合物饱和度为0% -55.3%(3)的最大偏强度次级样本是0.135 - -1.619 MPa。气体的刚度和强度hydrate-bearing沉积物增加的天然气水合物饱和度、有效围压应力增加(4)次级样本的渗透率范围从 来 ,渗透率是水合物饱和度呈负相关

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了特殊的关键项目引进人才团队的广东南部海洋科学与工程实验室(广州)(没有。GML2019ZD0201),(没有国家重点研究和发展计划。2018 yfc0310000),海洋矿产资源重点实验室,国土资源部(没有。klmmr - 2015 - 07),中国地质调查局项目(DD20160227号和DD20160227-05),和中国的国家自然科学基金(没有。U1806230)。