内容简介
《海洋天然气水合物开采力学响应与稳定性分析》聚焦海洋天然气水合物开采面临的地层失稳等工程地质风险，在含天然气水合物沉积物力学性质分析的基础上，建立天然气水合物开采多相渗流、传热、相变及固体变形的多场耦合模型，重点探讨沉积物力学变形与多相渗流、水合物分解之间的耦合关系；提出系列针对天然气水合物开采的流固耦合数值模拟方法，分析直井、水平井及复杂结构井开采条件下的地层稳定性以及天然气水合物开采可能诱发的海底滑坡，系统研究天然气水合物开采可能引起的工程地质风险，为海洋天然气水合物安全高效开采提供科学依据。
目录
目录
丛书序一
丛书序二
丛书前言
前言
**章 绪论 1
**节 天然气水合物开采概述 1
第二节 天然气水合物开采面临的力学稳定性问题 2
第三节 天然气水合物开采工程地质风险研究进展与展望 5
参考文献 10
第二章 含天然气水合物沉积物的力学性质及本构模型 14
**节 含天然气水合物沉积物的力学性质 14
第二节 含水合物沉积物力学本构模型 21
参考文献 31
第三章 天然气水合物开采热-流-固-化（THMC）多场耦合数学模型 33
**节 天然气水合物开采多场耦合数学模型建模方法及模型假设 33
第二节 非等温两相渗流数学模型建立 38
第三节 地层力学响应数学模型建立 45
第四节 多场耦合数学模型辅助方程 49
第五节 多场耦合数学模型的定解条件 64
参考文献 72
第四章 天然气水合物开采流固耦合数学模型的求解方法及模拟器开发 75
**节 天然气水合物开采流固耦合的控制方程 75
第二节 天然气水合物开采流固耦合数学模型计算方法 81
第三节 天然气水合物开采流固耦合数值模拟器开发 107
参考文献 122
第五章 天然气水合物开采地层力学稳定性分析 125
**节 地层力学稳定性分析方法 125
第二节 水合物直井开采力学稳定性分析 131
第三节 水合物水平井开采力学稳定性分析 142
第四节 直井多分支孔开采力学稳定性分析 164
参考文献 171
第六章 天然气水合物与海底滑坡 172
**节 天然气水合物诱发海底滑坡研究现状 172
第二节 天然气水合物开采诱发海底滑坡的数值模拟 179
参考文献 191
试读
**章绪论
**节天然气水合物开采概述
天然气水合物（natural gas hydrate）是在一定条件下由非极性的烃类、二氧化碳及硫化氢等气体小分子与水组成的固体结晶物质，是一种非化学计量型的晶体化合物（Sloan，1998）。天然气水合物可以看作由水分子形成的空间笼形结构和充填于笼形结构中的气体分子组成，主要分为Ⅰ型、Ⅱ型和H型三种结构。自然界中，天然气水合物主要分布在陆地的永久冻土带和一定水深（＞300m）的海底沉积物中，以甲烷水合物为主。
天然气水合物被认为是一种巨大的高效清洁能源。据估计，全球天然气水合物的资源量中有机碳含量相当于全球已探明化石燃料（煤炭、石油、天然气等）的两倍。天然气水合物分布范围广，资源量巨大，能量密度高，是有望成为满足未来人类能源需求的高效清洁能源。然而，天然气水合物尤其是海域天然气水合物的成藏条件复杂，且以固态形式存在，其开采面临着许多技术难题。目前，天然气水合物的开采仍处于实验和探索阶段。如何形成高效安全的天然气水合物开采方式，是天然气水合物开采中急需解决的关键基础问题。
目前天然气水合物开采方法主要有四种，分别是：①降压法；②热激法；③注化学抑制剂法；④CO2置换法。四种方法均是从天然气水合物的相平衡*线出发，通过不同手段将天然气水合物从相平衡*线的稳定区域改变为不稳定区域，使天然气水合物分解产生天然气，收集天然气以达到开采的目的。除从改变相平衡角度提出的开采方法外，井型也是影响天然气水合物开采产能的重要因素。井型主要是从增大天然气水合物开采过程中泄油面积从而实现高效开采的方面来考虑。开采方法和井型均是可以人为控制的因素，而天然气水合物的储层特征是固有属性，是决定开采产能*重要也是*直接的因素。不同的储层特征需要使用不同的开采方法和开采井型，从而达到安全高效开采的目的。表1.1是目前国际上已经进行的水合物试采情况。可以看出，降压法是目前天然气水合物开采*为有效的方法，但总体上天然气水合物的开采效率仍然较低，其中产量*高的是中国在2020年南海神狐海域进行的天然气水合物试采，30天共生产约86.14万m3的天然气，日产约2.87万m3。
从历次天然气水合物试采结果来看，目前，天然气水合物开采面临的主要问题有两方面：一是产量比较低，还达不到商业化开采的产量要求；二是开采存在地层和井筒失稳，以及井筒出砂等工程地质问题。开采过程中的出砂问题已经在本丛书的卷五《海洋天然气水合物开采出砂管控理论与技术》中专门讨论，本书则关注天然气水合物开采过程中的储层稳定性问题。
第二节天然气水合物开采面临的力学稳定性问题
从天然气水合物开采过程来看，可能存在的力学稳定性问题主要包括以下几个方面（吴能友等，2024）：①钻井过程由于钻井扰动引起井壁稳定性问题；②开采地层变形与破坏引起地层稳定性问题；③开采引起的海底沉降与变形威胁海底管道及工程设施的安全；
④天然气水合物长周期开采过程中引起的海底大面积滑坡。以上四个方面的力学稳定性问题涵盖了天然气水合物开采的整个生命周期，其影响范围也依次逐渐扩大。
一、天然气水合物开采钻井井壁稳定性
地下岩层或者天然气水合物层的骨架与孔隙中的流体在钻井前保持平衡状态，钻井后井壁的地层岩石的支撑力就会丧失，如果井壁的强度较弱，则可能发生失稳垮塌（宁伏龙，2005）。对于水合物储层来说，原始状态下水合物处于稳定状态，但钻井过程中钻井液的温度和压力变化可能导致储层中的水合物发生分解，这样原本水合物对储层的胶结和支撑作用将消失，进一步加剧了井壁失稳和垮塌的风险。此外，水合物分解会产生水和气体，并且会发生温度变化，这些变化会对钻井液的性能（黏度、密度、稳定性）等产生影响，进而影响井壁的稳定性。
钻井井壁稳定性研究的核心是钻井液的密度窗口。钻井液密度过大，井筒内的内压力过大，施加在井壁上的荷载超过地层强度的极限，井壁发生破坏。钻井液密度过小，则其对井壁的支撑力不够，井壁会发生垮塌。钻井液的密度窗口是确保井壁不发生破坏的钻井液密度范围（图1.1）。对于水合物储层来说，温度对井壁稳定性也有较大的影响。近年来，有学者提出了钻井液密度和温度双窗口的概念（李庆超，2023）。
图1.1钻井液密度窗口示意图
二、天然气水合物开采过程中的井筒与地层稳定性
钻井过程中的井壁稳定性主要是原始地层受钻井过程与钻井液扰动的力学问题。当开采天然气水合物时，井筒已经完成了套管下入和固井等操作，由于开采过程中孔隙压力变化、水合物分解等因素，储层变形和破坏可能产生两方面的影响：一是井周地层变形和应力变化可能导致井筒套管变形甚至破坏（黄帅，2024；图1.2）；二是地层变形甚至破坏使得原本胶结的沉积物颗粒成为自由状态，并且在流体携带作用下流入井筒从而出砂（宁伏龙等，2020a，2020b
