非成岩弱胶结天然气水合物沉积物弹性力学参数的实验分析

赵 军 向薪燃 赵金洲 李海涛 郭 平 张烈辉周守为 魏 纳 李清平 庞维新

1. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学 2.中海油研究总院有限责任公司

0 引言

天然气水合物（以下简称水合物）在低温高压的环境中才能保持稳定，当储层环境发生变化，就会导致水合物的大量分解，排出大量温室气体，甚至还会导致海底大范围沉降、失稳滑坡等工程地质灾害，给人类生活、生产活动带来巨大的威胁。我国南海90%以上的水合物都属于非成岩矿体，开采难度极大，所以对其力学特征的研究，一直都是热点和重点。目前，由于对水合物的原位取心，技术尚未成熟，取心成本较高，故实验室人工合成水合物沉积物来研究物理性质是最主要的研究手段，前人也做了不少工作[1-3]。

Winters等[4]利用美国地质调查局的水合物和沉积物模拟实验装置（GHASTI低温高压水合物三轴仪）测量了3种不同的水合物沉积物的剪切强度；Masui、Hyodo、Miyazaki等[5-7]利用人工合成水合物在不同温压条件下进行了三轴压缩试验；蒋明镜[8-9]运用离散元方法，从微观角度对水合物的力学特性进行研究，微观物理模型模拟获得的三轴压缩强度与室内试验结果较为符合；中国科学院王秀娟[10]利用岩石物理模型并结合室内实验，对砂目数相同孔隙饱和度不同、不同水合物类型同一孔隙饱和度以及在不同孔隙饱和度下不同种类和不同粒径砂的水合物沉积物性质规律进行了研究；但是，利用声波资料解释水合物沉积物力学参数的研究比较少。利用声波资料解释水合物储层的弹性力学参数可解决水合物储层取心难、成本高的问题，并可以利用测井技术解释连续的井下储层力学参数，故极具研究意义。笔者使用SHW-Ⅲ型水合物声电力学测试装置，利用3种不同粒径的石英砂，人工合成水合物沉积物，并测得沉积物孔隙中的水合物的饱和度以及不同骨架粒径、不同泥质含量、不同三轴轴压下的声波数据，再根据弹性理论，计算弹性力学参数，研究不同条件对水合物沉积物弹性力学参数的影响规律。

1 实验原理

1.1 水合物沉积物的制备

本实验采用SHW-Ⅲ型水合物声电力学测试装置，在恒温1 ℃的实验条件下，用分阶段持续供给天然气法[11]，先分别制备岩心规格为Ø60 mm×20 mm的3种不同骨架粒径的水合物沉积物；再合成相同规格、骨架粒径为0.125～0.600 mm且含有3种不同泥质含量的沉积物试件，并对其施加5 MPa的围压和10 MPa、15 MPa、20 MPa的轴压，分别测试各个试件岩电、声波数据，计算出不同沉积物试件的水合物饱和度和动态弹性参数，分析不同条件下对动态弹性参数的影响。水合物制备步骤如下。

1.1.1 加砂

将处理好的粒径分别为小于0.125 mm、介于0.125～ 0.600 mm和0.600～1.180 mm的3种石英砂（图1）砂样加入反应釜，设置好仪器开关，连接相应的线路。

1.1.2 建立水合物生成的温度、压力条件

通过围压系统及轴压系统，设置压力环境，利用循环制冷系统，降低反应釜温度。

1.1.3 加气反应形成水合物

向计量室内充入8～10 MPa的甲烷气体，记录反应釜入口压力、电阻率、纵横波的时差和波速等参数；重复加气反应步骤，使反应釜中水全部生成水合物。

1.2 动态弹性参数的计算

试样在静态荷载条件下利用应力—应变曲线可求取弹性参数，这些弹性参数称为静态弹性参数。根据弹性波动理论，弹性波在固体介质中传播，它在介质中传播时与介质相互作用，使接收波中携带了与岩石物理性质相关的各种信息，所以也可利用声波数据求取弹性参数，而这样求得的弹性参数称为动态弹性参数，动态弹性参数与静态弹性参数之间存在一定的相关性，故可利用动弹性参数求取连续的静弹性参数。

图1 不同粒径的松散石英砂样图

根据弹性波动理论，在假定岩石均质、各向同性的线弹性体的前提下，利用所测定的纵波速度、横波速度与试件的密度，便可计算出含水合物试件的动态泊松比、动态杨氏模量、动态剪切模量[12]。即

式中μ表示动态泊松比，无量纲；vs表示横波波速，m/s；vp表示纵波波速，m/s； E表示动态杨氏模量，GPa；ρ表示岩石密度，g/cm3；G表示动态剪切模量，GPa。

2 实验结果与分析

依据记录的实验参数，结合理论推导出来的计算公式，即可求得反应温度恒为1 ℃时、水合物在多孔介质中的形成过程中3种不同骨架粒径、3种不同泥质含量、3种不同轴压条件下的水合物沉积物的弹性力学参数，如表1～3所示。

2.1 骨架粒径大小对动态弹性参数的影响

根据实验，得到如图2、3所示的关系。骨架粒径分别为小于0.125 mm、介于0.125～0.600 mm和大于0.600 mm的水合物沉积物试件，随着饱和度增加（5%～70%）其泊松比有一定呈线性下降；杨氏模量随水合物饱和度增大，因为孔隙中水合物饱和度增大，孔隙中水的饱和度减小，所以强度增加。杨氏模量随着粒径增大而增大，因为在一定的骨架粒径范围内，岩土体剪切面主要是切割其骨架部分，所以在一定粒径范围内，水合物沉积物的强度随着骨架粒径增大而增大。

表1 不同骨架粒径下的水合物沉积物的弹性力学参数实验及计算数据表

表2 不同泥质含量下的水合物沉积物的弹性力学参数实验及计算数据表

表3 不同轴压下的水合物沉积物的弹性力学参数实验及计算数据表

图2 不同骨架粒径下泊松比与水合物饱和度的关系图

图3 不同骨架粒径下杨氏模量与水合物饱和度的关系图

2.2 泥质含量对动态弹性参数的影响

水合物沉积物在相同水合物饱和度条件下，动态力学弹性参数与不同泥质含量的关系如图4、5所示。从图4、5可看出，泥质含量分别为5%、10%、20%的水合物沉积物样品随着泥质含量的增加其动态泊松比有所增大；动态杨氏模量都随着泥质含量的增加呈幂函数减小。因为随着泥质含量的增加，泥质填充在石英砂骨架中，占据了一定的孔隙空间，使这些地方无法生成水合物，又因为水合物的强度大于黏土的强度，所以总体上水合物沉积物的杨氏模量随着泥质含量增加而减小。

图4 不同水合物饱和度下泊松比与泥质含量的关系图

图5 不同水合物饱和度下杨氏模量与泥质含量的关系图

利用在相同饱和度下不同泥质含量与泊松比、杨氏模量回归分析可得到他们之间的关系分别为：

式中Ssh表示泥质含量；a、b、c、d分别表示与水合物饱和度有关的系数。a、b、c、d取值如表4所示。

2.3 轴压对动态弹性参数的影响

根据实验在5 MPa的围压下，施加10 MPa、15 MPa、20 MPa的轴压所得数据（图6、7）表明，天然气水合沉积物在不同水合物饱和度下，施加轴压对泊松比的影响并不大；轴压大小对泊松比影响不大，与Masui研究发现水合物沉积物的泊松比与水合物饱和度关系的结论一致；而杨氏模量在相同水合物饱和度下和轴压呈一定对数关系，随着轴压增大而增大；水合物沉积物的强度主要由水合物强度、岩石颗粒间摩擦力和基质颗粒间的相互作用共同决定，增加轴压抑制了压实过程中的裂隙发育，使其颗粒间的摩擦力及咬合力增加，使得水合物沉积物颗粒之间的胶结能力增强，从而增加了试样的强度。

表4 a、b、c、d在不同水合物饱和度情况下的取值表

图6 不同水合物饱和度下泊松比与轴压的关系图

图7 不同水合物饱和度下杨氏模量比与轴压的关系图

利用相同水合物饱和度在不同轴压情况下的动态杨氏模量回归分析，可得到水合物沉积物在相同水合物饱和度下动态杨氏模量与轴压的关系如下：

式中σ表示轴压，MPa；e、f分别表示与水合物饱和度有关的系数。e、f取值如表5所示。

表5 e、f在不同水合物饱和度情况下的取值表

3 结论

本次研究采用SHW-Ⅲ型水合物声电力学测试装置，合成了不同饱和度下3种不同骨架粒径、3种不同泥质含量、3种不同三轴轴压下的水合物沉积物试件，并测得了各个试件的水合物饱和度、岩电和声波数据；再根据弹性波动理论计算出不同试件的泊松比和动态弹性模量，并进行了分析。数据分析显示：在线性坐标系下，一定水合物饱和度范围内水合物沉积物中的水合物饱和度和沉积物试件的弹性参数呈一定的正比关系，随着水合物饱和度的增大，沉积物试件的泊松比减小，动态杨氏模量增大；水合物饱和度在5%～70%时，随着试件的骨架粒径增大（0.125～1.180 mm），沉积物试件的泊松比降低，动态杨氏模量增大；随着泥质含量的增大（5%～20%），沉积物试件的动态杨氏模量呈现幂函数减小；在5 MPa的围压条件下，随着轴压的增大水合物沉积物的动态杨氏模量大幅增大，而泊松比与轴压的关系不大。根据实验数据，建立动态泊松比与泥质含量、动态杨氏模量与泥质含量及轴压的关系模型。

利用声波测井方法分析水合物的动态弹性力学参数，可解决水合物取心难、造价高、无法获取连续数据的问题。本次实验所得到的结果符合客观的岩石物理实验现象及规律，但仍需要进一步研究水合物沉积物的动态弹性参数与静态弹性参数之间的关系。