天然气水合物储层蠕变性能测试研究

王 萍

（中石化胜利石油工程公司钻井工艺研究院，山东 东营 257017）

天然气水合物是一种高压、低温条件下水分子、气体分子组成的笼形的固体结晶化合物，广泛分布海底地层和冻土地带[1-3]。研究表明，天然气水合物具有丰富的储量、极高的能量密度以及很小的污染性，被视为未来最具开发潜力的能源[4-5]。虽然天然气水合物埋藏深度较浅，但仍需通过钻井作业形成储层与地面之间天然气的流动通道，因此天然气水合物钻井过程中的井壁稳定是决定天然气水合物能否成功开采的关键[6]。与常规地层相比，天然气水合物储集层是一种弱胶结、低强度、强塑性和蠕变性的沉积物[7]。并且在钻井作业中，受工程的扰动，井眼周围的水合物会出现分解进一步降低地层强度，从而导致严重的井眼失稳的风险[8]。

1 含水合物沉积物骨架制备方法

选择南海北部神狐海域水合物藏为研究对象，沉积物的中值粒径大部分在8~16μm，主要粒度分布在0.221~174.55μm之间，在40μm以下的粒度分布达到了83%[9]。研究过程中水合物沉积物试样骨架选用不同粒径石英砂颗粒和高岭土混合压制而成。在制作水合物沉积物骨架时发现其基础物理性质还受压制力和压制时间的影响。根据所选储层的地质概况，计算天然气水合物沉积物储层沉积物骨架承受的有效应力，以此压力值作为基准压制试样骨架，骨架制作完成后测量其直径、高度和孔隙度。在此基础上增大压制力和压制时间制作出多组试样。经过对比发现压制力为6.4kN、压制时间为20min时，制作的试样骨架能较好地模拟真实储层的基础物理性质。

制作水合物沉积物骨架用到的实验仪器有岩芯压制模具、三轴实验装置轴压系统、激光粒度分析仪。岩芯压制模具套筒高130mm，外径75mm，内径50mm；上、下压头可与套筒严密配合。粒度分析仪用于测量不同配比砂粒的粒度分布，将其与实验所选储层的物性参数进行对比，确定出最合理的石英砂和高岭土配比。岩芯模具由套筒和上、下压头组成，可制作尺寸为直径50mm、高度100mm的沉积物骨架。岩芯制备原料选用石英砂和高岭土模拟南海天然气水合物沉积物储层粒度组成。沉积物骨架制作步骤包括：①将配比好的混合砂放入烘箱，设定烘干温度为110℃，烘干8h，保证混合砂干燥不含水，避免对甲烷水合物饱和度产生影响；②清洗模具，晾干后备用；③使用电子天平称取适量烘干后的实验用砂，加入根据预设饱和度所需用水量的蒸馏水并与砂子混合均匀，将下压头与岩芯套筒配合，形成下端封闭上端开放的柱状空间，将混合后的实验用砂全部转移至岩芯套筒中，边加砂边用上压头将端面按压平整，所有砂粒加入岩芯套筒后加装上压头；④将模具组合转移至三轴实验机上，控制轴压系统施加轴向压力至6.4kN，施压速度100N/s，维持压制20min；⑤压制结束后，取出模具组合，拆除上、下压头，取出试样骨架；⑥使用游标卡尺测量并记录试样骨架的直径和高度；测量并记录试样骨架的孔隙度。

2 天然气水合物原位生成实验

实验采用原位生成法合成水合物沉积物试样。在三轴实验机压力室内通入过量的CH4使之与岩芯骨架中定量的水在低温高压条件下形成甲烷水合物，当反应时间足够长时可以认为试样骨架中的水反应完全，全都与CH4气反应生成了甲烷水合物。

实验步骤：进行实验前，连接三轴实验机的各项子系统，确保各项功能正常工作。截取一段长度合适的热塑管，将制作完成的人工岩芯骨架装入热塑管并在岩芯两端处加装上、下压头，并用热风枪吹紧热塑管使下压头、岩芯、上压头三者连接在一起；为保证在实验过程中热塑管的强度与密封性需在吹紧的热塑管外套上一层与其大致等长的热塑管。在热塑管与上、下压头的连接处加装橡胶套进行密封，使热塑管和上、下压头形成密闭空间。将径向变形传感器固定在下压头上，调整使其测量岩芯中间位置。安装好变形传感器后，将整个装置转移安装到低温三轴实验机的底座上。将传感器连接线和孔压连接线连接至底座上相应的接口处。通过计算机软件控制高压釜釜体使其准确降落在底座上。安装高压釜釜体和底座之间的卡块，并用钢箍箍住卡块，保证高压釜的密封性，确保压力室在充入高压油后不会发生泄漏。

预先将冷库温度调至273.15K，对三轴实验装置进行降温。打开围压泵上的阀门，按下充液按钮，将压力室充满高压油；待压力室充满油后关闭回油管路的阀门。关闭围压泵上的阀门，关闭充液泵。打开真空泵抽出试样孔隙和注气管线中的空气。控制围压系统，缓慢升高围压至6MPa，与此同时，打开CH4气瓶阀门，缓慢调节减压阀，打开管线上的开关，将CH4气通入岩芯骨架，使岩芯骨架中的CH4气体压力达到5.5MPa。使用CH4气体检漏仪检查各个接口处是否有CH4气体泄露。检漏完成后，每间隔2h观察压力表数值，若发现压力表数值降低则补充CH4气体，使压力维持在5.5MPa，直至压力表数值稳定在5.5MPa 不再降低时，岩芯中甲烷水合物完全生成。

3 天然气水合物储层三轴力学实验

采用低温水合物三轴实验系统为主要装置。在不同条件下对含天然气水合物岩样的力学强度进行测定，为后续蠕变实验过程中偏应力的确定提供参数。进行原位三轴力学实验时，按照预设实验条件调整有效围压，设置加载速率为0.25mm/min进行三轴实验，实验结果应力应变曲线如图1所示，强度参数结果如表1所示。

表1 水合物试样力学强度参数

图1 三轴力学实验应力应变曲线

4 天然气水合物储层蠕变实验

根据不同饱和度条件下天然气水合物三轴强度实验结果，选择水合物饱和度40%条件下实验强度的40%、50%、70%和90%作为不同载荷条件下蠕变实验差应力。为控制变量，结合三轴实验结果，选取水合物饱和度40%条件下实验强度的50%作为不同饱和度和不同泥质含量条件下蠕变实验差应力，进而开展天然气水合物储层蠕变实验研究。

根据实验结果可以看出，含水合物沉积物的试样的蠕变均遵循衰减蠕变的蠕变变形特征，及试样的蠕变速率随着蠕变时间的增加而逐渐减小。蠕变实验过程中轴向差应力、水合物饱和度及泥质含量均会影响含水合物沉积物的蠕变变形大小。其中，相同水合物饱和度及泥质含量下，轴向差应力越大沉积物蠕变变形量越大，如水合物饱和度为40%、泥质含量为0.2、差应力为3.6MPa时，蠕变时间48h后，试样的蠕变应变为0.02；而差应力为8.1MPa 时，48h 后蠕变应变达到了0.109，后者是前者的5.45倍，如图2所示。相同泥质含量及差应力条件下，水合物饱和度越大，蠕变变形越大，如水合物饱和度为0%时，48h 后的蠕变应变仅为0.0096；而水合物饱和度为60%时，相同条件下蠕变应变达到了0.068，如图3所示。随着泥质含量的增加，水合物试样的蠕变变形快速增加，如水合物饱和度为40%、差应力为4.5MPa 时，泥质含量为30%的试样48h后蠕变变形为0.078；泥质含量为60%时，蠕变变形量达到了0.155，如图4所示。

图2 不同差应力条件下蠕变实验曲线

图3 不同饱和度条件下蠕变实验曲线

图4 不同泥质含量条件下蠕变实验曲线

根据实验结果，含天然气水合物试样的蠕变为受差应力、水合物饱和度、泥质含量影响的衰减蠕变。根据实验结果建立含天然气水合物试样三轴蠕变模型；由于含天然气水合物试样蠕变满足衰减蠕变特征，因此可通过半对数坐标系对实验结果进行处理，如图5~图7所示。

图5 不同差应力半对数坐标系下蠕变应变—时间曲线

图6 不同水合物饱和度半对数坐标系下蠕变应变—时间曲线

图7 不同泥质含量半对数坐标系下蠕变应变—时间曲线

根据蠕变应与时间的关系构建含天然气水合物蠕变模型如下式所示：

根据实验结果进行系数拟合，建立参数方程g1(σ,Sh,n)、g2(σ,Sh,n)如下：

其中：ϕ1(σ)=0.0015e0.00389σ，ϕ1(Sh)=0.4932e1.5972Sh，ϕ3(n)=-0.1355n2+0.2307n-0.042，ϕ4(σ)=0.0033e0.3936σ，ϕ5(Sh)=0.17e4.2413Sh，ϕ6(n)=0.0093n2+0.1042n-0.0241。

图8显示了蠕变模型计算结果与实验结果对比，可以看出所建立的模型具有较高精度，可以用于表征含水合物沉积物蠕变特征。

图8 不同泥质含量条件下计算结果与实验结果对比

5 结论与建议

（1）海底水合物储层所处水深大、埋深浅，骨架固结程度弱，具有极强的蠕变特性。有效确定水合物储层的蠕变规律，理清其随着水合物分解过程的变化规律和井周应力变化规律，是实现水合物安全、高效开采的前提保证。

（2）选取性质相似的石英砂和高岭土等制备水合物沉积物试样开展蠕变性能试验测试，能够为天然气水合物钻井工程技术的优化提供基础支撑。