宋永臣團隊：天然氣水合物開採基礎
人類社會的發展建立在大量能源消耗的基礎上。目前，資源匱乏和環境破壞已經成爲兩大全球性問題，尋找、開發與利用清潔高效、潛力巨大的新能源，是世界各國解決未來能源問題的主要出路。天然氣水合物作爲一種理想的後續能源，被列爲我國第173個礦種，是未來重要的清潔高效能源。
天然氣水合物是自然界中存在的一種新型清潔能源，全球分佈廣泛。我國南海海域是天然氣水合物的重要富集區，資源量相當於我國已探明油氣儲量的總和。近年來，我國天然氣水合物的理論研究和技術攻關進展迅速，2007年我國首次在南海神狐海域鑽獲了天然氣水合物實物樣品；2013和2015年的鑽探工作，進一步證實了我國南海豐富的天然氣水合物資源前景；2017年我國南海神狐海域天然氣水合物試採成功。這一系列成果，標誌着我國海洋天然氣水合物開發已邁入世界前列。然而，天然氣水合物開發目前仍然是世界性難題，實現其商業化開採還有較大距離，需要相關基礎理論與關鍵技術突破。本書彙集本團隊多年來的理論與技術研究成果，旨在與廣大科研工作者及工程技術人員共同探討，以促進天然氣水合物基礎理論發展，推動我國天然氣水合物開採技術進步。
天然氣水合物基礎研究前沿挑戰
天然氣水合物開採涉及的核心問題是開採效率與安全保障。2013年，日本實現海洋天然氣水合物首次試採，由於井筒堵塞等問題，試採持續6d後終止，監測發現井場地層沉降5 cm。首次海洋水合物試採進一步加深了國際上對工程問題的認識，從開採控制機理、多相滲流、儲層結構變化等基礎研究出發，重點突破出砂控砂技術及儲層穩定性評價技術，成爲目前主要研究方向。我國南海水合物藏具有泥質低滲非成巖特徵，開採難度大，2017年和2020年在我國南海開展的3次天然氣水合物試採，更加明確了對高效開採理論與安全防控技術的需求，以指導解決水合物開採障礙控制與儲層穩定性預測問題，最終實現南海水合物安全、高效開發。具體難題和挑戰主要包括以下幾個方面：
1 天然氣水合物開採相關基礎研究
天然氣水合物的熱-動力學特性的描述、穩態含天然氣水合物沉積物有效傳熱基礎物性分析及預測模型、複雜多變因素作用下含天然氣水合物沉積物傳熱係數時變規律、水合物分解界面傳熱過程分析與調控、沉積物內熱源-有效導熱對流對水合物分解進程的驅動與控制原理、相變條件下天然氣水合物沉積物特徵參數及其沉積物內流體運移特性的相互作用關係、多因素協同作用下儲層內含相變過程的多相/多組分滲流與遷移機制，是實現開採過程水合物相變精細調控的基礎。
水合物多孔介質各組分的二維空間分佈
2 天然氣水合物開採方法
針對我國海域天然氣水合物儲層開展天然氣水合物藏試開採技術方案研究，評價開採效率和潛力的影響因素、建立三維水合物藏開採數值模擬技術、研製天然氣水合物藏試採完整過程模擬系統、確定高效試採工藝，是實現水合物開採的重要保證。需要重點研發儲層-樣品-開採工藝適應性評價技術、水合物-油氣聯合開採工藝、連續排採及流動保障工藝、安全監測及風險評價技術，形成從海底到中深層典型海洋水合物安全高效開採方法，提高注熱、降壓、注劑、固態流化等開採方法的綜合效率，並探索新的天然氣水合物高效開採方法，形成適用於多種水合物儲層的高效鑽採技術與裝備。
注熱強化水合物置換機制
3 天然氣水合物開採安全及環境影響
建立天然氣水合物開採安全的評價指標、分析方法及綜合評估方案，提出開採安全的監測參數、監測方法、監測數據分析方案及應急處理技術；構想開採過程中海底設備潛在的堵塞、泄露等障礙，提出相關應急處置技術方案，開發輕便、高效應急成套設備；構建天然氣水合物試採區域海洋環境立體監測技術，實現對氣、沉積層、水、陸地和大氣的一體化監測；研製天然氣水合物沉積物共振柱試驗儀和可視化平面應變儀，實現小應變條件下天然氣水合物沉積物的動力特性和天然氣水合物變形過程中剪切帶的變化規律研究；評價天然氣水合物分解後沉積層震動液化研究及其對海洋工程結構物的影響，建立天然氣水合物開採過程中地質災害、海底工程結構物穩定性評價及對策。
管道內水合物堵塞過程示意圖
《天然氣水合物開採基礎》基於天然氣水合物的熱力學與動力學特性、儲層特性、開採產出以及安全特性等方面，總結了作者團隊近年來取得的標誌性成果，提出了海洋天然氣水合物開採過程分解演化與調控理論。系統闡釋了天然氣水合物相平衡熱力學與生成分解特性，開採過程儲層傳熱、滲流與力學特性變化規律及其與天然氣水合物的相互影響關係，降壓、注熱、置換三種主流開採方法下天然氣水合物分解特性及其控制因素作用機制，以及天然氣水合物開採過程儲層穩定性及安全評價，旨在爲我國天然氣水合物安全高效開採提供系統、實用、紮實的理論基礎。
雖然我國在天然氣水合物領域的研究起步較晚，但近年來在天然氣水合物基礎研究和技術應用等方面取得了較大的進展，隨着對天然氣水合物的勘探情況及開採方案研究等方面的不斷深入，天然氣水合物高效與安全開採基礎研究將推動我國相關技術的持續進步。相信在不久的將來，在諸多科研工作者的共同努力下，我國能夠順利安全地開採天然氣水合物資源，爲我國能源和經濟發展做出更大的貢獻。
本書涉及天然氣水合物開採的基礎研究領域，其內容主要集中在以下四個方面：天然氣水合物熱力學與相變動力學特徵；天然氣水合物儲層基礎特性；天然氣水合物開採方法及管道安全；天然氣水合物儲層力學特性與穩定性。天然氣水合物的熱力學特性是天然氣水合物開採的基礎。天然氣水合物儲層傳熱、滲流、力學特性是天然氣水合物開採產出特性與儲層安全特性關鍵因素，是開採方案設計及工程實施的理論基礎。本書詳盡闡述了本團隊上述幾個方面研究內容及國內外最新進展，期望能爲天然氣水合物從業人員提供參考。
本書共分爲十一章。第一章爲緒論；第二章介紹了天然氣水合物相平衡熱力學知識，是天然氣水合物的研究基礎；第三章詳細闡述了天然氣水合物生成與分解動力學特性，包括孔隙尺度氣體水合物賦存規律及微觀相變等；第四章重點介紹了天然氣水合物儲層賦存結構特徵及其導熱特性；第五章主要介紹了儲層特徵對滲透率的影響及開採過程滲透率的變化特性；第六章主要闡述不同特徵儲層的力學參數演化規律，爲儲層安全性評價提供理論基礎；第七、八、九章介紹了天然氣水合物幾種主要開採方法，包括降壓開採、注熱開採和置換法開採等；第十章爲天然氣水合物儲層穩定性分析；第十一章爲天然氣水合物開採管道輸運安全。
本書摘編自《天然氣水合物開採基礎》一書文前及第一章部分，內容有刪減，標題爲編者所加。
天然氣水合物開採基礎
978-7-03-068017-4
宋永臣,趙佳飛,楊明軍 著
責任編輯：吳凡潔
內容簡介
本書是對作者近20年研究成果的總結，系統地介紹了天然氣水合物開採涉及的基本原理與方法。全書共11章，內容主要集中在四個方面：天然氣水合物熱力學與相變動力學特徵、天然氣水合物儲層基礎特性、天然氣水合物開採方法及管道輸運安全、天然氣水合物儲層力學特性與穩定性；重點闡釋了天然氣水合物相平衡熱力學及生成與分解特性，開採過程儲層導熱、滲流與力學特性變化規律，降壓、注熱、置換三種方法下天然氣水合物開採產氣特性和管道流動安全保障，以及天然氣水合物開採過程儲層穩定性和安全評價。
油氣資源開發和天然氣工程領域專業人士，天然氣水合物從業人員，天然氣水合物的入門書以及相關專業本科生、研究生和科技人員。
READING
本書目錄
目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 天然氣水合物研究意義與進展 1
1.2 天然氣水合物基礎物性 4
1.3 天然氣水合物儲層特徵 5
1.4 天然氣水合物開採技術與儲層安全 7
1.5 天然氣水合物基礎研究前沿挑戰 11
參考文獻 12
第2章 天然氣水合物相平衡熱力學 13
2.1 天然氣水合物相平衡影響因素 13
2.1.1 測試裝置與技術 13
2.1.2 多孔介質影響 16
2.1.3 鹽度影響 17
2.1.4 氣體組分影響 21
2.2 天然氣水合物相平衡熱力學模型 22
2.2.1 經典熱力學模型 22
2.2.2 多孔介質體系模型 25
2.2.3 含鹽多孔介質體系模型 28
2.3 基於機器學習算法的預測模型 33
2.3.1 機器學習算法介紹 33
2.3.2 數據來源與模型指標 35
2.3.3 模型分析與驗證 37
參考文獻 40
第3章 天然氣水合物生成與分解 43
3.1 天然氣水合物成核誘導時間 43
3.1.1 天然氣水合物成核誘導時間影響因素 44
3.1.2 天然氣水合物成核誘導時間預測 46
3.1.3 納米材料促進天然氣水合物生成 48
3.2 天然氣水合物生長與賦存形態 49
3.2.1 天然氣水合物生長特性 50
3.2.2 水合物生成動力學模型 56
3.2.3 水合物孔隙賦存形態 61
3.3 天然氣水合物分解與二次生成 67
3.3.1 天然氣水合物分解特性 67
3.3.2 天然氣水合物二次生成特性 69
參考文獻 73
第4章 天然氣水合物儲層導熱特性 75
4.1 有效導熱係數測量方法 75
4.1.1 常規測量方法 75
4.1.2 熱敏電阻點熱源法 76
4.2 天然氣水合物儲層導熱特性 79
4.2.1 有效導熱係數影響因素 79
4.2.2 相變過程有效導熱係數 81
4.2.3 儲層有效傳熱係數 84
4.3 水合物儲層有效導熱係數模型 88
4.3.1 經典有效介質模型 88
4.3.2 權重係數混合模型 91
參考文獻 93
第5章 天然氣水合物儲層滲流特性 95
5.1 天然氣水合物儲層滲透率特徵 95
5.1.1 水合物飽和度與滲透率 95
5.1.2 水合物分解及二次生成過程滲透率 102
5.1.3 降壓開採水相非達西滲透特性 106
5.2 儲層孔隙結構與相對滲透率 107
5.2.1 孔隙網絡模型 107
5.2.2 氣水相對滲透率 113
5.3 儲層滲流特性和產氣特徵 117
5.3.1 各向異性水合物藏開採模型 118
5.3.2 滲透率各向異性對開採的影響 120
參考文獻 127
第6章 天然氣水合物儲層力學特性 130
6.1 天然氣水合物沉積物力學特性 130
6.1.1 平均粒徑的影響 130
6.1.2 水合物飽和度的影響 132
6.1.3 有效圍壓的影響 133
6.1.4 溫度的影響 134
6.1.5 剪切速率的影響 136
6.1.6 莫爾-庫侖準則分析 137
6.2 天然氣水合物分解過程沉積物力學特性 138
6.2.1 降壓過程水合物沉積物力學特性 140
6.2.2 注熱過程水合物沉積物力學特性 147
6.3 二氧化碳置換開採沉積物力學特性 153
6.3.1 水合物飽和度與有效圍壓的影響 154
6.3.2 屈服和剪縮特性分析 157
參考文獻 160
第7章 天然氣水合物降壓開採 163
7.1 天然氣水合物降壓開採特徵參數 163
7.1.1 壓力與溫度 163
7.1.2 產氣速率 166
7.1.3 氣水比 168
7.2 天然氣水合物降壓開採影響因素 170
7.2.1 降壓方式 171
7.2.2 儲層導熱係數 173
7.2.3 儲層比熱容 176
7.2.4 儲層滲透率 179
7.2.5 水合物飽和度 180
7.3 儲層水含量對天然氣水合物分解的影響 182
7.3.1 開採過程儲層水含量變化 182
7.3.2 低水量儲層降壓開採 184
7.3.3 高水量儲層降壓開採 187
7.3.4 不同水含量儲層產水 190
7.4 南海沉積物內天然氣水合物降壓產氣特性 191
參考文獻 195
第8章 天然氣水合物注熱開採 198
8.1 天然氣水合物注熱開採特徵參數 198
8.1.1 壓力與溫度 198
8.1.2 產氣速率與產氣百分比 199
8.1.3 能源利用係數 200
8.2 天然氣水合物注熱開採影響因素 201
8.2.1 儲層導熱係數 201
8.2.2 儲層比熱 204
8.2.3 水合物初始飽和度 208
8.3 天然氣水合物注熱-降壓聯合開採產氣特性 210
8.3.1 氣飽和條件下產氣特性 211
8.3.2 水飽和條件下產氣特性 214
8.4 天然氣水合物微波加熱開採產氣特性 217
8.4.1 儲層飽和度影響 217
8.4.2 儲層熱物性影響 221
參考文獻 224
第9章 天然氣水合物置換開採 226
9.1 置換開採原理 226
9.1.1 置換開採熱動力學可行性 226
9.1.2 置換開採力學可行性 227
9.1.3 置換開採機制 228
9.2 多相態區天然氣水合物置換開採 229
9.2.1 多相態區置換效率定義與計算 229
9.2.2 氣態和液態CO2置換開採 234
9.2.3 非穩定態CH4水合物置換開採 236
9.2.4 CO2乳液及超臨界CO2置換開採 237
9.3 天然氣水合物置換開採強化方法 239
9.3.1 降壓強化置換開採 239
9.3.2 注熱強化置換開採 243
9.3.3 抑制劑強化置換開採 247
9.3.4 混合氣置換開採 248
參考文獻 254
第10章 天然氣水合物開採儲層穩定性 256
10.1 天然氣水合物沉積物臨界狀態本構模型 256
10.1.1 耗散函數與流動法則 257
10.1.2 硬化規律 258
10.1.3 真實應力空間中的屈服面 260
10.1.4 彈性關係與彈塑性關係 261
10.1.5 模型驗證 262
10.2 天然氣水合物開採多物理場耦合數值模擬 265
10.2.1 傳熱-滲流-變形-化學耦合控制方程 267
10.2.2 方程求解與模型驗證 274
10.3 天然氣水合物開採儲層穩定性影響因素 278
10.3.1 井壁溫度變化 278
10.3.2 降壓開採過程 282
10.3.3 多井開採模式 286
10.4 水合物開採儲層穩定性分析案例 288
10.4.1 孔壓、溫度及飽和度分佈 291
10.4.2 有效應力和儲層位移場 294
參考文獻 297
第11章 天然氣水合物開採管道輸運安全 299
11.1 管道流動特性與堵塞機理 299
11.1.1 天然氣水合物漿液流動特性 299
11.1.2 管道水合物堵塞機理 304
11.2 管道堵塞監檢測技術 311
11.2.1 壓差監測技術 311
11.2.2 壓力波檢測技術 315
11.2.3 聲波檢測技術 319
11.2.4 超聲波檢測技術 322
參考文獻 327
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