含水合物地层渗透率数值模拟研究

论文摘要

天然气水合物是当今世界重要的潜在能源之一。近些年来,水合物的勘探识别技术已逐渐成为地球物理领域研究的热门课题。本文把渗透率作为反映水合物性质的目标参数,通过SDR模型和Darcy定律与Poiseuille方程相结合的方法探讨含水合物地层中,渗透率随水合物饱和度的变化关系,以期为水合物的识别与储量估计探索新的方法。本文首先研究核磁共振的SDR模型,包括核磁共振的基本原理,参数T2分布谱和核磁孔隙度φN MR的测量计算,以及核磁共振实验的具体流程。在此基础上,回顾前人的实验结果,分析水合物在孔隙介质中的生长特性,建立了SDR模型的数值模拟方法。在渗透率的模拟试验中,通过人工变换束缚水、可动水的比例、孔隙度以及与之相应的弛豫时间,探讨数值模拟过程中,制约渗透率与水合物饱和度变化关系的因素。结果表明,渗透率的变化并不受到弛豫时间的影响,但与束缚水、可动水的比例以及孔隙度有着一定程度的联系。随后,本文以管—球孔隙介质模型代表地层的孔隙空间,采用Darcy定律与Poiseuille方程相结合的方法,建立了计算渗透率的新模型。在此过程中,首次提出了孔隙的串、并联式连接结构,且把水合物生成的过程看成是向孔隙空间扔小球的过程,从微观上探索水合物的生长及孔隙连通性的变化对渗透率的影响。通过引入成核率的机制分析了孔隙体、孔隙通道各自对渗透率的作用程度,证实了孔隙通道对流体流通能力的关键性影响。前人的实验研究表明,随着水合物饱和度的增加,渗透率的下降速率不是固定不变的,甚至,在一定的水合物饱和度范围内,渗透率是基本保持不变的。以此为参考,将所有模拟结果与之进行比较。比较后发现,采用SDR模型时,渗透率的数值模拟曲线与Masuda模型N = 10时的结果相近,但与Minagawa实验相差较大。而采用Darcy定律和Poiseuille方程时,渗透率模拟值略高,但与Minagawa实验结果的趋势相一致,都会出现渗透率的平直阶段。尤其,当水合物晶体在孔隙通道内优先成时,优先的概率越高,渗透率的平直范围越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究的主要内容及意义
• 第2章 以核磁共振实验测定含水合物地层渗透率
• 2.1 核磁共振原理
• 2.1.1 原子核的磁性
• 2.1.2 极化及跃迁
• 2.1.3 脉冲扳转与自感应衰减
• 2.1.4 自旋回波与回波串
• 2分布'>2.1.5 横向弛豫时间T₂分布
• 2谱的转化'>2.1.6 回波串与T₂谱的转化
• 2.1.7 信噪比和回波串的累加
• 2.2 基于核磁共振的渗透率计算模型
• 2.3 核磁共振实验
• 2.3.1 实验方案与仪器
• 2.3.2 实验步骤与过程
• 2.3.3 实验数据与处理
• 2.3.3.1 核磁孔隙度的计算
• 2.3.3.2 平均弛豫时间的计算
• 2.3.3.3 水合物饱和度的计算
• 2.4 核磁共振实验结果及分析
• 2.4.1 相对渗透率随饱和度的变化
• 2.4.2 孔隙度随时间的变化
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于SDR 模型的水合物渗透率数值模拟研究
• 3.1 水合物的赋存和生长特性
• 3.1.1 水合物与骨架颗粒之间的相互作用
• 3.1.2 水合物生长特性
• 3.2 Minagawa 实验过程
• 3.3 SDR 模型数值模拟方法的建立
• 3.3.1 初始状态下弛豫分布的正态曲线
• 3.3.2 水合物生成后弛豫与孔隙的变化
• 3.4 SDR 模型影响渗透率因素的分析
• 3.4.1 粗、细砂比例的影响
• 3.4.2 弛豫时间的影响
• 3.4.3 总孔隙度的影响
• 3.4.4 各因素比较分析
• 3.5 SDR 模型实验结果与数值模拟结果比较
• 3.6 SDR 模型存在的问题
• 3.7 本章小结
• 第4章 渗透率数值模拟的新方法
• 4.1 三维孔隙介质模型的建立
• 4.2 Darcy 定律与Poiseuille 方程相结合的模拟方法
• 4.2.1 Darcy 定律
• 4.2.2 Poiseuille 方程
• 4.3 数值模拟方法在模型中的应用
• 4.3.1 孔隙体、孔隙通道之间的串、并联关系
• 4.3.2 串、并联后渗透率的计算
• 4.4 模拟水合物的生长过程
• 4.4.1 Minagawa 实验中水合物生长过程的设想
• 4.4.2 模拟水合物的生长过程
• 4.4.2.1 水合物的生成位置
• 4.4.2.2 水合合物的产状与与生成方向
• 4.5 试验结果分析
• 4.5.1 模拟试验
• 4.5.2 影响渗透率的因素分析
• 4.5.2.1 成核率对渗透率的影响
• 4.5.2.2 初始孔隙度对渗透率的影响
• 4.5.3 模拟结果的稳定性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 各种模拟方法结果综合比较
• 5.1 其他数值模拟方法
• 5.1.1 University of Tokyo 模型
• 5.1.2 Lawrence Bereley National Laboratory 模型
• 5.2 各种模拟方法结果综合比较
• 5.2.1 SDR 模型模拟结果与Minagawa 实验图的对比
• 5.2.2 DP 模型模拟结果与Minagawa 实验图的对比
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 主要完成的工作及结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献