宋永臣团队：天然气水合物开采基础
人类社会的发展建立在大量能源消耗的基础上。目前，资源匮乏和环境破坏已经成为两大全球性问题，寻找、开发与利用清洁高效、潜力巨大的新能源，是世界各国解决未来能源问题的主要出路。天然气水合物作为一种理想的后续能源，被列为我国第173个矿种，是未来重要的清洁高效能源。
天然气水合物是自然界中存在的一种新型清洁能源，全球分布广泛。我国南海海域是天然气水合物的重要富集区，资源量相当于我国已探明油气储量的总和。近年来，我国天然气水合物的理论研究和技术攻关进展迅速，2007年我国首次在南海神狐海域钻获了天然气水合物实物样品；2013和2015年的钻探工作，进一步证实了我国南海丰富的天然气水合物资源前景；2017年我国南海神狐海域天然气水合物试采成功。这一系列成果，标志着我国海洋天然气水合物开发已迈入世界前列。然而，天然气水合物开发目前仍然是世界性难题，实现其商业化开采还有较大距离，需要相关基础理论与关键技术突破。本书汇集本团队多年来的理论与技术研究成果，旨在与广大科研工作者及工程技术人员共同探讨，以促进天然气水合物基础理论发展，推动我国天然气水合物开采技术进步。
天然气水合物基础研究前沿挑战
天然气水合物开采涉及的核心问题是开采效率与安全保障。2013年，日本实现海洋天然气水合物首次试采，由于井筒堵塞等问题，试采持续6d后终止，监测发现井场地层沉降5 cm。首次海洋水合物试采进一步加深了国际上对工程问题的认识，从开采控制机理、多相渗流、储层结构变化等基础研究出发，重点突破出砂控砂技术及储层稳定性评价技术，成为目前主要研究方向。我国南海水合物藏具有泥质低渗非成岩特征，开采难度大，2017年和2020年在我国南海开展的3次天然气水合物试采，更加明确了对高效开采理论与安全防控技术的需求，以指导解决水合物开采障碍控制与储层稳定性预测问题，最终实现南海水合物安全、高效开发。具体难题和挑战主要包括以下几个方面：
1 天然气水合物开采相关基础研究
天然气水合物的热-动力学特性的描述、稳态含天然气水合物沉积物有效传热基础物性分析及预测模型、复杂多变因素作用下含天然气水合物沉积物传热系数时变规律、水合物分解界面传热过程分析与调控、沉积物内热源-有效导热对流对水合物分解进程的驱动与控制原理、相变条件下天然气水合物沉积物特征参数及其沉积物内流体运移特性的相互作用关系、多因素协同作用下储层内含相变过程的多相/多组分渗流与迁移机制，是实现开采过程水合物相变精细调控的基础。
水合物多孔介质各组分的二维空间分布
2 天然气水合物开采方法
针对我国海域天然气水合物储层开展天然气水合物藏试开采技术方案研究，评价开采效率和潜力的影响因素、建立三维水合物藏开采数值模拟技术、研制天然气水合物藏试采完整过程模拟系统、确定高效试采工艺，是实现水合物开采的重要保证。需要重点研发储层-样品-开采工艺适应性评价技术、水合物-油气联合开采工艺、连续排采及流动保障工艺、安全监测及风险评价技术，形成从海底到中深层典型海洋水合物安全高效开采方法，提高注热、降压、注剂、固态流化等开采方法的综合效率，并探索新的天然气水合物高效开采方法，形成适用于多种水合物储层的高效钻采技术与装备。
注热强化水合物置换机制
3 天然气水合物开采安全及环境影响
建立天然气水合物开采安全的评价指标、分析方法及综合评估方案，提出开采安全的监测参数、监测方法、监测数据分析方案及应急处理技术；构想开采过程中海底设备潜在的堵塞、泄露等障碍，提出相关应急处置技术方案，开发轻便、高效应急成套设备；构建天然气水合物试采区域海洋环境立体监测技术，实现对气、沉积层、水、陆地和大气的一体化监测；研制天然气水合物沉积物共振柱试验仪和可视化平面应变仪，实现小应变条件下天然气水合物沉积物的动力特性和天然气水合物变形过程中剪切带的变化规律研究；评价天然气水合物分解后沉积层震动液化研究及其对海洋工程结构物的影响，建立天然气水合物开采过程中地质灾害、海底工程结构物稳定性评价及对策。
管道内水合物堵塞过程示意图
《天然气水合物开采基础》基于天然气水合物的热力学与动力学特性、储层特性、开采产出以及安全特性等方面，总结了作者团队近年来取得的标志性成果，提出了海洋天然气水合物开采过程分解演化与调控理论。系统阐释了天然气水合物相平衡热力学与生成分解特性，开采过程储层传热、渗流与力学特性变化规律及其与天然气水合物的相互影响关系，降压、注热、置换三种主流开采方法下天然气水合物分解特性及其控制因素作用机制，以及天然气水合物开采过程储层稳定性及安全评价，旨在为我国天然气水合物安全高效开采提供系统、实用、扎实的理论基础。
虽然我国在天然气水合物领域的研究起步较晚，但近年来在天然气水合物基础研究和技术应用等方面取得了较大的进展，随着对天然气水合物的勘探情况及开采方案研究等方面的不断深入，天然气水合物高效与安全开采基础研究将推动我国相关技术的持续进步。相信在不久的将来，在诸多科研工作者的共同努力下，我国能够顺利安全地开采天然气水合物资源，为我国能源和经济发展做出更大的贡献。
本书涉及天然气水合物开采的基础研究领域，其内容主要集中在以下四个方面：天然气水合物热力学与相变动力学特征；天然气水合物储层基础特性；天然气水合物开采方法及管道安全；天然气水合物储层力学特性与稳定性。天然气水合物的热力学特性是天然气水合物开采的基础。天然气水合物储层传热、渗流、力学特性是天然气水合物开采产出特性与储层安全特性关键因素，是开采方案设计及工程实施的理论基础。本书详尽阐述了本团队上述几个方面研究内容及国内外最新进展，期望能为天然气水合物从业人员提供参考。
本书共分为十一章。第一章为绪论；第二章介绍了天然气水合物相平衡热力学知识，是天然气水合物的研究基础；第三章详细阐述了天然气水合物生成与分解动力学特性，包括孔隙尺度气体水合物赋存规律及微观相变等；第四章重点介绍了天然气水合物储层赋存结构特征及其导热特性；第五章主要介绍了储层特征对渗透率的影响及开采过程渗透率的变化特性；第六章主要阐述不同特征储层的力学参数演化规律，为储层安全性评价提供理论基础；第七、八、九章介绍了天然气水合物几种主要开采方法，包括降压开采、注热开采和置换法开采等；第十章为天然气水合物储层稳定性分析；第十一章为天然气水合物开采管道输运安全。
本书摘编自《天然气水合物开采基础》一书文前及第一章部分，内容有删减，标题为编者所加。
天然气水合物开采基础
978-7-03-068017-4
宋永臣,赵佳飞,杨明军 著
责任编辑：吴凡洁
内容简介
本书是对作者近20年研究成果的总结，系统地介绍了天然气水合物开采涉及的基本原理与方法。全书共11章，内容主要集中在四个方面：天然气水合物热力学与相变动力学特征、天然气水合物储层基础特性、天然气水合物开采方法及管道输运安全、天然气水合物储层力学特性与稳定性；重点阐释了天然气水合物相平衡热力学及生成与分解特性，开采过程储层导热、渗流与力学特性变化规律，降压、注热、置换三种方法下天然气水合物开采产气特性和管道流动安全保障，以及天然气水合物开采过程储层稳定性和安全评价。
油气资源开发和天然气工程领域专业人士，天然气水合物从业人员，天然气水合物的入门书以及相关专业本科生、研究生和科技人员。
READING
本书目录
目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 天然气水合物研究意义与进展 1
1.2 天然气水合物基础物性 4
1.3 天然气水合物储层特征 5
1.4 天然气水合物开采技术与储层安全 7
1.5 天然气水合物基础研究前沿挑战 11
参考文献 12
第2章 天然气水合物相平衡热力学 13
2.1 天然气水合物相平衡影响因素 13
2.1.1 测试装置与技术 13
2.1.2 多孔介质影响 16
2.1.3 盐度影响 17
2.1.4 气体组分影响 21
2.2 天然气水合物相平衡热力学模型 22
2.2.1 经典热力学模型 22
2.2.2 多孔介质体系模型 25
2.2.3 含盐多孔介质体系模型 28
2.3 基于机器学习算法的预测模型 33
2.3.1 机器学习算法介绍 33
2.3.2 数据来源与模型指标 35
2.3.3 模型分析与验证 37
参考文献 40
第3章 天然气水合物生成与分解 43
3.1 天然气水合物成核诱导时间 43
3.1.1 天然气水合物成核诱导时间影响因素 44
3.1.2 天然气水合物成核诱导时间预测 46
3.1.3 纳米材料促进天然气水合物生成 48
3.2 天然气水合物生长与赋存形态 49
3.2.1 天然气水合物生长特性 50
3.2.2 水合物生成动力学模型 56
3.2.3 水合物孔隙赋存形态 61
3.3 天然气水合物分解与二次生成 67
3.3.1 天然气水合物分解特性 67
3.3.2 天然气水合物二次生成特性 69
参考文献 73
第4章 天然气水合物储层导热特性 75
4.1 有效导热系数测量方法 75
4.1.1 常规测量方法 75
4.1.2 热敏电阻点热源法 76
4.2 天然气水合物储层导热特性 79
4.2.1 有效导热系数影响因素 79
4.2.2 相变过程有效导热系数 81
4.2.3 储层有效传热系数 84
4.3 水合物储层有效导热系数模型 88
4.3.1 经典有效介质模型 88
4.3.2 权重系数混合模型 91
参考文献 93
第5章 天然气水合物储层渗流特性 95
5.1 天然气水合物储层渗透率特征 95
5.1.1 水合物饱和度与渗透率 95
5.1.2 水合物分解及二次生成过程渗透率 102
5.1.3 降压开采水相非达西渗透特性 106
5.2 储层孔隙结构与相对渗透率 107
5.2.1 孔隙网络模型 107
5.2.2 气水相对渗透率 113
5.3 储层渗流特性和产气特征 117
5.3.1 各向异性水合物藏开采模型 118
5.3.2 渗透率各向异性对开采的影响 120
参考文献 127
第6章 天然气水合物储层力学特性 130
6.1 天然气水合物沉积物力学特性 130
6.1.1 平均粒径的影响 130
6.1.2 水合物饱和度的影响 132
6.1.3 有效围压的影响 133
6.1.4 温度的影响 134
6.1.5 剪切速率的影响 136
6.1.6 莫尔-库仑准则分析 137
6.2 天然气水合物分解过程沉积物力学特性 138
6.2.1 降压过程水合物沉积物力学特性 140
6.2.2 注热过程水合物沉积物力学特性 147
6.3 二氧化碳置换开采沉积物力学特性 153
6.3.1 水合物饱和度与有效围压的影响 154
6.3.2 屈服和剪缩特性分析 157
参考文献 160
第7章 天然气水合物降压开采 163
7.1 天然气水合物降压开采特征参数 163
7.1.1 压力与温度 163
7.1.2 产气速率 166
7.1.3 气水比 168
7.2 天然气水合物降压开采影响因素 170
7.2.1 降压方式 171
7.2.2 储层导热系数 173
7.2.3 储层比热容 176
7.2.4 储层渗透率 179
7.2.5 水合物饱和度 180
7.3 储层水含量对天然气水合物分解的影响 182
7.3.1 开采过程储层水含量变化 182
7.3.2 低水量储层降压开采 184
7.3.3 高水量储层降压开采 187
7.3.4 不同水含量储层产水 190
7.4 南海沉积物内天然气水合物降压产气特性 191
参考文献 195
第8章 天然气水合物注热开采 198
8.1 天然气水合物注热开采特征参数 198
8.1.1 压力与温度 198
8.1.2 产气速率与产气百分比 199
8.1.3 能源利用系数 200
8.2 天然气水合物注热开采影响因素 201
8.2.1 储层导热系数 201
8.2.2 储层比热 204
8.2.3 水合物初始饱和度 208
8.3 天然气水合物注热-降压联合开采产气特性 210
8.3.1 气饱和条件下产气特性 211
8.3.2 水饱和条件下产气特性 214
8.4 天然气水合物微波加热开采产气特性 217
8.4.1 储层饱和度影响 217
8.4.2 储层热物性影响 221
参考文献 224
第9章 天然气水合物置换开采 226
9.1 置换开采原理 226
9.1.1 置换开采热动力学可行性 226
9.1.2 置换开采力学可行性 227
9.1.3 置换开采机制 228
9.2 多相态区天然气水合物置换开采 229
9.2.1 多相态区置换效率定义与计算 229
9.2.2 气态和液态CO2置换开采 234
9.2.3 非稳定态CH4水合物置换开采 236
9.2.4 CO2乳液及超临界CO2置换开采 237
9.3 天然气水合物置换开采强化方法 239
9.3.1 降压强化置换开采 239
9.3.2 注热强化置换开采 243
9.3.3 抑制剂强化置换开采 247
9.3.4 混合气置换开采 248
参考文献 254
第10章 天然气水合物开采储层稳定性 256
10.1 天然气水合物沉积物临界状态本构模型 256
10.1.1 耗散函数与流动法则 257
10.1.2 硬化规律 258
10.1.3 真实应力空间中的屈服面 260
10.1.4 弹性关系与弹塑性关系 261
10.1.5 模型验证 262
10.2 天然气水合物开采多物理场耦合数值模拟 265
10.2.1 传热-渗流-变形-化学耦合控制方程 267
10.2.2 方程求解与模型验证 274
10.3 天然气水合物开采储层稳定性影响因素 278
10.3.1 井壁温度变化 278
10.3.2 降压开采过程 282
10.3.3 多井开采模式 286
10.4 水合物开采储层稳定性分析案例 288
10.4.1 孔压、温度及饱和度分布 291
10.4.2 有效应力和储层位移场 294
参考文献 297
第11章 天然气水合物开采管道输运安全 299
11.1 管道流动特性与堵塞机理 299
11.1.1 天然气水合物浆液流动特性 299
11.1.2 管道水合物堵塞机理 304
11.2 管道堵塞监检测技术 311
11.2.1 压差监测技术 311
11.2.2 压力波检测技术 315
11.2.3 声波检测技术 319
11.2.4 超声波检测技术 322
参考文献 327
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