我实验室李晓东博士、雷刚教授等人与青岛海洋地质研究所万义钊老师在期刊Journal of Petroleum Science and Engineering上发表了题为A new theoretical model incorporating geomechanical effects for hydrate dissociation in sediments under thermal stimulation的文章。

热激法是天然气水合物开采的重点研究方向。以往热激法解析模型往往只关注水合物分解过程中的传热和渗流特征，却忽视了其中的地质力学效应。然而，在热激法下的水合物分解同样是一个多物理场耦合的过程，地质力学效应不应被忽略。

针对上述问题，我实验室李晓东博士与雷刚教授等人与青岛海洋地质研究所万义钊老师，基于已有的解析模型建立了一个考虑地质力学效应的水合物热激法热流固耦合模型，采用增量法实现了对耦合系统的求解，验证了求解方法的可靠性并对比了Lagrange’s孔隙度和真实孔隙度对耦合系统的影响。同时，基于该模型和求解方法展开了参数分析，计算了应力荷载、边界温度和边界压力对于耦合系统的影响。与此前模型相比，该模型更加全面，并且可以展示水合物在热激作用下的更多特征。（图1、2）

图1 传热渗流模型和地质力学模型的耦合示意图

图2 研究问题概念图

注：右端为应力边界，其余三个边界为辊支撑，即只限制垂直于该平面的位移；红线表示不可渗流和绝热边界，P₀和T₀表示压力和温度边界；Zone I是水合物分解区（即水合物饱和度S_h是0）；Zone II是水合物未分解区（即S_h=0）;χ是分解前缘的位置

主要内容精简：

1、求解方案

求解过程中，沉积物被认为是弹性的连续介质，应力通过解析解的方式计算得到。通过显式的方法成功对渗流子系统和地质力学子系统之间的耦合行为进行解耦求解。孔隙度的变化考虑了压缩效应和热膨胀效应，进而会影响到渗透率的分布，最终影响孔隙压力和温度的分布情况。这又会反过来影响沉积物的力学行为。（图3）

图3 传热渗流地质力学耦合模型的增量方案

2、模型验证

模型中考虑了两种孔隙度（Lagrange’s孔隙度和真实孔隙度），来研究由于体积应变和热膨胀导致的渗透率变化对耦合系统的影响。通过与之前解析解的对比验证了增量求解方案。（图4、5）

图4 真实孔隙度和Lagrange’s孔隙度之间的关系

图5 解析解与增量解对比图 (a) 孔隙压力差 (b) 温度

结果显示，储层的温度对地质力学效应的改变不是很敏感，但是考虑地质力学效应，会导致孔隙压力上升，渗透率下降。（图6）

图6 未考虑地质力学效应的解析解和考虑地质力学效应的增量解结果对比

对比两种孔隙度下的耦合行为可以发现，两种孔隙度(Lagrange’s孔隙度和真实孔隙度)对于耦合系统的影响较小，在小应变条件下，这种差异可以忽略。（图7、8）

图7 水合物分解区两种孔隙度下的渗透率分布

图8 两种孔隙度下的 (a) 孔隙压力分布和 (b) 体积应变绝对值分布

3、参数分析

对不同应力荷载条件下的储层开采进行分析，发现更高的荷载会带来更高的孔隙压力、更低的渗透率、更高的温度和更低的累计产气量。（图9）

图9 不同荷载下 (a) 水合物分解区压力分布，(b) 水合物分解区渗透率分布，(c) 温度，(d)一天累积产气量

分析不同边界压力和边界温度条件下的储层及产气特征发现，低压高温会导致更高的产气量，这和常规认识一致。对于升高边界温度这一方式来说，边界温度较低时和边界压力较高时，会导致一个较大的累计产气量增量；而对于降低边界压力这一方法来说，边界温度和边界压力都较低时才会有一个较大的累计产气量增量。（图10、11）

图10 不同边界压力下 (a) 压力分布，(b) 一天累积产气量，(c) 渗透率，(d) 归一化渗透率

图11 不同边界温度下 (a) 温度分布，(b) 压力分布，(c) 渗透率分布，(d) 一天累积产气量

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920410522010725