[发明专利]一种考虑水合物开采影响的储层本构模型

说明书

本发明公开一种考虑水合物开采影响的储层本构模型，其技术方案是：本构模型建立步骤如下：对人工制备的含甲烷水合物沉积物试样进行CO₂置换实验，并对置换前后的试样进行三轴压缩实验，获得其应力‑应变曲线；根据实验结果验证Duncan‑Chang模型对CO₂置换影响下的天然气水合物储层的适用性；根据不同条件下的三轴压缩实验结果，利用置换率、初始水合物饱和度参数对8个模型参数进行修正；将建立的CO₂置换影响下天然气水合物储层的非线性本构模型的计算曲线与实验结果进行对比。有益效果是：本发明考虑了CO₂置换的影响，能够准确地预测储层的破坏行为，并具有较好的适用性，可为天然气水合物开采与CO₂封存相关的理论研究、数值建模以及工程设计提供帮助。

技术领域

本发明涉及天然气水合物开采技术领域，特别涉及一种考虑水合物开采影响的储层本构模型。

背景技术

天然气水合物(NGH)是在低温高压条件下天然气与水分子形成的高能量密度的笼形晶状化合物，目前，已经提出的天然气水合物开采的方式主要有：热激发法、降压法、注化学试剂法和CO₂置换法。前三种开采方式都是改变天然气水合物藏的温压环境，使其不再满足水合物相平衡条件，促使天然气水合物的分解与CH₄气体的产出，但这个过程中由于水合物的分解可能会显著降低储层的抗变形能力，存在引发生产出砂、储层沉降、海底滑坡等工程和地质灾害的潜在危险。CO₂置换法的基本思路是利用CO₂水合物与CH₄水合物的生成、稳定条件差异，使CO₂与CH₄水合物在适合置换反应的温度和压力条件下接触，在CH₄水合物分解的同时生成CO₂水合物。该方法在获得CH₄的同时，还能将CO₂封存在海底，并在一定程度上保持储层的力学稳定性。这种利用气体交换反应的生产技术将成为结合天然气安全开采和CO₂封存的重要媒介，从而在获得能源的同时减缓CO₂排放引起的全球气候恶化。

目前，针对天然气水合物储层的许多不同形式的本构模型已经被一些学者基于不同的方法和目的建立起来，但是这些本构模型都没有考虑CO₂置换法的影响，现阶段关于CO₂置换法的研究主要集中在置换反应的动力学机制和如何提高置换效率方面，基于经济效益的考量占据主要地位，而目前对CO₂置换法开采过程中储层力学安全性方面的研究较少，特别是能表征CO₂置换开采过程中水合物储层应力-应变关系变化规律的本构模型还没有被建立。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种考虑水合物开采影响的储层本构模型。

本发明提到的一种考虑水合物开采影响的储层本构模型，其技术方案是：本构模型的建立过程主要包括以下步骤：

步骤1：对人工制备的含甲烷水合物沉积物试样进行CO₂置换实验，并对置换前后的试样进行三轴压缩实验，获得其应力-应变曲线；

步骤2：根据实验结果验证Duncan-Chang模型对CO₂置换影响下的天然气水合物储层的适用性；所述Duncan-Chang表达式如下：

（1）

式（1）也可以改写成如下两种形式：

（2）

或 （3）

其中，为偏应力；为轴向应变，由实验测定；a、b为决定于材料性质的实验参数；

步骤3：基于Duncan-Chang模型，根据不同条件下的三轴压缩实验结果，利用置换率、初始水合物饱和度参数对Duncan-Chang模型的8个模型参数进行修正；

所述置换率的定义式如下：