作者：宋永臣
页数：340
出版社：科学出版社
出版日期：2021
ISBN：9787030680174
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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。
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
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
