羅強(qiáng)，劉志輝，寧伏龍,2，竇曉峰，劉志超,2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢，430074；2.科技部地球深部鉆探與深地資源開發(fā)國際聯(lián)合研究中心，湖北武漢，430074)

天然氣水合物(以下簡稱水合物)是繼頁巖氣、煤層氣、致密氣之后被認(rèn)為是最具潛力的非常規(guī)接替能源之一，水合物也被命名為第173 號新礦種[1]，其通常是由分子氣體和水組成的固體、非化學(xué)計量化合物，在自然界中主要分布于陸上凍土和深海沉積物中[2]，后者占資源總量的90%以上。自20世紀(jì)中期至今，人們對大陸和海域水合物資源開展了大量勘探工作[3]，俄羅斯、加拿大、美國、日本和中國等國家對水合物進(jìn)行了開采試驗(yàn)。例如，2017年中國在南海試采實(shí)現(xiàn)60 d連續(xù)產(chǎn)氣，累計產(chǎn)氣超過30 萬m3。2020 開展的第2 次試采在水深1 225 m的南海神狐海域進(jìn)行，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量86.14萬m3，日均產(chǎn)氣量2.87萬m3”的世界記錄[4]。盡管在水合物科學(xué)研究上取得了巨大成績，但實(shí)現(xiàn)海域水合物產(chǎn)業(yè)化卻是世界性難題。相比于常規(guī)油氣以及其他非常規(guī)能源，海域水合物儲層屬于未成巖的弱固結(jié)顆粒體，強(qiáng)度低，加之開采過程中水合物相變分解，導(dǎo)致儲層容易發(fā)生井壁失穩(wěn)、儲層沉降和出砂等地質(zhì)風(fēng)險，尤以出砂問題最突出[5]。在對俄羅斯的西伯利亞麥索雅哈氣田、加拿大麥肯齊、美國阿拉斯加地區(qū)北坡、日本南海海槽水合物試采中都遇到了出砂問題[5]，日本2 次試采生產(chǎn)井更是因嚴(yán)重出砂而被迫提前關(guān)井。中國2次試采都采取的控砂措施雖然有效抑制了出砂，但是對降壓提產(chǎn)的影響也較突出，因此，合理設(shè)計控砂工藝和參數(shù)對后續(xù)生產(chǎn)性試采尤為關(guān)鍵，而這有賴于對水合物儲層出砂機(jī)制及其采動效應(yīng)的深刻理解。

目前對于水合物儲層出砂研究主要聚焦于出砂規(guī)律及其控制因素上，常通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究不同地質(zhì)和工程條件下的出砂量。

1)在實(shí)驗(yàn)?zāi)M方面，許多學(xué)者通過自行搭建的具備控壓控溫的水合物形成裝置結(jié)合不同防砂介質(zhì)對水合物分解進(jìn)行評價[6-13]。

2)在數(shù)值模擬方面，學(xué)者們通過連續(xù)介質(zhì)方法和離散介質(zhì)方法，并結(jié)合水合物開采相關(guān)條件從宏觀和微觀2個方面對出砂進(jìn)行分析評價，探討了儲層物性參數(shù)(滲透率、初始水合物飽和度、黏結(jié)強(qiáng)度等)、降壓規(guī)程以及防砂設(shè)計對出砂的影響[5,13-18]。

上述研究較好地表征了水合物儲層出砂行為，但尚需研究砂顆粒運(yùn)移的驅(qū)動機(jī)制以及儲層顆粒間相互作用對出砂的影響[19]，如基于離散元的出砂仿真模型雖已被用于研究水合物儲層的出砂機(jī)制，但其細(xì)觀建模參數(shù)如摩擦因數(shù)、內(nèi)聚力等常通過“試錯法”標(biāo)定得到，這一參數(shù)標(biāo)定過程既耗時又存在多解弊端。

為此，本文利用自行研制的微觀力學(xué)測試裝置，測試水合物顆粒與砂顆粒之間黏附力、砂顆粒與水滴之間吸附過程的初始接觸力，探討水合物顆粒與砂顆粒在不同法向力、接觸時間和溫度條件下的切向力變化規(guī)律，進(jìn)而模擬水合物儲層在開采過程中砂顆粒與水合物之間的滑移運(yùn)動過程。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

圖1所示為自主搭建的具有切向力測試功能的微力測試裝置示意圖，主要包括3個可編程電動線性位移臺(PI公司)和2個高精度力傳感器(FUTEK)。位移臺可以進(jìn)行3個方向的運(yùn)動，其運(yùn)動定位精度為0.5 μm，最小速度為1.0 μm/s，最大速度為10.0 mm/s，可以根據(jù)給定的步長或速度進(jìn)行移動，最大移動距離為2 cm。傳感器的測力精度為0.01 mN，采樣記錄頻率為200次/s，可實(shí)時測量拉伸(正值)和壓縮(負(fù)值)時的力。其中垂直方向的力傳感器測試法向力，水平方向的傳感器測試切向力。

測試時采用直徑為570 μm、端封的毛細(xì)玻璃管作為探針。探針插入夾具并以螺紋形式連接到傳感器。使用微升注射器，將液滴滴定在玻璃管末端的光滑圓形截面上以形成水合物顆粒，如圖2所示。采用Julabo ZT4 恒溫循環(huán)浴控制反應(yīng)釜溫度，控溫精度為±0.1 ℃；釜內(nèi)安裝溫度傳感器(OMEGA SA1-RTD，精度為±0.1 ℃)。使用奧林巴斯SZ61顯微鏡(65倍變焦，配備CCD 攝像頭)通過可視窗口觀察被測顆粒。

圖2 探針滴定液滴圖Fig.2 Probe titration droplet diagram

本研究采用四氫呋喃(THF)作為水合物形成劑。四氫呋喃水合物具有與大多數(shù)熱成因天然氣水合物相似的熱力學(xué)性質(zhì)和相同的晶體結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)II型)[18]，在常壓、溫度低于4.4 ℃時穩(wěn)定存在，且具有水合物成核誘導(dǎo)時間相對短等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)使用的THF試劑由Aladdin公司生產(chǎn)，純度超過99.9%。去離子水由實(shí)驗(yàn)室配制機(jī)自制，電阻率為18.25 MΩ·cm?？紤]THF具有較高的揮發(fā)性，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%的THF溶液(22%THF+78%去離子水)。

1.2 樣品制備

1.2.1 水合物顆粒的形成

調(diào)節(jié)循環(huán)浴溫度，使反應(yīng)釜內(nèi)溫度保持在測試溫度。圖3所示為水合物顆粒形成示意圖。

圖3 水合物顆粒形成示意圖Fig.3 Diagram of hydrate particle formation

首先，用微升注射器滴入酒精，清洗玻璃管末端，用熱風(fēng)機(jī)吹干；

然后，用另一個微升注射器在玻璃管末端的圓形截面上滴定四氫呋喃溶液液滴；

最后，用液氮槍將液氮緩慢噴入釜內(nèi)，THF溶液液滴在低溫氮?dú)獾淖饔孟滦纬伤衔镱w粒，在玻璃管末端固結(jié)。

液氮作用退去后，反應(yīng)釜內(nèi)溫度將恢復(fù)至測試溫度，調(diào)節(jié)測試溫度(2.2 ℃)在冰點(diǎn)以上，以保證樣品沒有冰形成。

1.2.2 水合物板狀樣品形成

圖4所示為水合物板形成示意圖。剪裁長×寬為3 mm×15 mm的云母片，用環(huán)氧樹脂膠黏在底部探針上，將THF 溶液滴定在云母基底上(圖4(a))，然后在THF 溶液上部蓋上云母片，噴入液氮降溫(圖4(b))，THF 水合物將在2 個界面中間生長。揭開上部云母片(圖4(c))，形成表面光滑的板狀THF水合物樣品(詳細(xì)步驟可參考文獻(xiàn)[20-21])。

圖4 水合物板形成示意圖Fig.4 Diagram of hydrate flat plate formation

1.2.3 砂團(tuán)形成

泥砂顆粒為南海神狐區(qū)域巖心樣品(僅剔除了有孔蟲部分的砂團(tuán)，中值粒徑為10 μm，另外篩選了粒徑分別為50～63 μm 和63～150 μm 的樣品進(jìn)行剪切和滑移測試)。用適量的去離子水浸泡，攪拌，沉積24 h(如圖5所示)。用微升進(jìn)樣器將上部清水抽除，用探針蘸取下部沉積泥砂顆粒，泥砂顆粒將在毛細(xì)力作用下黏附在探針上，并在水的表面張力作用下形成球形顆粒，于室溫干燥48 h。

圖5 砂團(tuán)形成示意圖Fig.5 Diagram of sand culster formation

1.2.4 砂板形成

將南海神狐區(qū)域巖心樣品(僅剔除了有孔蟲部分)靜水沉積后烘干(如圖6所示)，用鑷子取小塊樣品(長×寬×高為5 mm×5 mm×1 mm)，用環(huán)氧樹脂膠黏附固定在底部探針上(詳細(xì)步驟可參考文獻(xiàn)[22])。

圖6 砂板形成示意圖Fig.6 Diagram of sand flat plate formation

1.3 測試方法

測試方法主要基于自行搭建裝置的黏附力和切向力測試功能(具體流程可以參考文獻(xiàn)[22])。其中更換下部探針為砂板和水合物平板，分別進(jìn)行水合物與砂板黏附力及砂團(tuán)與水合物平板滑移測試。

1.3.1 水滴吸附測試程序

調(diào)節(jié)電動位移臺使上部砂團(tuán)以1 μm/s 的速度靠近下部水滴(圖7(a))，在接觸的瞬間(圖7(b))，水滴將會吸附在砂團(tuán)上(圖7(c))，此時，垂直方向的力傳感器記錄的峰值力，定義為砂團(tuán)對水滴的初始接觸力(參照前人研究，水合物顆粒與水滴接觸的力定義為初始接觸力[23])。

圖7 水滴吸附測試圖Fig.7 Droplet absorption test diagram

1.3.2 黏附力測試程序

黏附力測試程序與吸附力測試程序相似，水合物顆粒向下運(yùn)動(圖8(a))，在水合物顆粒與砂板接觸后，繼續(xù)向下施加一定的法向力(圖8(b))，保持一定接觸時間，調(diào)節(jié)垂直方向電動位移臺向上移動，使水合物顆粒與砂板分離(圖8(c))。此時，垂直方向的力傳感器記錄的峰值力，定義為水合物顆粒與砂板之間的黏附力。

圖8 黏附力測試圖Fig.8 Adhesion test diagram

1.3.3 切向力測試程序

在切向力的測試中，頂部砂團(tuán)向下運(yùn)動(圖9(a))，與底部水合物顆粒接觸后，繼續(xù)向下給予一定的法向力(圖9(b))，保持一定接觸時間，然后調(diào)節(jié)水平方向位移臺速度為10 μm/s，使砂團(tuán)與水合物顆粒在水平方向分離(圖9(c))。定義水平方向的力傳感器記錄的峰值力為砂團(tuán)與水合物顆粒之間的切向力。

圖9 切向力測試圖Fig.9 Tangential force test diagram

1.3.4 滑移測試程序

滑移測試與切向力測試流程相似，底部水合物顆粒換成了水合物平板。砂團(tuán)向下移動(圖10(a))，在與水合物板接觸后，給定法向力和接觸時間(圖10(b))，調(diào)節(jié)水平方向電動位移臺，使水合物平板以0.1 mm/s 的速度水平移動3.0 mm(圖10(c))。此時，2個傳感器將實(shí)時記錄滑移過程中的切向力和法向力。

圖10 滑移測試圖Fig.10 Sliding test diagram

1.4 實(shí)驗(yàn)方案和有效接觸半徑校核

參考文獻(xiàn)[24]，為消除不同顆粒粒徑的影響，將黏聚力和切向力測試值除以平均調(diào)和半徑進(jìn)行處理，單位為mN/m，其中調(diào)和半徑R*按下式進(jìn)行計算。

式中：R*為平均調(diào)和半徑；R1和R2分別為上、下2個探針形成樣品的半徑(水合物顆粒、水滴和砂團(tuán)按球形顆粒半徑處理，板狀樣品被認(rèn)為半徑無限大)。所有測試參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測試參量一覽表Table 1 List of experimental test parameters

2 結(jié)果

2.1 砂、水合物與水滴的吸附

圖11所示為砂團(tuán)與水滴吸附測試圖。由圖11可見：干燥砂團(tuán)與水滴在接觸的瞬間(圖11(b))，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附作用(圖11(c))。在親水和毛細(xì)作用下，水滴迅速將砂團(tuán)包裹，進(jìn)入砂團(tuán)的孔隙中(圖11(d))，導(dǎo)致整個干燥砂團(tuán)濕潤。與砂團(tuán)粒徑接近的水滴幾乎全部進(jìn)入砂團(tuán)。潤濕后的砂團(tuán)體積有所增大。這些明顯的改變主要是砂團(tuán)粗糙的表面、多孔特性、礦物遇水膨脹所致。吸附測試采用的南海沉積物中值粒徑為12 μm，這些細(xì)小的顆粒團(tuán)簇在一起，增大砂團(tuán)的表面積，并且形成較多的孔隙。這些顆粒中的伊利石等黏土礦物遇水后發(fā)生膨脹，導(dǎo)致砂團(tuán)體積增大。

圖11 砂團(tuán)與水滴吸附測試圖Fig.11 Sand cluster and water droplet adsorption test diagram

圖12所示為砂團(tuán)、水合物與水滴初始接觸力對比。由圖12可見：砂團(tuán)與水滴的初始接觸力是環(huán)戊烷水合物與水滴的初始接觸力的數(shù)倍[23,25-27]，這說明水合物分解水更容易進(jìn)入還未水飽和的儲層砂中。

2.2 水合物與砂之間的黏附特征

圖13所示為水合物與砂板黏附力測試圖。由圖13(a)可見：當(dāng)干燥的砂板與水合物顆粒接觸后拉開時，實(shí)時力曲線未見明顯峰值，表明干燥砂板與水合物顆粒短時間接觸黏附力非常小。ASPENES 等[25]在液態(tài)烴相環(huán)境中，測得環(huán)戊烷水合物顆粒與干燥石英表面除以調(diào)和半徑后的黏附力為0.5～1.4 mN/m。在氣相干燥條件下，由于礦物表面幾乎沒有液態(tài)物質(zhì)，因此，水合物顆粒與砂板的黏附力會更小。由圖13(b)可見：在干燥砂板上滴入去離子水濕潤后，砂板發(fā)生了明顯膨脹，并產(chǎn)生層狀裂紋，此時，水合物顆粒與砂板接觸后拉開，傳感器可以測得明顯的力，為80～110 mN/m。濕潤砂板表面的液橋作用是造成黏附力增大的主要原因。液橋的存在導(dǎo)致水合物顆粒與儲層砂顆粒之間產(chǎn)生了較大黏附力。

2.3 砂與水合物之間切向力

2.3.1 法向力對切向力的影響

圖14所示為法向力對砂團(tuán)與水合物間切向力的影響。由圖14可見：在2組不同粒徑的測試中，切向力T均隨著法向力N增加而呈線性增加。擬合的直線符合摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，無黏性土的特征，直線與Y軸無明顯截距。這說明在較短接觸時間內(nèi)，水合物顆粒與干燥砂團(tuán)之間不存在或存在非常小黏附力，這也與上述水合物顆粒與干燥砂板之間的黏附力測試結(jié)果相符合。此外，2種不同粒徑的擬合斜率存在微小差異，這或許預(yù)示著粒徑對摩擦角有一定影響。這種短時間接觸下的水合物顆粒剪切測試結(jié)果可以部分表征水合物以骨架支撐形式賦存時，剪切作用下的顆粒微觀破壞行為。在該條件下可采用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則來評價沉積物的強(qiáng)度特征。

2.3.2 接觸時間對切向力的影響

表2所示為砂團(tuán)與水合物顆粒在不同接觸時間條件下切向力對比。由表2可見：2 種粒徑的砂團(tuán)與水合物顆粒的切向力在120 s 內(nèi)的切向力變化趨勢不大，這與AMAN 等[28]的研究結(jié)果明顯不同。AMAN等[28]將30 s后內(nèi)聚力線性增大的原因歸因于接觸區(qū)域的水合物生長固結(jié)。而本研究中切向力變化不大，說明水合物顆粒與干燥砂的接觸并不像水合物顆粒與水合物顆粒同類物質(zhì)接觸時那樣迅速生長固結(jié)?；蛟S這與接觸后干燥砂團(tuán)從水合物表面吸附的水難以再形成水合物有關(guān)。但JUNG[29]測得當(dāng)液態(tài)水在礦物表面上成核后形成固體水合物，具有較大抗拉強(qiáng)度，這或許與液相更容易進(jìn)入礦物表面的孔隙后形成水合物，增大固結(jié)面積有關(guān)。因此，本研究中由于自由水少，接觸區(qū)域在短接觸時間下沒有較好地固結(jié)，導(dǎo)致切向力的變化不明顯。

表2 砂團(tuán)與水合物顆粒在不同接觸時間條件下切向力對比Table 2 Comparison of tangential forces between sand group and hydrate particles under different contact times

2.3.3 溫度對切向力的影響

隨著溫度升高，水合物顆粒開始分解，分解水將縮小的水合物顆粒包裹。圖15所示為水合物顆粒分解觀測圖。水合物顆粒在溫度升高的條件下由外到內(nèi)分解。由于分解水不斷被砂團(tuán)滲吸，水合物顆粒骨架逐漸變小。在測試過程中，施加相同的法向力，電動位移臺向下的步長增加。這可以反映在實(shí)際儲層環(huán)境下，水合物分解也會造成類似的沉降。

圖15 水合物顆粒分解觀測圖Fig.15 Observation pictures of hydrate particle decomposition

圖16所示為溫度影響下砂團(tuán)與水合物顆粒切向力。由圖16可見：在溫度上升且2 種不同粒徑的砂團(tuán)與水合物顆粒接觸剪切的過程中，逐漸變小的水合物顆粒依然可以抵抗一定剪切，并且在接近水合物相平衡溫度附近會出現(xiàn)1 個微弱的峰，這可能是：

圖16 溫度影響下的砂團(tuán)與水合物顆粒切向力Fig.16 Tangential force between sand cluster and hydrate under temperature

1)分解水造成接觸區(qū)域砂團(tuán)下部失穩(wěn)，導(dǎo)致砂團(tuán)與水合物顆粒接觸區(qū)域增大，引起切向力增大；

2)在溫度升高條件下，水合物顆粒表面產(chǎn)生的固、液變化導(dǎo)致切向力發(fā)生變化。

2.4 砂團(tuán)與水合物表面的滑移

2.4.1 穩(wěn)定狀態(tài)下的滑移

保持水合物穩(wěn)定，分別在不同法向力條件下進(jìn)行滑移測試，滑動距離為3 mm，滑動剪切速度為0.1 mm/s。在不同粒徑的砂團(tuán)觀測中，砂團(tuán)與水合物表面滑動時，砂團(tuán)均十分穩(wěn)定。雖然摩擦升溫導(dǎo)致部分表面液體滲入砂顆粒下部，但并未出現(xiàn)砂團(tuán)下部形狀的明顯改變，也沒有觀察到砂粒在滑移過程中剝落。在滑移過程中，滑動摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定(見表3)，其中粒徑為63～150 μm 的砂顆粒組成的砂團(tuán)的摩擦因數(shù)，比粒徑為50～63 μm的砂粒組成的砂團(tuán)的摩擦因數(shù)稍大。這也進(jìn)一步說明粒徑在一定程度上會影響摩擦角。

表3 砂團(tuán)與水合物平板在不同法向力條件下滑動摩擦因數(shù)對比Table 3 Comparison of sliding friction coefficients between sand cluster and hydrate plate under different normal force

2.4.2 分解狀態(tài)下的滑移

圖17所示為加熱分解狀態(tài)下砂團(tuán)與水合物表面的滑移現(xiàn)象觀察圖。由圖17可見：當(dāng)溫度在相平衡點(diǎn)以下時，水合物平板表面是穩(wěn)定的，此時進(jìn)行的滑移測試與前述穩(wěn)定狀態(tài)下的測試現(xiàn)象一致；當(dāng)溫度高于相平衡溫度后，水合物平板表面開始分解并產(chǎn)生水膜，此時，砂團(tuán)與水合物平板接觸，造成分解水迅速吸附進(jìn)入砂團(tuán)，改變法向力方向。此時增大向下位移，雖可以保持一定法向力，抵抗一定剪切，但切向力和法向力迅速下降。隨著水合物分解加劇，繼續(xù)向下增大位移進(jìn)行剪切測試，砂團(tuán)下部會發(fā)生明顯破壞和沉降。該測試結(jié)果表明水合物分解產(chǎn)生的分解水容易造成部分砂顆粒脫落和沉降，在發(fā)生剪切時極易被破壞，并且該過程中地層垂向和水平應(yīng)力變化會十分復(fù)雜。

圖17 加熱狀態(tài)下砂團(tuán)與水合物表面的滑移現(xiàn)象觀察Fig.17 Observation of interaction between hydrate decomposed water and sand group

3 結(jié)論

1)水對干燥砂團(tuán)和水合物均表現(xiàn)出較大黏附力，其中，干燥砂團(tuán)對水產(chǎn)生劇烈吸附。溫度升高導(dǎo)致水合物顆粒由外向內(nèi)分解，這些分解的水會迅速進(jìn)入砂團(tuán)中。在一定應(yīng)力下，當(dāng)干燥砂團(tuán)吸水后，容易誘發(fā)砂團(tuán)自身內(nèi)聚力降低，導(dǎo)致砂粒破壞，加之水合物分解消融讓出空間，從而容易誘發(fā)沉降現(xiàn)象。

2)砂團(tuán)與水合物之間的接觸剪切力與法向力呈正比。在水合物穩(wěn)定條件下，砂團(tuán)與水合物儲層剪切滑移并不會造成明顯的砂團(tuán)破壞和砂粒剝離。在分解狀態(tài)下，產(chǎn)生的分解水將造成砂團(tuán)失穩(wěn)，隨著水量增大，在剪切滑移過程中會造成砂團(tuán)的整體被破壞。

3)在法向力一定的條件下，砂團(tuán)粒徑將會影響切向力。在砂團(tuán)與水合物板穩(wěn)定滑移過程中，粒徑較大的砂團(tuán)有較大滑動摩擦因數(shù)。

4)在水合物儲層的防砂中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注和控制水合物分解產(chǎn)生的水。降低這部分水的黏度有助于水合物儲層防砂控泥。