水合物热分解引起的喷发灾害的分析与防治方法

摘要

本发明涉及一种水合物热分解引起的喷发灾害的分析与防治方法，从相关的热力学及地理参数入手，通过水合物热分解引起喷发破坏时的静力学平衡条件，建立水合物分解范围与孔压、土层力学强度特性的临界关系式，通过得到的临界关系式，获得实际地层中水合物热分解引起喷发灾害发生的评估条件并提供预防措施。

主权项

1.一种水合物热分解引起的喷发灾害的分析与防治方法，其特征在于，1)对水合物热分解引起的喷发灾害的分析包括如下：①水合物热分解区域半径的扩展分析水合物沉积层中热源处首先达到水合物相平衡温度，发生相变，形成分解区域与未分解区域，其界面称为相变阵面，分解区域组成为：水、气体、土骨架，未分解区域组成为：水合物、土骨架；随着温度的升高，分解区域不断扩展，分解区域的温度取决于分解区域的平均密度ρ₁、平均比热C₁、平均热传导系数K₁、加热温度T_h、初始温度T₀、相变潜热ΔH、相平衡温度T_e，ρ₁＝ε₀ρ_g+(1-ε₀)ρ_s，C₁＝ε₀C_g+(1-ε₀)C_s，K₁＝ε₀K_g+(1-ε₀)K_s；未分解区域的温度取决于未分解区域的平均密度ρ₂、平均比热C₂、平均热传导系数K₂，ρ₂＝ε₀ρ_h+(1-ε₀)ρ_s，C₂＝ε₀C_h+(1-ε₀)C_s，K₂＝ε₀K_h+(1-ε₀)K_s，其中：ε₀为水合物的含量；ρ_h为水合物密度，ρ_s为土骨架密度，ρ_g气体密度，C_h为水合物比热，C_s为土骨架比热，C_g为气体比热，K_h为水合物热传导系数，K_s为土骨架热传导系数，K_g为气体热传导系数；假定各个区域热传导物理参数平均，且相变潜热为常数，写出两个区域内的热学表达式为：分解区域：未分解区域：求解方程(1)得到其中，ξ_e是取决于水合物沉积层各组分热学参数，由关系式$\frac{{4\theta }_h{K}_2}{{\rho }_h\Delta {\mathrm{Hϵ}}_0{\kappa }_1}\left(\frac{{\kappa }_1}{{\kappa }_2}\frac{{\upsilon }_e·\exp (-4\frac{{\kappa }_1}{{\kappa }_2}{\xi }_e)}{\sqrt{{\mathrm{\pi \xi }}_e^{\prime }}·(\mathrm{erf}\left(2\sqrt{\frac{{\kappa }_1}{{\kappa }_2}{\xi }_e}\right)-1)}\right)-\frac{{4\theta }_h{K}_1}{{\rho }_h{\mathrm{\Delta Hϵ}}_0{\kappa }_1}\left(\frac{({\upsilon }_e-1)·\exp (-4{\xi }_e)}{2\sqrt{{\mathrm{\pi \xi }}_e}·\mathrm{erf}\left(2\sqrt{{\xi }_e}\right)}\right)=1$确定，其中，υ_e＝T_e-T₀，θ_h＝T_h-T₀，T₁为分解区域内平均温度，T₂为未分解区域内平均温度，X_e为相变阵面的位置，t是时间，κ为热扩散系数，有分解区域半径R与水合物相变阵面的位置X_e对应，因此可记做：$R=\sqrt{{\xi }_e{\kappa }_{1}t}---\left(2\right)$②水合物热分解临界喷发分析当水合物分解区域半径达到一临界值时，记为气体压力将突破上覆层而发生喷发，喷发所对应的水合物热分解区域半径R_cri和破坏的特征尺度r由如下参数决定：孔隙气体压力p_g，上方大气压力p₀，上覆土体的平均比重分解区域上方的土体强度τ_f，热源至上覆层表面的高度h；因此，分解区域临界半径R_cri和破坏的特征尺度为r可分别写成：$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{cir}}=f(h,\bar{\rho }g,p_g,{\tau }_f,p_0)\\ r=s(h,\bar{\rho }g,p_g,{\tau }_f,p_0)\end{array}\right.---\left(3\right)$选取和h作为单位，式(3)可化为无量纲关系：$\left\{\begin{array}{c}\frac{R_{\mathrm{cir}}}{h}=f(\frac{p_g-p_0}{\bar{\rho }\mathrm{gh}},\frac{{\tau }_f}{\bar{\rho }\mathrm{gh}})\\ \frac{r}{h}=s(\frac{p_g-p_0}{\bar{\rho }\mathrm{gh}},\frac{{\tau }_f}{\bar{\rho }\mathrm{gh}})\end{array}\right.---\left(4\right)$已知和进行喷发临界条件的静力学分析，则可以判断是否会发生喷发，若发生喷发，则可确定水合物分解区域的特征半径及破坏的特征尺度2)水合物热分解引起的喷发灾害的防治包括如下：根据步骤1)的分析，从如下方面进行防治：①在水合物开发工程中控制热源加热温度、加热效率和加热时间，并预测分解区域半径的扩展，确定分解区域的孔隙气体压力的发展，使得孔隙压力不足以对上覆层造成破坏；②在获得的现场沉积层和上覆层的力学参数、孔隙和裂隙结构、水合物的横向、纵向合成与分布基础上，选取合适的开采方式和开采井布置方法，并对沉积层或上覆层薄弱区域进行加固处理。