气体水合物生成实验过程动态监测:一种新的ERT方法及其效果分析

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.103

现代地质 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (01): 193-201.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2021.103

气体水合物生成实验过程动态监测:一种新的ERT方法及其效果分析

刘洋¹(), 陈强²^,³, 邹长春¹(), 赵金环²^,³, 彭诚¹, 孙建业²^,³, 刘昌岭²^,³, 伍操为¹

1. 中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083
2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东青岛 266071
3. 青岛海洋地质研究所自然资源部天然气水合物重点实验室, 山东青岛 266071

收稿日期:2021-08-11 修回日期:2021-11-21 出版日期:2022-02-10 发布日期:2022-03-08
通讯作者: 邹长春
作者简介:邹长春,男,教授,博士生导师,1969年出生,地球探测与信息技术专业,主要从事岩石物理、测井与井中物探、油气勘探、深地与深海探测等领域的教学和科研工作。Email: zoucc@cugb.edu.cn。
刘洋,男,硕士研究生,1997年出生,地质工程专业,主要从事岩石物理、测井与井中物探方面的研究。Email: Lyang@cugb.edu.cn。
基金资助:
山东省自然科学基金(重点项目)(ZR2020KE026);自然资源部中国地质调查局地质调查项目(DD20190231);广东省重点领域研发计划“海洋高端装备制造及资源保护与利用”重点专项(2020B111103003)

Experimental Dynamic Monitoring of Gas Hydrate Formation: A New ERT Method and Its Effectiveness Analysis

LIU Yang¹(), CHEN Qiang²^,³, ZOU Changchun¹(), ZHAO Jinhuan²^,³, PENG Cheng¹, SUN Jianye²^,³, LIU Changling²^,³, WU Caowei¹

1. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology-Qingdao,Qingdao, Shandong 266071, China
3. Key Laboratory of Gas Hydrate, Ministry of Natural Resources,Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao, Shandong 266071, China

Received:2021-08-11 Revised:2021-11-21 Online:2022-02-10 Published:2022-03-08
Contact: ZOU Changchun

摘要/Abstract

摘要：

现阶段适用于天然气水合物资源开采过程获得其空间分布变化的现场监测技术仍不完善。以电阻率层析成像(ERT)技术为基础,研发一套新的ERT阵列(由两组平行的垂向电极组合而成,每组阵列有24个环形电极)应用于水合物储层动态变化监测模拟实验。通过开展物理模拟实验,采用新的ERT方法对水合物生成过程进行了动态监测,并分析了动态监测方法的应用效果。通过对实验数据统计分析,92%的数据标准偏差小于5%,证实该装置获取的电学数据资料具有较高质量。通过对高阻介质模拟实验,发现温度压力条件的变化对ERT监测结果影响较小,成像结果显示饱含3.5%NaCl溶液的沉积物电阻率约为1 Ω·m与阿尔奇公式计算所得电阻率基本一致,验证了其具有较高的适用性。新的ERT方法有效地监测了水合物生成过程中电阻率变化,平均电阻率随着水合物的生成从0.95 Ω·m增大至1.95 Ω·m并观察到“爬壁效应”,证明其在水合物监测中具有良好的应用效果,并有助于实现对水合物饱和度空间分布的动态监测。研究成果为开展实验室内水合物生成和分解过程演化研究提供了方法和技术支持,也有助于研发现场天然气水合物储层动态变化监测技术和设备。

关键词: 天然气水合物, 电阻率层析成像, 物理实验模拟, 动态监测

Abstract:

At present, on-site monitoring techniques suitable for determining spatial changes in hydrate formation and dissociation for resource exploitation is still imperfect. The new ERT array comprises two sets of parallel vertical electrodes, each with 24 electrodes. Through conducting physical simulation experiment, the new ERT method is used to monitor the hydrate formation process, and the application effectiveness of the dynamic monitoring method is analyzed. Based on statistical analysis of the physical simulation data, the standard deviation is below 5% for 92% of the data, which supports that the experimental device can obtain high-quality electrical data. Through the simulation experiment of high-resistivity medium, it is found that temperature and pressure changes have little influence on the ERT monitoring results. The imaging results show that the sediment resistivity saturated with 3.5% NaCl solution is about 1 Ω·m, which is basically equal to that calculated by the Archie’s formula. The applicability of ERT monitoring method is verified. The new ERT method effectively monitors the resistivity change in hydrate formation. The average resistivity increases from 0.95 to 1.95 Ω·m with the hydrate formation, and the “climbing effect” is observed. This supports that the approach is effective in hydrate monitoring, and facilitates dynamic monitoring of the spatial hydrate-saturation distribution. The results provide experimental and theoretical support for further research on hydrate formation and dissociation in sediments, and provide reference for the development of field hydrate monitoring technology.

Key words: gas hydrate, electrical resistivity tomography, physical experiment simulation, dynamic monitoring

中图分类号:

P631.8

刘洋, 陈强, 邹长春, 赵金环, 彭诚, 孙建业, 刘昌岭, 伍操为. 气体水合物生成实验过程动态监测:一种新的ERT方法及其效果分析[J]. 现代地质, 2022, 36(01): 193-201.

LIU Yang, CHEN Qiang, ZOU Changchun, ZHAO Jinhuan, PENG Cheng, SUN Jianye, LIU Changling, WU Caowei. Experimental Dynamic Monitoring of Gas Hydrate Formation: A New ERT Method and Its Effectiveness Analysis[J]. Geoscience, 2022, 36(01): 193-201.

图/表 8

图1 基于电阻率层析成像的水合物储层动态监测模拟实验装置

Fig.1 Hydrate reservoir dynamic monitoring simulation experimental device based on electrical resistivity tomography

图2 前人(a)(据文献[23]修改)和本文(b)的ERT阵列电极布局及采集方式示意图

Fig.2 Electrode layout and acquisition modes of old ((a) modified after ref.[23]) and new (b) ERT array

表1 重复测量实验参数

Table 1 Repeated measurement experiment parameters

模型序号	介质	溶液浓度/%	温度	压力	采集次数
1	NaCl溶液	0.12	常温	常压	10
2	天然海沙、NaCl溶液	3.50	常温	常压	10

图3 两种模型测量数据的标准差统计图

Fig.3 Statistical graphs of the standard deviation of the measured data of the two models

表2 物理实验模拟参数

Table 2 Physical experiment simulation parameters

实验编号	介质	温度 T/℃	压力 P/MPa
1	3.5% NaCl溶液、沉积物、1个高阻介质	23	0.1
2	3.5% NaCl溶液、沉积物、1个高阻介质	23	8.0
3	3.5% NaCl溶液、沉积物、1个高阻介质	0	8.0

图4 不同环境下高阻体模拟实验的成像结果(P为压力;T为温度)

Fig.4 Imaging results of high resistivity body simulation experiments in different environments (P is pressure; T is temperature)

图5 水合物生成过程中温度和压力变化曲线图

Fig.5 Temperature and pressure curves during hydrate formation

图6 水合物生成过程中电阻率分布(R为平均电阻率;t为时间)

Fig.6 Resistivity distribution during hydrate formation (R is the average resistivity; t is time)

参考文献 28

[1]	SLOAN D E. Fundamental principles and applications of natural gas hydrate[J]. Nature, 2003, 426: 353-363. DOI URL
[2]	COLLETT T S. Energy resource potential of natural gas hydrates[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11): 1971-1992.
[3]	KVALSTAD T J, ANDRESEN L, FORSBERG C F, et al. The Storegga slide: evaluation of triggering sources and side mechanics[J]. Scientific Journal of Earth Science, 2014, 4(3): 146-155.
[4]	HOVLAND M, GUDMESTAD O T. Potential influence of gas hydrates on seabed installations[M]// American Geological Union.Natural Gas Hydrates:Occurrence, Distribution, and Detection. Washington: American Geological Union, 2001: 307-315.
[5]	SULTAN N, COCHONAT P, FOUCHER J P, et al. Effect of gas hydrates melting on seafloor slope instability[J]. Marine Geology, 2004, 213(1): 379-401. DOI URL
[6]	沈平, 强建科, 李永军, 等. 井间视电阻率的几何成像方法[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2010, 41(3):1079-1084.
[7]	HAARDER E B, BINLEY A, LOOMS M C, et al. Comparing plume characteristics inferred from cross-borehole geophysical data[J]. Vadose Zone Journal, 2012, 11(4): 1539-1663.
[8]	邵帅, 吴景鑫, 郭秀军, 等. 储油区泄漏电学实时监测系统设计与应用效果分析[J]. 地球物理学进展, 2020, 35(2): 1-11.
[9]	马凤山, 底青云, 李克蓬, 等. 高密度电阻率法在海底金矿含水构造探测中的应用[J]. 地球物理学报, 2016, 59(12): 4432-4438.
[10]	苏永军, 马震, 孟利山, 等. 高密度电阻率法和激发极化法在抗旱找水定井位中的应用[J]. 现代地质, 2015, 29(2): 265-271.
[11]	孟庆国, 刘昌岭, 业渝光, 等. 不同类型天然气水合物真空分解过程实验[J]. 现代地质, 2010, 24(3): 607-613.
[12]	贾佳林, 张郁, 李刚, 等. 南海海泥中甲烷水合物生成特性的实验研究[J]. 现代地质, 2013, 27(6): 1373-1378.
[13]	陈强, 业渝广, 刘昌岭, 等. 多孔介质中甲烷水合物相变过程模拟实验研究[J]. 现代地质, 2010, 24(5): 972-978.
[14]	胡高伟, 业渝光, 张剑, 等. 松散沉积物中天然气水合物生成、分解过程与声学特性的实验研究[J]. 现代地质, 2008, 22(3): 465-474.
[15]	LI S X, XIA X R, XUAN J, et al. Resistivity in formation and decomposition of natural gas hydrate in porous medium[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2010, 18(1): 39-42. DOI URL
[16]	STOLL R D, BRYAN G M. Physical properties of sediments containing gas hydrates[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2012, 84(4):10-15.
[17]	陈强, 刘昌岭, 邢兰昌, 等. 孔隙水垂向不均匀分布体系中水合物生成过程的电阻率变化[J]. 石油学报, 2016, 37(2): 222-229.
[18]	李淑霞, 夏唏冉, 郝永卯, 等. 电阻率测试技术在沉积物-盐水-甲烷水合物体系中的应用[J]. 实验力学, 2010, 25(1): 95-99.
[19]	SPANGENBERG E, PRIEGNITZ M, HEESCHEN K, et al. Are Laboratory-formed hydrate-bearing systems analogous to those in nature?[J]. Journal of Chemical and Engineering Data, 2014, 60(2): 258-268. DOI URL
[20]	PRIEGNITZ M, THALER J, SPANGENBERG E, et al. Characterizing electrical properties and permeability changes of hydrate bearing sediments using ERT data[J]. Geophysical Journal International, 2015, 202(3): 1599-1612. DOI URL
[21]	赵洪伟, 刁少波, 业渝光, 等. 多孔介质中水合物阻抗探测技术[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2005, 25(1): 137-142.
[22]	李小森, 冯景春, 李刚, 等. 电阻率在天然气水合物三维生成及开采过程中的变化特性模拟实验[J]. 天然气工业, 2013, 33(7): 18-23.
[23]	PRIEGNITZ M, THALER J, SPANGENBERG E, et al. A cylindrical electrical resistivity tomography array for three-dimensional monitoring of hydrate formation and dissociation[J]. The Review of Scientific Instruments, 2013, 84(10): 104502. DOI URL
[24]	WALSH M. Laboratory and high-pressure flow loop investigation of gas hydrate formation and distribution using electrical tomography[M]//ICGH. Proceedings of the 8th International Conference on Gas Hydrates. Beijing: ICGH, 2014:8.
[25]	HEESCHEN K U, ABENDROTH S, PRIEGNITZ M, et al. Gas production from methane hydrate: a laboratory simulation of the multistage depressurization test in Mallik, Northwest Territories, Canada[J]. Energy and Fuels, 2016, 30(8): 6210-6219. DOI URL
[26]	李彦龙, 孙海亮, 孟庆国, 等. 沉积物中天然气水合物生成过程的二维电阻层析成像观测[J]. 天然气工业, 2019, 10(1): 132-138.
[27]	WU N Y, LIU C L, HAO X L. Experimental simulations and methods for natural gas hydrate analysis in china[J]. China Geology, 2018, 1(1): 61-71. DOI URL
[28]	YANG X, SUN C Y, SU K H, et al. A Three-dimensional study on the formation and dissociation of methane hydrate in porous sediment by depressurization[J]. Energy Conversion and Ma-nagement, 2012, 56: 1-7.

气体水合物生成实验过程动态监测:一种新的ERT方法及其效果分析

Experimental Dynamic Monitoring of Gas Hydrate Formation: A New ERT Method and Its Effectiveness Analysis

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 28

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王圣宜, 邹长春, 彭诚, 王红才, 陆敬安, 康冬菊, 伍操为, 蓝茜茜, 谢莹峰. 海域孔隙型储层天然气水合物赋存模式定量化表征:声波和电阻率测井的约束[J]. 现代地质, 2023, 37(01): 127-137.
[2]	郭子豪, 李灿苹, 陈凤英, 勾丽敏, 汪洪涛, 曾宪军, 刘一林, 田鑫裕. 天然气水合物分解的甲烷对海洋生物的影响[J]. 现代地质, 2023, 37(01): 138-152.
[3]	胡高伟, 吴能友, 李琦, 白辰阳, 万义钊, 黄丽, 王代刚, 李彦龙, 陈强. 海域天然气水合物试采目标优选定量评价方法初探[J]. 现代地质, 2022, 36(01): 202-211.
[4]	王进寿, 卢振权, 王富春, 陈静, 薛万文, 张志清. 羌塘北缘开心岭—乌丽冻土区水溶烃组分及甲烷碳、氢同位素特征研究[J]. 现代地质, 2019, 33(06): 1306-1313.
[5]	周亚龙, 杨志斌, 张富贵, 张舜尧, 孙忠军, 王惠艳. 祁连山天然气水合物地球化学勘查方法稳定性和异常重现性分析[J]. 现代地质, 2019, 33(06): 1314-1324.
[6]	范东稳, 卢振权, 肖睿, 牛索安, 祁拉加, 魏毅, 张永安, 费德亮, 党孝锋. 南祁连盆地木里坳陷石炭系—侏罗系天然气水合物潜在气源岩地质特征[J]. 现代地质, 2018, 32(05): 985-994.
[7]	周亚龙, 孙忠军, 杨志斌, 张富贵, 张舜尧. 祁连山木里冻土区天然气水合物矿区稀有气体氦、氖地球化学特征及其指示意义[J]. 现代地质, 2018, 32(05): 995-1002.
[8]	张富贵, 唐瑞玲, 杨志斌, 朱敬华, 周亚龙, 孙忠军. 漠河盆地多年冻土区天然气水合物地球化学调查及远景评价[J]. 现代地质, 2018, 32(05): 1003-1011.
[9]	张富贵, 王成文, 张舜尧, 周亚龙, 唐瑞玲. 热释光:一种冻土区天然气水合物地球化学勘查新技术[J]. 现代地质, 2018, 32(05): 1080-1088.
[10]	张舜尧, 杨帆, 张富贵, 施泽明, 杨志斌, 周亚龙, 王惠艳. 青藏高原冻土区湿地甲烷排放及同位素特征研究[J]. 现代地质, 2018, 32(05): 1089-1096.
[11]	万丽华, 梁徳青, 李栋梁, 关进安. 祁连山冻土区天然气水合物储层岩石热物性实验研究[J]. 现代地质, 2018, 32(02): 385-391.
[12]	王超群, 丁莹莹, 胡道功, 戚帮申, 张耀玲, 陶涛, 吴环环. 祁连山冻土区DK-9孔温度监测及天然气水合物稳定带厚度[J]. 现代地质, 2017, 31(01): 158-166.
[13]	刘杰，孙美静，杨睿，苏明，严恒. 泥底辟输导流体机制及其与天然气水合物成藏的关系[J]. 现代地质, 2016, 30(6): 1399-1407.
[14]	文怀军，卢振权，李永红，王伟超，刘文进，李星. 青海木里三露天井田天然气水合物调查研究新进展[J]. 现代地质, 2015, 29(5): 983-994.
[15]	卢振权，唐世琪，王伟超，谭盼盼，李清海，刘文进，刘昌岭，李永红. 青海木里三露天冻土天然气水合物气源性质研究[J]. 现代地质, 2015, 29(5): 995-1001.