水合物分解區(qū)地層砂粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速計(jì)算模型.docx

1、ISSN0256-1492CN37-1117/P第37卷第5期Vol.37,No.5海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)MARINEGEOLOGY&QUATERNARYGEOLOGYDOI：10.16562/ki.0256-1492.2017.05.017水合物分解區(qū)地層砂粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速計(jì)算模型劉浩伽口，李彥龍2,3,劉昌嶺2J,董長銀1,吳能友2,3,孫建業(yè)2.3（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院.青島.266580；2.國七資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)毀室，中國地質(zhì)調(diào)黃局背骷海洋地質(zhì)研究所.青島266071,.3.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)會室，育島266071）摘要：出砂

2、是制約當(dāng)訥夭然氣水合物長效開發(fā)的關(guān)鍵因素之一?；谒衔锓纸鈪^(qū)地屢松散沉積物球形顆柱堆也侃設(shè).分析了水合物分解前緣和分解區(qū)內(nèi)部地層砂微粒的受力精況.基于力矩平衡條件建立了松散沉積物中地層砂顆粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速的計(jì)算模型.并進(jìn)行模型敏感牲分析。結(jié)果表明，水合物分解前緣和分解區(qū)內(nèi)部微粒的臨界流速均隨著粒徑、排布角度、顆檢摩擦系數(shù)的增加而增加.膠站物性質(zhì)、流體中的也解質(zhì)類型以及濃度等參教均對臨界出砂流速產(chǎn)生一定的影響。本文建立的砂粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速模型能.夠?yàn)樗衔锷龡l儲層出砂評價(jià)提供支掉。關(guān)鍵詞：大然氣水合物；出砂；水合物分解區(qū)：松散沉枳物；啟動(dòng)運(yùn)移；臨界流速中圖分類號:P754文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文童

3、編號：0256-1492（20J7）05-0166-08我國南海海域蘊(yùn)藏大量的天然氣水合物資源口】，2017年由中國地質(zhì)調(diào)查局主持在我國南海神狐海域開展了首次天然氣水合物試采工程.并于5月18日國土資源部宣布試采成功，這標(biāo)志著我國在天然氣水合物資源開發(fā)利用方面邁出了重要的一步。地層砂（泥）產(chǎn)出過程的精確控制是保證水合物試采成功的關(guān)鍵。國內(nèi)外實(shí)踐均表明白對，出砂問題是制約天然氣水合物資源有效開發(fā)的重要因素。對于常規(guī)油氣井成巖儲層，通常認(rèn)為出砂是指當(dāng)巖石受到的把切應(yīng)力達(dá)到儲層破壞條件時(shí)，固體顆粒從巖石骨架上剝落成為游離砂粒&乃.并在孔隙流體壓力、地應(yīng)力9.2等綜合作用下向井筒流動(dòng)的過程。因

4、此，對于常規(guī)成巖油氣儲層而言.月前對地層出砂臨界條件的研究集中在顆粒由骨架成分剝落成為游離顆粒的臨界條件方面，并認(rèn)為地層在有效應(yīng)力作用下發(fā)生塑性破壞的臨界井底壓力點(diǎn)和對應(yīng)的儲層流速分別為儲層的出砂臨界井底流壓值和出砂臨界地層流基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41606078）；泰山學(xué)者特聘專家項(xiàng)目；中國地質(zhì)調(diào)查專項(xiàng)（DD20160216）：青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室開放基金（QNLM2016ORP0203.QNLM2016ORP0207）作者簡介：劉浩伽（1994-）.男.碩士研究生，主要進(jìn)行水合物開采相關(guān)的出砂防砂間鹿基礎(chǔ)研究，Email：upcliuhaojia通訊作者：劉昌嶺（1966

5、，男.研究員，博士生導(dǎo)師.主要從限天然氣水合物模擬試驗(yàn)相關(guān)的研究.E-mail：qdHuchanRling收稿日期：2017-07-14;改回日期：2017-09-23.周立君編輯體流速值。然而水合物儲層埋深淺"訂屬于未固結(jié)或極弱固結(jié)儲層，水合物完全分解后地層骨架消失，因此.水合物生產(chǎn)過程中地層的出砂機(jī)理完全不同于常段油氣儲層。天然氣水合物開采過程中出砂現(xiàn)象的研究重點(diǎn)應(yīng)該是在水合物分解、流體攜帶和上覆應(yīng)力等綜合作用條件下.地層固相顆粒由儲層向井筒遷移的過程。與常規(guī)油氣井出砂臨界條件研究相比，天然氣水合物開采儲層出砂臨界流速計(jì)算的最大難點(diǎn)是：<1）Q前常規(guī)巖石破壞本構(gòu)不能有效地推

6、廣到天然氣水合物儲層；（2）水合物分解區(qū)和未分解區(qū)存在本質(zhì)差異，不同區(qū)域內(nèi)細(xì)質(zhì)顆粒啟動(dòng)產(chǎn)出的臨界流速計(jì)算模式和需要考慮的影響因素都不同。但實(shí)際上，由于水合物分解過程是從井筒開始并逐漸向地層深部延伸的，實(shí)際水合物開采儲層中流體滲流過程主要發(fā)生在水合物分解區(qū)內(nèi).水合物未分解區(qū)的滲流過程相對較弱。因此，以水合物分解前緣為界.可以認(rèn)為水合物未分解區(qū)內(nèi)的儲層即使在應(yīng)力條件下發(fā)生破壞,也不會造成大招:的井筒出砂，而水合物分解區(qū)內(nèi)的砂粒則會優(yōu)先發(fā)生運(yùn)移產(chǎn)出，是水合物開采地層出砂現(xiàn)象的主要響應(yīng)區(qū)域?；谏鲜龌炯僭O(shè)，本文將以孔隙充填型水合物儲層為基礎(chǔ).建立水合物分解區(qū)內(nèi)松散沉積物的顆粒堆積模型，基于該模型分析

7、水合物分解區(qū)內(nèi)儲層微粒的受力情況.建立松散沉積物中微粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速計(jì)算模型，并進(jìn)行模型敏感性分析，為水合物開采井出砂規(guī)律的分析提供參考。1物理模型根據(jù)南海水合物鉆探數(shù)據(jù).含天然氣水合物松散沉積物粒徑小.分選性和均勻性均較差E'.建立全尺寸粒度分布范停|的水合物分解區(qū)固相顆粒啟動(dòng)運(yùn)移模型難度較大。為了便于模型求解,可以將整個(gè)地層的松散沉積物視為等百徑球形微粒堆枳.如圖la所示。天然氣水合物在地層中的賦存形態(tài)大致可以分為3類皿.充填于孔隙中.作為沉積物的膠結(jié)物和作為沉積物骨架起支撐作用.本模型針對的是作為孔隙充填型水合物的悄況。圖】天然氣水合物松散沉積物中微粒示意圖a.原始條件卜地層微

8、3：分布示意圖：b.水合物分解后形成的-孤立.懸空”的砂粒示戲圖；c. 水介物分解前嫁砂槍示意圖，d. 水合物分解區(qū)內(nèi)部砂粒示意圖藍(lán)色微粒&示天然氣水合物.黑色諼粒&示地層楓枳物什架.紅色做也發(fā)示水合物分解后可能造成的游肉題林或膠結(jié)較毋的砂枸Fig.ISchematicdiagramofparticlesinhydrateclcconi|x）sedunconsolidatedsedimeni圖la中藍(lán)色微粒表示天然,水合物.水合物分解之前作為固相顆粒的一部分存在.黑色微粒表示地層沉積物骨架.紅色微粒表示水合物分解后可能造成的游離顆?；蚰z結(jié)相對較弱的沉積物顆粒。當(dāng)沉積物中的天然氣

9、水合物發(fā)生分解產(chǎn)出后，水合物所占據(jù)的空間將被騰出”.形成松散沉積物中的滲流通道.松散顆粒在沉積物中有3種基本存在形態(tài).分別如圖lb-d所示。其中.圖lb中所示水合物分解后形成的“孤立慫空”的微粒.它與沉積物什架微粒間沒有相互的擠斥.很容易隨產(chǎn)水合物分解產(chǎn)生的液流口動(dòng)運(yùn)移離開壁而.但是在實(shí)際地層應(yīng)力條件下這種悄況兒乎不可能存在.因此不作為水合物分解區(qū)細(xì)粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速模型的幣:點(diǎn)進(jìn)行討論。圖1c中的膠結(jié)較弱微粒處于水合物分解區(qū)與未分解區(qū)的交界處（分解區(qū)前緣）.流體流經(jīng)此界而H寸會對處于該位置的微粒產(chǎn)生滲透壓,當(dāng)滲透壓超過微粒受到的內(nèi)聚力以及微粒間相互擠壓產(chǎn)生的靜掠擦力時(shí).微粒就會在液流的“推動(dòng)

10、”作用下啟動(dòng)運(yùn)移。圖ld'1'.水合物分解區(qū)的顆粒之間發(fā)生相互擠壓,嵌入到松散沉積物中，是常見的地層松散沉積物堆積類型。圖"和圖Id分別代表水合物分解區(qū)前緣和水合物分解區(qū)內(nèi)部的典型潛在R；動(dòng)運(yùn)移顆糧.是本文的研究頁點(diǎn)?；鵩上述基本物理模型.為了簡化計(jì)算.本文做如卜基本假設(shè)：（1）水合物分解區(qū)內(nèi)的沉積物為粒徑相同的松散顆粒堆積而成,堆積顆粒受到地層應(yīng)力的作用.以角度。堆積；（2）由于氣體的粘度較小.對固相砂粒的拖曳作用較小.因此本文假設(shè)固相顆粒主要:是受甲.相水流的拖曳作用；（3地層砂顆粒為標(biāo)準(zhǔn)的圓球形顆粒.不號慮地層砂顆粒圓度、棱角等參數(shù)的影響；（4）地層固相砂粒之間

11、及砂粒與流體之間不發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)上述基本物理模型.在靜止?fàn)顟B(tài)下.可以認(rèn)為圖lc和圖Id中紅色標(biāo)注顆粒在多種力的相址制約卜.處于力矩平衡狀態(tài)。如果在流體滲流作用F打破I：述力矩平衡條件.則微粒發(fā)生滾動(dòng)從滲流通道壁面流出，造成井筒出砂。下文將分別探討水合物分解前緣和分解區(qū)內(nèi)部地層砂微粒的力矩平衡條件。2數(shù)學(xué)模型2.1松散顆粒力矩平衡關(guān)系如前所述,水合物分解區(qū)內(nèi)地層顆粒啟動(dòng)運(yùn)移的基本條件是所處的力矩平衡條件被打破。水合物開采過程中.分解區(qū)前緣（圖lc）與分解區(qū)內(nèi)部（圖Id）準(zhǔn)運(yùn)移顆粒的雄本受力悄況分別如圖2a和b所示。圖中，已為微粒的浮取.N；F”表示微粒之間的相互擠壓力，是上覆地層壓力沿顆

12、粒接觸面法線方向的分是液流滲流產(chǎn)生的推動(dòng)力.N；已為水流的牽引力.N：E為內(nèi)聚力.N;F,是地層砂微粒之間的摩擦力是流體的舉升力圖2分解區(qū)松散沉積物中微粒受力示意圖Fig.2Forcediagramofparticlesinunconsolidatedsedimentofhydratedecomposedzone(5)3s_A®=6其中，虬VA人1327560Z7圖2a中，水合物分解前緣微粒受到液流推動(dòng)力、內(nèi)聚力、重力、微粒之間相互擠壓壓力以及微粒之間的摩擦力等5個(gè)力的作用。根據(jù)力矩平衡條件，使微粒在力的作用下繞支點(diǎn)B轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界條件即為此處的地層砂粒啟動(dòng)運(yùn)移的臨界條件，此時(shí)擠壓力F”

13、指向支點(diǎn)B,力臂為0,所以對應(yīng)的力矩平衡關(guān)系式為：(Fh-FeWsin。2FmcosOj-2r.Fr(1)式中/，為地層砂顆粒的半徑，m。圖2b中，水合物分解區(qū)內(nèi)的沉積物堆積中的顆粒受到液流推動(dòng)力、內(nèi)聚力、重力、微粒之間相互擠壓壓力、液流的舉升力以及微粒之間的摩擦力等6個(gè)力的作用，顆粒發(fā)生運(yùn)移的臨界條件是不同力矩作用下使顆粒能夠繞支點(diǎn)C轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣地，微粒之間的擠壓力H指向支點(diǎn)C,力臂為0,所以顆粒發(fā)生繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩平衡式為：(孔+比)尸、2(Fg+FQ乙+2F/,(2)2.2各力分量計(jì)算方法(1) 液流牽引力若將水合物分解區(qū)內(nèi)由水合物分解產(chǎn)生的空隙中的流動(dòng)視為Hele-Shaw流，則孔隙壁面

14、固體微粒受到的牽引力可表示為：Fd=3捋沒(3)1式中為流體牽引力常數(shù).取值范圍1060"為流體粘度，Pas；Z為平均真實(shí)滲流速度，m/s；R為水合物分解區(qū)沉積物堆積形成的孔喉半徑，m°(2) 液流舉升力由于在垂直于流速方向上液流的流速是不相等的，所以液流會對微粒產(chǎn)生向上的舉升力作用,這個(gè)舉升力并不是浮力，而是由液流的拖曳作用產(chǎn)生。其表達(dá)式為：Fft屜5式中以為舉升系數(shù)，根據(jù)Altmann0183等的研究成果，松散沉積物滲流條件下取=1190”為流體中地層砂微粒密度，kg/m(3) 微粒浮重由于微粒處于液體環(huán)境中.所以受到液體浮力。浮重的表達(dá)式為：式中，p液為驅(qū)替流體的密度

15、，kg/m3。(4) 內(nèi)聚力微粒受到的內(nèi)聚力在微觀尺度上主要表現(xiàn)為靜電力，包含微粒之間以及微粒和孔隙壁面之間的范德華力，微粒之間的雙電層斥力以及色散力等，本文將主要考慮范德華力和雙電層斥力的影響。根據(jù)DLV()理論K2。】，總電勢能V等于范德華勢能(分子間作用能)Vlva、雙電層勢能Vpkr和玻恩勢能VBR的總和，而靜電力表達(dá)式為電勢能與距離偏導(dǎo)數(shù)"，則有:8V_d(Vi.va+VMR+Vrr)(6)Z(2+Z)2+Z/J=警所奶(g智)-(嫡盛2)ln(lexp(2/cs)8+Z.4-6Z2+Z)7Z=r*式中，Am是Hamaker常數(shù),取值2.0X10一Ju為地層砂微粒之間的距離

16、，m；e。是真空介電常數(shù)，取值eo=8.854XIO-”C2.jTm7是介電常數(shù)，取值水的介電常數(shù)。=78.0；為是在Len-nard-Joncs勢原子碰撞直徑，b【j=0.5nm；/c是由溶液濃度和瓠化鈉的電解質(zhì)價(jià)計(jì)算求得；媯】表示微粒表面電勢，取值03,=-30mV；向2表示巖石顆粒表面電勢，取值002=-40mV。由于靜電力為正表示顆粒之間的作用力為斥力，靜電力為負(fù)表示顆粒之間的作用力為引力，引力的值隨著微粒之間距離的增加先增加后減小的。要使液流拖曳微粒發(fā)生剝離，則需要克服微粒之間引力的最大值，所以將求出的引力的最大值作為內(nèi)聚力F。進(jìn)行計(jì)算：F,=min（F,）（5）液流推動(dòng)力水合物分解

17、區(qū)前緣處的微粒受到的液流推動(dòng)力來源于滲流液體對微粒的滲透壓推動(dòng)作用，與Hele-Shaw流產(chǎn)生的液流的牽引力F不同。液流推動(dòng)力應(yīng)用達(dá)西定理求解：(7)(8),=lOOOQAz（6）微粒間摩擦力微粒之間會產(chǎn)生相互擠壓，這種擠壓作用表現(xiàn)在顆粒運(yùn)動(dòng)過程中即為顆粒之間的摩擦力，摩擦力的方向如圖2所示沿微粒間接觸面的切線與運(yùn)動(dòng)趨勢方向相反。上覆的壓力包括海水產(chǎn)生的壓力和微粒上覆的地層產(chǎn)生的壓力，而上覆地層包括沉積物骨架和孔隙中的海水。產(chǎn)生的上覆壓強(qiáng)作用在微粒之上，可以等效為作用于微粒接觸點(diǎn)連線的方向的力作用面積為垂直于孔方向的過球心的截面圓，F(xiàn)n大小等于：Fn=（p液gH+qo液g/j+（1甲）時(shí)I）F

18、f=Fn=（p浪gH+即液g/z+（1（p）pgh）mnrl（15）底之上的水深，m。底之上的水深，m。式中，m為摩擦系數(shù)0為儲層埋藏深度，m；H為海式中，A為以圖1c中紅色表示的微粒為中心作的單元體的截面積，m2；Ar為以圖lc中紅色表示的微粒為中心作的單元體的長度，mN為儲層滲透率，為以圖lc中紅色表示的微粒為中心作的單元體在流速方向的滲透壓，Pa。單元體受到的來自液流的推動(dòng)力為F則表示2.3臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速計(jì)算模型為：F=心=1°°°葉k在這個(gè)單元體中共有N個(gè)微粒：N=A（1>）Ar4/3"：根據(jù)Kozeny方程，滲透率可以表示為：k=封KS

19、；（l"2(9)(10)(11)式中，放為水合物分解區(qū)孔隙度；K為Kozeny常數(shù),取K=5；Sb為松散沉積物比表面,m2/m等徑球形顆粒巖石模型，松散沉積物比表面計(jì)算公式為：e63血=萬=元將式（12）代入式（11）得到滲透率的表達(dá)式為："療廿尸，(12)(1-P245(1_族)(13)將式（13）帶入式（9）并結(jié)合式（10）得到水合物分解前緣處單個(gè)地層砂微粒所受到的液流推動(dòng)力Fh為：Fh=壽=60000k/z式中業(yè)為水合物分解前緣處的滲流速度，m/s。(14)（1）水合物分解前緣處微粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速計(jì)算模型根據(jù)式（1）所示的力矩平衡條件，當(dāng)水合物分解前緣處地層砂微粒達(dá)

20、到其運(yùn)移啟動(dòng)的臨界流速的時(shí)候,其受力滿足：（FhFc）r,sin=Fgr,cos<?H-2rtF（16）將式（5）、式（7）、式（14）和式（15）分別代入式（16）可以得到：(60000tt“-rtue/F。)sin8=y兀4°gWcosO+2Ff(17)將式（17）進(jìn)行整理就可以得到水合物分解前緣處微粒運(yùn)移啟動(dòng)臨界流速“3為：氣/=fTm”耍5%心3(18)60000*“j-r,（2）分解區(qū)內(nèi)部微粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速計(jì)算模型根據(jù)式（2）所示的力矩平衡條件，當(dāng)分解區(qū)內(nèi)部微粒在力的作用發(fā)生運(yùn)移啟動(dòng)時(shí)，其受力情況滿足：Fm+F/,=（Fg+F.）/,+2Fc<19）將式（3）

21、-（5）,式（7）和式（15）代入式（19）可以得到:r2ianpgH己近似的有：RxJk/<pM""=yKZipgrJ+氏+(20)(21)w<f=uci/(p(22)根據(jù)等直徑球形顆粒模型，孔隙度的計(jì)算為：7T(P=16(1cosZ?)+2cos。將式(21)和(22)代入式(20)：(23)k<+2灰mpgHr，+Fe+(24)圖3粒徑與水合物分解區(qū)地層砂微粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速關(guān)系曲線Fig.3Relationshipbetweendiameterandcriticalvelocityofsandmigrationinhydratedecomposed

22、zone令。=技妁(77)3+警1(而；)2=沁/+Fe2時(shí)gHHra可以解出臨界流速ut_,:/u=(25)|(-兩0.5+&一9A2729A6J_gI0,5.C_B3729AJ2A27(26)其中：A=I2海c=&qg+與+汕邊3尸,尸，3敏感性分析3.1微粒粒徑對臨界流速的影響取水的粘度為=1.01mPas,地層砂顆粒密度為p=2654kg/m。沉積物堆積角度為0=75。,摩擦系數(shù)m=0.3,埋深A(yù)=175m,水深H=500m。則口以分別根據(jù)式(18)和式(26)求出地層砂粒徑條件下水合物分解前緣、分解區(qū)內(nèi)部地層砂微粒啟動(dòng)運(yùn)移流速，如圖3所示。由圖3可知，水合物分解前緣處

23、微粒和分解區(qū)內(nèi)部微粒在液流作用下啟動(dòng)運(yùn)移的臨界流速都隨著粒徑的增加而增加。當(dāng)微粒粒徑較小時(shí)，位于分解區(qū)內(nèi)部的微粒的臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速大于位于分解區(qū)前緣的微粒，在水合物分解產(chǎn)出過程中，位于水合物分解區(qū)前緣處的微粒更容易啟動(dòng)運(yùn)移，水合物分解產(chǎn)生的空隙沿著液流相反的方向延伸，從而形成類蚯蚓洞結(jié)構(gòu)。當(dāng)微粒粒徑較大時(shí)，位于分解區(qū)內(nèi)部的微粒臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速小于位于分解區(qū)前緣的微粒，在水合物分解產(chǎn)出過程中位于分解區(qū)內(nèi)部的微粒更容易啟動(dòng)運(yùn)移,使水合物分解產(chǎn)生的孔隙在垂直于液流方向上增大。當(dāng)液流的流速足夠大時(shí)，處于水合物分解產(chǎn)生的空隙周圍的松散沉積物顆粒都有可能會被攜帶產(chǎn)出，使整個(gè)松散沉積物虧空。水合物分解區(qū)地層

24、砂粒啟動(dòng)運(yùn)移是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，當(dāng)流速超過松散沉積物中由于水合物分解產(chǎn)生的空隙周圍的微粒的臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速時(shí).這些微粒就會啟動(dòng)運(yùn)移。由于微粒發(fā)生啟動(dòng)運(yùn)移，水合物分解產(chǎn)生的空隙增大，其周圍的微粒的臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速也相應(yīng)增大，直到臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速小于空隙中的液流流速時(shí)，空隙周圍微粒的啟動(dòng)運(yùn)移停止?；谏鲜龇治?，取相同條件下分解區(qū)前緣和分解區(qū)內(nèi)部臨界啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速較小的值作為整個(gè)松散沉積物微粒啟動(dòng)運(yùn)移的臨界流速，即：“=min(y,“")(27)下文將重點(diǎn)分析虬隨微粒排布方式、摩擦系數(shù)等的變化規(guī)律。3.2微粒排布規(guī)律對臨界流速的影響分別取地層砂微粒半徑匚=5、10、15、20、30、5C、

25、m,其他條件同上，則不同沉積物微粒堆積角度F地層砂啟動(dòng)運(yùn)移的臨界流速模擬結(jié)果如圖4所示。如圖4所示松散沉積物的微粒臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速隨著排布角度的增加而增加，當(dāng)排布角度增加到一定數(shù)值時(shí)漸漸趨于平穩(wěn)。這是由于隨著排布角度的增加孔隙度增加，空隙內(nèi)流體的真實(shí)滲流流速降低，減小了對微粒的液流拖曳作用，從而導(dǎo)致臨界流速增加。圖4排布規(guī)律利臨界啟動(dòng)運(yùn)移蝙速關(guān)系曲線Fig.4Relationshipbetweenarrangementangleandcriticalvelocityofsandmigrationinhydratedecomposedzone3.3摩擦系數(shù)對臨界流速的影響取地層砂微粒半徑乙=5、

26、10、15、20、30、50Atm,其他條件同上，得到不同地層砂粒條件下摩擦系數(shù)對微粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速的影響規(guī)律分布曲線如圖5所示。圖5摩擦系數(shù)與微粒臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速關(guān)系曲線Fig.5Relationshipbetweencoefficientoffrictionandcriticalvelocityofsandmigrationinhydratedecomposedzone由上圖可知，微粒臨界啟動(dòng)運(yùn)移流速隨摩擦系數(shù)增大而增大，這是由于深度恒定的情況下上覆壓力恒定，隨著摩擦系數(shù)的增加摩擦力也增加。而這種情況下摩擦力遠(yuǎn)大于微粒自身的重力和內(nèi)聚力，所以摩擦力對水合物分解區(qū)前緣地層砂啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速

27、影響較大。3.4其他影響因素其他對水合物分解區(qū)地層砂啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速的影響因素主要有膠結(jié)物的性質(zhì)，流體中的電解質(zhì)類型、濃度以及上覆巖層壓力等。特別地，膠結(jié)物的性質(zhì)主要影響微粒所受到的內(nèi)聚力的大小，膠結(jié)強(qiáng)度越大，內(nèi)聚力越大，微粒越不容易在液流的拖曳作用下發(fā)生移動(dòng)。流體中的電解質(zhì)的類型及濃度直接決定了微粒所受到的靜電力。電解質(zhì)濃度越大，微粒的雙電層厚度越小，微粒間的靜電力也就越大，微粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速也相應(yīng)增大。4結(jié)論（1）天然氣水合物開采過程中，天然氣水合物分解會導(dǎo)致沉積物松散程度加劇.處于水合物分解前緣和分解區(qū)內(nèi)部的地層砂微粒都有可能在液流的作用下啟動(dòng)運(yùn)移。粒徑較小時(shí)，水合物分解區(qū)前緣處微粒將

28、優(yōu)先發(fā)生運(yùn)移；粒徑較大時(shí)，水合物分解區(qū)內(nèi)部微粒將優(yōu)先發(fā)生運(yùn)移，地層砂粒啟動(dòng)運(yùn)移是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。（2）水合物分解區(qū)松散沉積物地層砂微粒啟動(dòng)運(yùn)移臨界流速的大小隨著顆粒排布角度、摩擦系數(shù)的增大而增大。膠結(jié)物的性質(zhì)，特別是流體中的電解質(zhì)類型以及濃度等都會對臨界出砂流速產(chǎn)生一定的影響。（3）根據(jù)本文的模擬結(jié)果，天然氣水合物開采過程中的出砂的起始位置是分解前緣，但隨著水合物的分解產(chǎn)出，水合物分解前緣不斷推進(jìn)，地層滲流場也發(fā)生實(shí)時(shí)的變化，因此實(shí)際水合物開采過程中的地層出砂現(xiàn)象需要進(jìn)一步考慮地層滲流場的分布規(guī)律，這將是下一步的工作重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)（References）_1JWuNY.ZhangHQ,YangS

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