南海天然气水合物开采海底沉降预测.pdf-_矿业文库_煤矿文库_有色文库_金属矿山文库_矿山安全_煤矿安全_采矿技术措施

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第３４卷第５期２０１５年１０月Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１５６１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ南海天然气水合物开采海底沉降预测公彬１，蒋宇静１，王刚１，２，３，黄娜１（１．山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛２６６５９０；２．常州市建筑科学研究院股份有限公司，江苏常州２１３０００；３．山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛２６６５９０）摘要利用有限差分软件ＦＬＡＣ３Ｄ，模拟了温度－应力－流体三相耦合条件下不同开采方法时海底的沉降，比较了延长加热时间和提高开采温度时海底沉降范围。分析得出，距离开采井一定范围内的区域是开采引起沉降的主要区域，由于天然气水合物分解对天然气水合物层强度降低的影响很小，导致天然气水合物层强度降低的主要原因是与生产有关的排水所致；同时，神狐海域天然气水合物开采中，延长加热时间对沉降的影响比提高开采温度产生的影响明显，即延长加热时间的影响范围要比提高开采温度时的影响范围大。关键词天然气水合物；神狐海域；海底沉降；温度－应力－流体模型中图分类号ＴＥ３７５文献标志码Ａ文章编号１６７２－３７６７（２０１５）０５－００６１－０８ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＳｅａｂｅｄＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔＣａｕｓｅｄｂｙＮａｔｕｒａｌＧａｓＨｙｄｒａｔｅＥｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｉｎＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＳｅａＧｏｎｇＢｉｎ１，ＪｉａｎｇＹｕｊｉｎｇ１，ＷａｎｇＧａｎｇ１，２，３，ＨｕａｎｇＮａ１（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｎｇＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＣｏ－ｆｏｕｎｄｅｄｂｙＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅａｎｄｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈａｎｇｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１３０００，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｗａｒｅＦＬＡＣ３Ｄ，ｔｈｅｓｅａｂｅｄｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｂｅｈａｖｉｏｒｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌ－ｓｔｒｅｓｓ－ｆｌｕｉｄｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅｒａｎｇｅｓｏｆｓｅａｂｅｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｗｈｅｎｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｔｉｍｅｗａｓｐｒｏｌｏｎｇｅｄａｎｄｔｈｅｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎａｒｅａｏｆｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｎｄｕｃｅｄｂｙｍｉｎｉｎｇｉｓｉｎａｃｅｒｔａｉｎｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｍｉｎｉｎｇｗｅｌｌａｎｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆＮＧＨｌａｙｅｒｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｌｉｇｈｔｌｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙＮＧＨｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｉｓｍａｉｎｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｐｒｏｄｕｃ－ｔｉｏｎ－ｒｅｌａｔｅｄｄｒａｉｎａｇｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｔｈｅＮＧＨｍｉｎｉｎｇｉｎＳｈｅｎｈｕａｒｅａｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇｈｅａｔｉｎｇｔｉｍｅｈａｓａｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｔｈａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｎａｍｅｌｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄａｒｅａｏｆｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇｈｅａ－ｔｉｎｇｔｉｍｅｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｔｕｒａｌｇａｓｈｙｄｒａｔｅ（ＮＧＨ）；Ｓｈｅｎｈｕａｒｅａ；ｓｅａｂｅｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；ｔｈｅｒｍａｌ－ｓｔｒｅｓｓ－ｆｌｕｉｄｍｏｄｅｌ收稿日期２０１５－０４－２１基金项目国家自然科学基金项目（５１２７９０９７，５１３７９１１７，５１４７９１０８）；山东省博士后创新项目专项项目（１３９４８４）；山东科技大学研究生科技创新基金项目（ＹＣ１５０３０３）作者简介公彬（１９８８），男，山东泰安人，硕士研究生，主要从事天然气水合物及采矿工程研究．Ｅ－ｍａｉｌｓｄｋｄｇｏｎｇｂｉｎ＠１６３．ｃｏｍ蒋宇静（１９６２），男，江苏靖江人，教授，博士，主要从事天然气水合物力学特性方面的研究工作．Ｅ－ｍａｉｌｊｉａｎｇ＠ｃｉｖｉｌ．ｎａｇａｓａｋｉ－ｕ．ａｃ．ｊｐ DOI10.16452/ki.sdkjzk.20151027.013 ６２第３４卷第５期２０１５年１０月Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１５天然气水合物（ｎａｔｕｒａｌｇａｓｈｙｄｒａｔｅ，ＮＧＨ），是一种笼形包合物，是由水和天然气在高压和低温条件下形成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。至少有两种或两种以上的笼子，气体分子填充在这些笼子里，其组成及笼占有率都是可变的［１－３］。在这种冰状的结晶体中作为“ 客” 气体分子的碳氢气体充填在水分子结晶格架的空穴中，两者在低温和一定压力下通过范德华作用力稳定地结合在一起［４－６］。国内外常见的ＮＧＨ开采技术主要包括热开采法、注化学剂开采法、减压开采法以及上述几种开采方式相结合的联合开采方法。注入化学剂法开采天然气水合物可能带来环境污染问题［７］。相对于注热开采和注化学剂开采来说，减压开采在经济性和环境影响方面具有很大优势，特别是当水合物层与自由气层共同存在时能够取得良好的开采效果［８］。从沉积层中开采ＮＧＨ会使沉积层强度降低，可能导致海底地层的沉降及开采井的破坏［９］。为了保证ＮＧＨ的安全开采，有必要研究ＮＧＨ储层的力学和变形特性。南海北部海底地质灾害因素主要有滑坡、浅层气、断层、陡坎、底辟、活动沙波、地震、埋藏古河道、不规则基岩面、凹凸地、浅槽、峡谷、非移动沙波和埋藏谷［１０］，其中海底滑坡是当前国际变形研究领域的最新方向之一，由于其分布特点和形成机制与陆地有很大差异，并且调查难度较大，所需投入资金巨大，研究进展一直十分缓慢。Ｌｅｅ等［１１］在一项由美国地质调查局资助的项目中应用海底变形的探测数据以及取样实验测试数据，基于ＧＩＳ（ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）技术对海底浅层变形进行了区域分析。我国对海底变形的研究起步比较晚。２０世纪８０年代初，随着海洋石油的大规模勘探开发和高分辨率地球物理调查技术和设备的引进，才正式开展海洋地质和海洋地质灾害的调查研究工作。冯文科等［１２］在南海珠江口盆地油气开发区，开展了约７１０４ｋｍ２的１∶２０００００海洋工程地质调查。吴时国等［１３］经过对Ｓｔｏｒｅｇｇａ滑坡的演化和触发机理进行详细研究，指出在众多海底滑坡触发机制中，有两个因素起决定作用地震作用和天然气水合物的分解。本文以南海神狐海域为研究对象，构建温度－应力－流体的耦合分析模型，模拟减压法和热激法开采ＮＧＨ。通过此模型，可以预测海底变形及其特点，评估ＮＧＨ生产中由于压力和温度变化带来的影响。１模型的建立１．１模型简化以南海神狐海域为研究对象，构建了温度－应力－流体的耦合分析模型，模拟减压法和热激法开采ＮＧＨ，模型忽略水合物分解产生的天然气和水的流动及分解过程中储层内热交换的影响，做出以下简化１）海底沉积层各层是各向同性线弹性孔隙材料；２）建立局部热平衡，并假设两相之间没有热交换；３）不考虑生成的天然气流动；４）能量交换只发生在固液两相之间，忽略固气和气液之间的能量交换；５）在沉积颗粒和水有热量交换的微小区域内认为温度相同；６）忽略ＮＧＨ生成和分解过程中热量的释放和吸收。考虑到天然气水合物相变潜热，建立地层的温度控制方程 ρ ｃｅｆｆ Ｔ ｔ＝ λ Δ ２Ｔ。（１）其中 ρ为沉积层的密度，ｋｇ／ｍ３；ｃｅｆｆ为等效热容，Ｊ／（ｋｇ ℃）； λ为沉积层的导热系数。ｃｅｆｆ＝ｃ＋ ε Ｌ／（ＴＬ－ＴＳ），ＴＳ＜ＴＬ。（２）其中 ε为天然气水合物的质量分数；Ｌ为天然气水合物的相变潜热，Ｊ／ｋｇ；ＴＳ为天然气水合物开始分解的温度，Ｋ；ＴＬ为天然气水合物刚好分解完全的温度，Ｋ；ｃ＝（ｎ－１）ｃｓ＋ｎ（ｓｈｃｈ＋ｓｗｃｗ）；ｓｈ、ｓｗ分别为天然气水合物和水的饱和度。采用比奥固结理论求解渗流场－ Δ ２ｕ－ λ ′ ＋Ｇ ′ Ｇ ′ εＶ ｘ＋１Ｇ ′ Ｐ ｘ＝０，（３）公彬等南海天然气水合物开采海底沉降预测６３ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ－ Δ ２ｖ－ λ ′ ＋Ｇ ′ Ｇ ′ εＶ ｙ＋１Ｇ ′ Ｐ ｙ＝０，（４）－ Δ ２ｗ－ λ ′ ＋Ｇ ′ Ｇ ′ εＶ ｚ＋１Ｇ ′ Ｐ ｚ＝０。（５）其中 σ为有效应力，Ｐａ；Ｐ为孔隙水压力，Ｐａ； λ ′ ＝ｖ ′ Ｅ ′ （１＋ｖ ′）（１－２ｖ ′），Ｇ ′＝Ｅ ′ ２（１＋ｖ ′）， Δ ２＝ ２ ｘ２＋  ２ ｙ２＋ ２ ｚ２。由于单元体内水量的变化率等于土体体积的变化率，根据达西定律得补充方程ｋ γｗ Δ ２ｕ＝－ εｖ ｔ。（６）本文在描述沉积层的变形时，天然气水合物层假设为理想的弹塑性材料，屈服前土体的应力应变关系为线弹性，另外考虑到温度场对应力场的影响，应力应变应满足如下关系 ε ｉｊ＝１Ｅ［（１＋ｖ）σ ｉｊ－ｖ σ ｋｋδ ｉｊ］＋δ ｉｊ αΔＴ。（７）其中， ε ｉｊ为应变张量，ＭＰａ； σ ｉｊ为应力张量，Ｐａ；δ ｉｊ为克罗内克儿Ｄｅｌｔａ；Ｅ为弹性模量，Ｐａ，ｖ为泊松比；α为线热膨胀系数，Ｋ－１； ΔＴ为底层温度改变量。在塑性阶段应力状态，满足Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服面方程Ｆ＝Ｒｍｃｑ－ｐｔａｎφ－ｃ＝０。（８）其中Ｒｍｃ（Θ， φ）＝１槡３ｃｏｓφ ｓｉｎΘ＋π （）３＋１３ｃｏｓΘ＋π （）３ｔａｎφ；ｃｏｓ（３Θ）＝ｒ（）ｑ３；ｐ＝－１３（ σ１＋σ２＋σ３）；ｑ＝１槡２（ σ１－σ２）２＋（ σ２－σ３）２＋（ σ１－σ３）槡２； φ为内摩擦角，（）；Θ为广义剪应力方位角，（）；ｃ为材料的黏聚力，Ｐａ；ｒ为第三偏应力不变量，Ｐａ；ｒ＝Ｓ１Ｓ２Ｓ３；Ｓ为主偏应力，Ｐａ。图１加热排水估计模拟实验模型Ｆｉｇ．１Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ为了验证本文所建立的耦合分析方法的正确性，进行加热排水固结模拟实验［１０］。利用ＦＬＡＣ３Ｄ建立耦合分析模型，模型尺寸、单元划分情况如图１所示，尺寸为９０ｍｍ１８０ｍｍ１ｍｍ，平均划分为６０个网格，加载边界条件，温度和排水边界情况如图１所示。黏土层的初始温度设置为２２．５℃。监测并记录Ａ－Ｅ点的沉降值和温度的变化。假设在模拟过程中黏土层为弹性材料，并且不会发生二次固结。模拟所需的物理参数如表１所示。图２所示为Ａ点时间和压实度理论分析和数值模拟的对比曲线。由图中可以清楚地看出，理论分析值和数值模拟值非常接近，说明本文构建的耦合分析模型是可以相信的。１．２南海神狐海域开采模型神狐海域调查研究区位于南海北部陆坡中段神狐暗沙东南海域附近，即西沙海槽与东沙群岛之间海域（图３）。本次模拟区域位于珠江口盆地珠二坳陷，该坳陷自中新世以来处于构造沉降阶段，具备良好的天然气水合物成藏地质条件。根据２００７年国土资源部广州地质调查局的钻探数据，对南海神狐海域ＮＧＨ层进行模拟计算，钻探站位的分布如图４所示。数据显示，南海神狐海域水合物主要组成气体是甲烷，占９９．３％以上；沉积物中水合物的饱和度为２１％左右［１４］。南海神狐海域的天然气水合物为均匀分散的层状，厚度１０～４３ｍ，水合物层的孔隙度为３３％～４８％，地温梯度为４３～６７．７℃／ｋｍ。６４第３４卷第５期２０１５年１０月Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１５图２理论计算和数值计算固结度随时间变化的对比曲线Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｔｉｍｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ－ｃｏｍｐａｃｔｎｅｓｓｃｏｎｔｒａｓｔｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｓａｎｄａｎａｌｙｔｉｃａｌｖａｌｕｅｓ表１模型参数表Ｔａｂ．１Ｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ参量数值体积模量／Ｐａ８．８５１０５剪切模量／Ｐａ３．１７１０５泊松比０．３４渗透系数／（ｃｍ／ｓ）１．０１０－７孔隙率／％０．５７水的压缩系数／（１／Ｐａ）０．５１０－９水的密度／（ｋｇ／ｃｍ３）１０００土的密度／（ｋｇ／ｃｍ３）２６３０热膨胀系数／（１／℃）５．０１０－６土的比热／（Ｊ／（ｋｇＫ））１４１２热传导系数／（Ｊ／（ｓ２ｍ℃））１．０００图３南海北部天然气水合物成藏分布图Ｆｉｇ．３ＧａｓｈｙｄｒａｔｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＮｏｒｔｈｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＳｅａ图４神狐海域完成的钻探站位分布图Ｆｉｇ．４ＴｈｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆｆｉｎｉｓｈｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＳｈｅｎｈｕａｒｅａ南海神狐海域获得样品的３个站位海水深度分别为１２３５，１２４５，１１０８ｍ，海底温度为３．３～３．７℃ ，水合物层距离海底深度约１５５～２２９ｍ，水合物层厚度分别为４３，１０，２２ｍ［１５］。模拟的南海神狐海域天然气水合物模型如图５所示，由于模型为轴对称图形，故取其一半进行分析，各部分的尺寸如图中所示，模型高度为３００ｍ，宽度为５００ｍ，水合物层厚度为１０ｍ，上覆岩层厚度为２００ｍ，下部岩层厚度为９０ｍ。模型相关的地层参数和物理性质指标见表２［１５］。ＮＧＨ沉积层的初始温度１５℃，压力为１５ＭＰａ。如图６所示，当压力为１２ＭＰａ，温度为１５℃时，ＮＧＨ开始分解；同样的，当压力为１５ＭＰａ，温度为１８℃时，ＮＧＨ开始分解。２海底沉降分析引起海底沉降的因素可能是由于开采ＮＧＨ后储层的强度降低或ＮＧＨ开采后储层中的水被排出。为了确定开采ＮＧＨ引起的海底沉降与ＮＧＨ层强度降低、ＮＧＨ层排水关系，建立了如表３所示的对比试验。结果表明，由于ＮＧＨ分解导致的ＮＧＨ层弱化而引起的沉降很小，主要是与生产有关的排水导致。公彬等南海天然气水合物开采海底沉降预测６５ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ图５水合物开采模型示意图Ｆｉｇ．５Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ图６ＮＧＨ相平衡曲线Ｆｉｇ．６ＰｈａｓｅｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｄｉａｇｒａｍｏｆＮＧＨ表２模型物理参数表Ｔａｂ．２Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ参量水合物层岩层变形模量Ｅ／Ｐａ５．２１０２０．８１０２密度ρ／（ｋｇ／ｍ３）１９３０２５９７渗透系数Ｋ／（ｍ／ｓ）１．０１０－６５．２１０－６内聚力ｃ／ＭＰａ１０．３泊松比ν０．４０．４内摩擦角／（）３０３０孔隙率ｎ０．４０．４水的压缩系数Ｋｐ／（１／Ｐａ）０．５０．５热导率Ｃｃ／（Ｊ／（ｍｓｋ））１．７２．９１５比热Ｃｐ／（Ｊ／（ｋｇＫ））１７８３１０５０初始温度Ｔ０／℃ １５１５表３不同开采方法对比情况表Ｔａｂ．３Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔａｂｌｅ生产方法条件案例分析降低ＮＧＨ层强度减压法１５ＭＰａ →１ＭＰａＣａｓｅ１是Ｃａｓｅ１＿１否热激法１５℃→５０℃ Ｃａｓｅ２是Ｃａｓｅ２＿１否随着时间的推移，水合物层和海底的沉降值如图７和图８所示。ＮＧＨ层的最大沉降值在Ｃａｓｅ１，Ｃａｓｅ１＿１，Ｃａｓｅ２和Ｃａｓｅ２＿１四种情况下的数值分别是６１３．６，５９０．３，７１．２６，７０．８１ｍｍ。海底的最大沉降值在Ｃａｓｅ１，Ｃａｓｅ１＿１，Ｃａｓｅ２和Ｃａｓｅ２＿１四种情况下的数值分别是６２０．５，６０４．７，１１１．１和１０９．９ｍｍ。当ＮＧＨ层的强度没有降低时，海底的沉降则是由于水合物开采导致储层内的水流失和上覆岩层自重导致的。由图９和图１０可见，由于开采排水引起的ＮＧＨ层和海底沉降在减压法和热激法中分别占的比例为９６．２％，９９．３７％和９７．５％，９８．９％。经以上分析可清楚地看出，开采引起ＮＧＨ层强度降低对海底沉降的影响很小，而ＮＧＨ开采引起海底沉降的主要原因是由于开采引起的排水。记录并分析沉降值与开采井距离两者间的关系，如表３所示分别为减压法和热激法时Ｃａｓｅ１，Ｃａｓｅ１＿１，Ｃａｓｅ２和Ｃａｓｅ２＿１四种情况下，随着距开采井的距离不同各点的沉降情况。分析可以看出，在距离开采井１００ｍ处沉降值几乎１００％是由于开采排水导致的。因此，认为距离开采井一定范围内是开采所引起沉降的主要区域。３开采温度对海底及水合物层沉降的影响采用热激法开采ＮＧＨ，随着开采温度的升高，一方面会加快ＮＧＨ的分解，加快产气速度；另一方面，增加温度对于ＮＧＨ层及海底表层沉降也会起到促进作用。为了研究提高开采温度对ＮＧＨ层和海底表层沉降数值及沉降范围的影响，本研究模拟了５０～１５０ ℃开采温度开采１０００ｈ时ＮＧＨ层及海底表层沉降情况，试验情况如图１１和图１２所示。由图中可以看出，随着开采温度的升高，ＮＧＨ层和海底表层的沉降值不６６第３４卷第５期２０１５年１０月Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１５图７沉降值随时间的变化（ＮＧＨ层上部）Ｆｉｇ．７Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ（ｔｈｅｕｐｐｅｒＮＧＨｌａｙｅｒ）图８沉降值随时间的变化（海底）Ｆｉｇ．８Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅ（ｔｈｅｓｅａｆｌｏｏｒ）图９沉降值与距离开采井的关系（ＮＧＨ层上部）Ｆｉｇ．９Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｗｅｌｌｂｏｒｅａｎｄｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ（ｔｈｅｕｐｐｅｒＮＧＨｌａｙｅｒ）图１０沉降值与距离开采井的关系（海底）Ｆｉｇ．１０Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｔｈｅｗｅｌｌｂｏｒｅａｎｄｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ（ｔｈｅｓｅａｆｌｏｏｒ）断增大，每个温度条件下两个观测层的沉降值均呈先缓慢增加后迅速增加再变缓的规律，并且随着开采温度的升高，迅速增加段的斜率有逐渐变大的趋势。进一步分析可以看出，随着开采温度的升高沉降范缓慢变大。５０℃时ＮＧＨ层的沉降范围在距离开采井２００ｍ左右，海底表层沉降范围在距离开采井２１０ｍ左右；当温度升高到１５０℃时，ＮＧＨ层的沉降范围扩大到３５０ｍ，海底表层的沉降范围扩大到４００ｍ左右，温度每升高１０℃沉降范围扩大２０～３０ｍ。本研究还模拟了同一开采温度下，不同加热时长对海底及水合物层沉降的影响。５０ ℃时模拟开采温度，分别模拟开采１００ｈ至６００ｈ。ＮＧＨ层和海底表层的沉降情况如图１３和图１４所示，由图中可以看出，延长模拟开采时间和提高开采温度所引起的海底地层的沉降规律具有相似性，同样呈先缓慢增加后迅速增加再变缓的规律，并且随着开采时间的延长，迅速增加段的斜率有逐渐变大的趋势。模拟开采１００ｈ时，ＮＧＨ层和海底表层沉降范围分别为１００ｍ和１５０ｍ；模拟开采６００ｈ时，ＮＧＨ层和海底表层沉降范围分别约为３５０ｍ和４００ｍ；开采时间每增加１００ｈ，沉降范围扩大５０ｍ左右。针对南海北部神狐海域ＮＧＨ赋存情况，比较提高开采温度和延长加热时间可以看出，延长加热时间引起的海底沉降范围更广，说明在维持某一开采温度条件下，延长加热时间ＮＧＨ的开采范围要比提高开采温度的开采范围大。公彬等南海天然气水合物开采海底沉降预测６７ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ图１１逐步提高加热温度后，ＮＧＨ层的沉降情况Ｆｉｇ．１１Ｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｗｈｉｌｅｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ｔｈｅｕｐｐｅｒＮＧＨｌａｙｅｒ）图１２逐步提高加热温度后，海底的沉降情况Ｆｉｇ．１２Ｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｗｈｉｌｅｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ｔｈｅｓｅａｂｅｄ）图１３延长加热时间后，ＮＧＨ层的沉降情况Ｆｉｇ．１３Ｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｆｔｅｒｐｒｏｌｏｎｇｅｄｈｅａｔｉｎｇ（ｔｈｅｕｐｐｅｒＮＧＨｌａｙｅｒ）图１４延长加热时间后，海底的沉降情况Ｆｉｇ．１４Ｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｆｔｅｒｐｒｏｌｏｎｇｅｄｈｅａｔｉｎｇ（ｔｈｅｓｅａｂｅｄ）４结论在有限差分数值模拟软件ＦＡＬＣ３Ｄ基础上，针对我国南海北部陆坡神狐海域ＮＧＨ赋存情况，为准确预测南海北部神狐海域ＮＧＨ开采工程中海底的沉降开展了初步研究，得出以下结论１）利用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件建立模型并计算，结果显示，在距离开采井１００ｍ范围内点的沉降值几乎１００％是由于开采排水导致的。所以，认为距离开采井一定范围是开采所引起沉降的主要区域。２）为防止开采平台的倾斜，影响生产的正常进行，平台基础应按地表沉降规律对称布置。３）神狐海域ＮＧＨ开采中，延长加热时间对沉降的影响比提高开采温度明显，即延长加热时间的开采范围要比提高开采温度时的开采范围大。参考文献［１］ＴｕｌｋＣＡ，ＲａｔｃｌｉｆｆＣＩ，ＲｉｐｍｅｅｓｔｅｒＪＡ．ＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓｈｙｄｒａｔｅｆｒｏｍｔｈｅＪＮＯＣ／ＪＡＰＥＸ／ＧＳＣＭａｌｌｉｋ２Ｌ－３８ｒｅｓｅａｒｃｈｗｅｌｌ［Ｊ］．ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙｏｆＣａｎａｄａＢｕｌｌｅｔｉｎ，１９９９，５４４２５１－２６３．［２］ＲｉｐｍｅｅｓｔｅｒＪＡ，ＬｕＨ，ＭｏｕｄｒａｋｏｖｓｋｉＩＬ，ｅｔａｌ．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｔｅｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔｒｅｃｏｖｅｒｅｄｆｒｏｍＭａｌｌｉｋ５Ｌ－３８，ＭａｃｋｅｎｚｉｅＤｅｌｔａ，ＮＷＴ，ＣａｎａｄａＸ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ＲａｍａｎａｎｄＳｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅＮＭＲｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙｏｆＣａｎａｄａＢｕｌｌｅｔｉｎ，２００５，５８５８９－９４．［３］ＬｕＨ，ＳｅｏＹＴ，ＬｅｅＪＷ，ｅｔａｌ．ＣｏｍｐｌｅｘｇａｓｈｙｄｒａｔｅｆｒｏｍｔｈｅＣａｓｃａｄｉａｍａｒｇｉｎ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００７，４４５３０３－３０６．６８第３４卷第５期２０１５年１０月Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１５［４］赵洪伟．海洋天然气水合物相平衡条件模拟实验及探测技术研究［Ｄ］．长春吉林大学，２００５３．［５］ＳｌｏａｎＥＤ．Ｃｌａｔｈｒａｔｅｈｙｄｒａｔｅｓｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓｅｓ［Ｍ］．ＬｏｎｄｏｎＴａｙｌｏｒ＆Ｆｒａｎｃｉｓ，１９９０１５－２２．［６］周怀阳，彭晓彤，叶瑛．天然气水合物勘探开发技术研究进展［Ｊ］．地质与勘探，２００２，３

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南海天然气水合物开采海底沉降预测.pdf

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