吴能友—海洋天然气水合物工程地质学的提出、学科内涵与展望 - 海底地质过程模拟工具

吴能友1,2,3，李彦龙1,3,4*，蒋宇静4，孙金声5,6，谢文卫2，胡高伟1,3，王韧5，于彦江2，王金堂6，陈强1,3，申凯翔2，孙志文1,3，陈明涛1,3

第一作者简介:吴能友，男，博士，二级研究员，主要从事海洋地质与天然气水合物领域的研究工作。

E-mail:wuny@ms.giec.ac.cn。

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通讯作者简介:李彦龙，男，博士，研究员，主要从事海洋天然气水合物基础理论与技术研究工作。

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E-mail:ylli@qnlm.ac。

来源：《地学前缘》

网络首发时间:2024.04.18

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DOI:https://link.cnki.net/urlid/11.3370.P.20240417.1135.002

摘要

能源结构调整和国家“双碳”战略的实施为海洋天然气水合物作为一种潜在能源开展研究提供了难得的发展空间。随着勘探开发研究的深入，海洋天然气水合物安全高效开发面临的多种类型工程地质风险管控矛盾日益凸显，亟待发展基于现代工程地质学基本原理的海洋天然气水合物工程地质学。为此，本文阐述了天然气水合物工程地质学的提出过程，并结合国内外研究进展，论述了海洋天然气水合物工程地质学的基本学科构架、核心研究任务和主要研究手段。认为海洋天然气水合物工程地质学是海洋地球系统科学的有机组成部分，其核心目标是评估海洋天然气水合物系统的地质、工程安全承载力，并对海洋天然气水合物勘探开发提供决策支撑。海洋天然气水合物工程地质学不仅能为回答勘探开发活动与海洋天然气水合物系统之间的相互作用机制提供科学依据，也能有效地将海洋天然气水合物能源研究与地质灾害、全球气候变化研究关联起来，为实现海洋天然气水合物地质、环境、工程一体化可持续发展提供一定的理论与技术支撑。

关键词:天然气水合物;工程地质学;学科内涵;研究任务;技术手段

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关键性图片

图1—海洋天然气水合物工程地质学的基本学科内涵

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图2—海洋天然气水合物储层的多场耦合模式

图3—海洋天然气水合物开发相关的工程地质风险链式演化模式

图4—海洋天然气水合物系统工程地质响应行为的多尺度实验模拟技术体系示意

编者解读

关于天然气水合物工程地质学的提出过程，作者等人在文章中说明了这一学科是在全球范围内天然气水合物研究日益深入和勘探开发需求日益增长的背景下提出的。随着对海洋天然气水合物系统的不断研究，发展高效安全的勘探开发技术，以及对相关工程地质风险的管理需求日益凸显，工程地质学的现代原理被应用于这一领域。因此，基于现代工程地质学的原理，提出了海洋天然气水合物工程地质学这一新的学科方向。

此外，文章也详细讨论了海洋天然气水合物工程地质学的基本学科构架、核心研究任务和主要研究手段。学科构架主要围绕着海洋天然气水合物系统与人类勘探开发活动之间的相互关系，以及如何在保障资源高效开发的同时，确保工程和环境安全。核心研究任务包括评估天然气水合物系统的地质和工程安全承载力，提供勘探开发决策支持，并探索天然气水合物与地质灾害、全球气候变化的相互作用。研究手段涵盖了多尺度实验测试与模拟、基于实际地质与工程条件的数值计算和理论分析、以及深海原位生境下的探测、监测与模拟技术等。

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要点速递

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1、海洋天然气水合物工程地质学的基本科学任务

保障海洋天然气水合物勘探开发活动本身的安全性;

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减缓海洋天然气水合物系统的地质灾害和环境风险;

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兼顾海洋天然气水合物开发的经济性指标;

厘清海洋天然气水合物在全球碳循环与气候变化中扮演的角色，丰富地球系统科学基础理论。

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2、海洋天然气水合物工程地质学的主要科学问题和研究内容

海洋天然气水合物系统的工程力学性质及其演变机理

研究海洋天然气水合物系统的工程力学特性，包括剪切强度、内聚力、内摩擦角等，以及这些性质在水合物分解或其他地质过程中的变化规律。

海洋天然气水合物系统中的多场耦合行为及其主控因素‍

分析和理解水合物系统中的温度、渗流、变形、相变等多物理场的耦合行为，这些行为对水合物的稳定性和开采效率有重要影响。

海洋天然气水合物开发活动诱发的工程地质风险及其调控原理

由于水合物开采活动引起的工程地质风险，如井筒完整性破坏、地层失稳、海底滑坡等，以及这些风险的预测、评估和控制策略。

自然条件扰动背景下的海洋天然气水合物系统地质灾害及其演化机理

探索在自然条件变动（如地震、海洋动力活动等）影响下，海洋天然气水合物系统可能触发的地质灾害的因素和演化过程。

3、海洋天然气水合物工程地质学的主要技术手段主要包括以下几种：

多尺度实验测试与模拟技术‍

这包括利用实验室模拟和现场测试来研究水合物系统在不同地质和工程条件下的行为。通过这些模拟技术，可以在控制环境下复现和研究水合物储层的地质响应。

基于实际地质与工程条件的数值计算和理论分析

应用数值模型和计算软件来模拟和分析水合物系统的行为，包括流体动力、热力和力学行为的交互作用。这些数值工具帮助预测和优化开采策略，减少风险。

深海原位生境下的探测、监测与模拟技术‍

使用各种海底传感器和监测设备直接在深海环境中观察和记录数据，从而获得更真实的地质响应数据。这些技术对于理解自然条件下的水合物行为至关重要。

4、THMCS五场耦合问题

天然气水合物的相变行为及与之并发的气、水、泥砂迁移等多物理过程主要发生在天然气水合物分解前缘到生产井之间的区域，因此该区域也是天然气水合物储层多场耦合行为最为强烈的区域。通常将水合物储层的多场耦合问题简化为温度(T)-渗流(H)-变形(M)-相变(C)四场耦合问题(即THMC)。近年来，笔者团队充分考虑泥砂迁移场的独特性，提出将传统THMC四场耦合问题，升级为温度(T)-渗流(H)-形变(M)-相变(C)-泥砂输运(S)五场耦合问题(即THMCS，图2右)。提出上述耦合模式的主要考虑是:1)泥砂输运行为是海洋天然气水合物特别是南海泥质粉砂水合物开采过程中必然会发生的物理过程，泥砂输运是地层骨架沉积物颗粒由连续介质状态向离散介质状态转变的过程，泥砂颗粒的剥落、启动、迁移、再沉降过程均不能用现有THMC中的方程组表达;2)泥砂输运与多孔介质中的多相渗流、水合物分解、地层变形及传热之间存在直接或间接的耦合关系，属于相对独立但又与其他物理过程高度耦合的储层行为;3)泥砂输运是水合物分解、地层强度劣化和气水渗流共同作用下的客观物理过程，和常规意义上所述的井筒出砂是完全不同的概念，出砂是工程地质灾害而泥砂输运是客观物理现象。工程地质灾害需要防控而客观物理现象只能调节;4)泥砂输运为井筒出砂提供了基本物质基础，因此泥砂输运行为与工程地质风险演变直接挂钩，不考虑泥砂输运行为可能导致工程地质风险演变预测结果失真失准。

阅读原文

阅读链接：海洋天然气水合物工程地质学的提出、学科内涵与展望.pdf

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