基于直接测量的水合物储层颗粒间作用力测试系统与测试方法

于彦江, 罗 强, 宁伏龙, 陆红锋, 刘志辉,彭 力, 王冬冬, 史浩贤, 刘志超, 段隆臣

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074; 2.中国地质调查局广州海洋地质调查局,广东广州 510075;3.中国地质调查局天然气水合物工程技术中心,广东广州 510075)

笼形水合物是一类包合物,其中水作为主体分子将客体分子包络在由氢键网络形成的水分子笼子中。在物理外观上,笼形水合物类似于冰,但由于压力和客体分子的性质不同,笼形水合物可以在高于冰点的温度形成[1]。自然界中存在大量以天然气为客体分子的气体笼型水合物,其中大部分为甲烷水合物。它们在陆上冻土和深海中广泛分布,且储量巨大,被公认为未来潜在替代能源,成为全球能源竞争的战略高地。但水合物开发产业化仍处于科研攻关起步阶段,特别是海域水合物储层埋藏浅、固结弱、沉积物颗粒特征明显,储层失稳出砂成为水合物安全高效开采的瓶颈之一。目前水合物出砂研究还主要集中在宏观尺度的出砂评价与防砂方法方面[2-9],对于揭示储层失稳出砂机制至关重要的孔隙尺度上颗粒间作用研究还十分缺乏。已有的颗粒间作用力测试方法主要是针对流动保障方面的水合物颗粒间黏附力测试[10-22],且不能测试颗粒间摩擦力以及直接读取颗粒间黏附力。据此,笔者在现有流动保障水合物颗粒间黏附力微力测试装置的基础上,改用力传感器进行直接测量,并增加摩擦力测试功能,在此基础上开展水合物颗粒间摩擦力的初步测试,获取的黏附力和动摩擦系数可用于基于离散元的水合物储层失稳和出砂分析预测模型,为揭示水合物储层力学失稳和出砂机制提供试验手段和测试方法。

1 测试装置、材料和测试方法

1.1 储层颗粒间微力测试装置

图1为储层颗粒间微力测试装置示意图。其核心部件主要包括3个可编程线性电动位移台和2个高精度力传感器。其中一个电动位移台实现X方向的水平移动,另外两个电动位移台叠加在一起实现Y、Z方向联动。电动位移台(PI公司)尺寸为19 cm×8 cm×4 cm,其运动定位精度为0.5 μm,最小速度为1 μm/s,最大速度为10 mm/s,可以给定步长或速度运动,最大运动范围为25 mm。高精度测力传感器(FUTEK公司)尺寸为3 cm×0.5 cm×3 cm,测力精度为0.01 mN,可以实时测量拉伸(正值)和压缩时的力值(负值)。力传感器一端分别被装配在X方向悬臂和Y、Z联动方向的悬臂上,另一端刚性连接不同直径(10 μm～1 mm)的探针(毛细玻璃管、钨钢探针或玻璃纤维杆)。通过电动位移台的运动带动探针上的颗粒样品进行垂直方向的拉压和水平方向的推拉,从而进行黏附力和摩擦力测试。此外,恒温循环浴(优博莱ZT4,控温精度0.1 ℃)用来对反应釜(内置温度传感器,OMEGA SA1-RTD,精度0.1 ℃)进行降温,显微镜(奥林巴斯SZ61,65倍变焦,搭载CCD相机)通过反应釜上的视窗观察被测颗粒。

图1 试验装置示意图和实物图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus and physical

1.2 测试材料

冰颗粒和四氢呋喃(tetrahydrofuran, THF)水合物颗粒均在反应釜内由恒温循环浴冷却降温形成。由于THF具有较大的挥发性,因此使用质量分数为22%的THF溶液(22%THF+78%去离子水,稍许超过19%的常规质量分数)制备THF水合物样品。试验所用THF试剂由阿拉丁公司生产,纯度大于等于99.9%。去离子水为实验室去离子水制备机自制,电阻率为18.25 MΩ·cm。砂颗粒为南海神狐区域岩心样品(剔除了有孔虫部分),静水沉积后烘干,捏取样品用环氧树脂胶黏附在毛细玻璃管端部。首先设定恒温循环浴温度,确保反应釜内样品可以形成并保存(冰颗粒-11～-3 ℃,THF颗粒1.9 ℃)。用微升进样器将样品溶液滴定在探针端部后,迅速将浸泡在液氮的金属杆靠近液滴,液滴将立刻凝固。随后将釜内温度调整至1.9 ℃,以保证形成的样品是THF水合物颗粒没有冰存在。冰颗粒和THF水合物颗粒形成过程由具有110 mm观测距离和65倍放大的SZ61显微镜进行观测,并实时记录。

1.3 测试方法

1.3.1 黏附力测试方法

如图2(a)所示,首先设定垂直(Z)方向电动位移台步长,将垂直方向探针端的颗粒下降到位于水平方向探针端颗粒上方约20 μm处;然后将垂直方向力传感器归零;接着微调(1 μm步长)X、Y、Z方向的位移,配合显微镜观察,直到两个颗粒建立接触(力传感器产生荷载),进而通过继续向下给定步长施加所需荷载。最后设置垂直方向速度(10 μm/s)将颗粒拉开,垂直方向力传感器记录的最大拉力为黏附力。图2(b)所示为黏附力测试的实时曲线,其中B点对应某次两个颗粒接触时的荷载,A点对应颗粒被拉开时的最大力值,定义为黏附力。

图2 黏附力测试方法及典型力值曲线Fig.2 Adhesion force test method and typical force value graph

1.3.2 摩擦力测试方法

如图3所示,首先设定垂直(Z)方向电动位移台步长,将垂直方向探针端的颗粒下降到位于水平方向探针端砂板上方约20 μm处;然后将垂直方向力传感器归零,微调(1 μm步长)X、Y、Z方向的位移,配合显微镜观察,直到垂直探针端的颗粒与水平探针端的砂板建立接触,进而通过继续向下给定步长施加所需荷载;最后设置水平方向速度(10 μm/s)将砂板向左匀速推动,水平方向力传感器的力值为摩擦力。

图3 摩擦力测试方法及典型力值曲线图Fig.3 Friction force test method and typical force value graph

2 结果分析

2.1 对比测试

首先,对两个水滴之间接触张力进行初步测试,测试环境温度20 ℃,毛细玻璃管外径为570 μm,结果如图4所示。设定垂直向下步长为 1 μm,在两个水滴相互靠近过程中,水滴接触的瞬间(图4(b))垂向的力传感器感应到一个拉力,紧接着两颗水滴吸附在一起,然后以1 μm/s的速度将探针向上提拉,水滴被拉开,上下探针端部各有一颗水滴,此过程力传感器的力值读数保持在一个范围(图5,该次测试保持在(0.04±0.005) mN)。

由于每次测试过程中两个水滴的尺寸发生改变,因此参考了Yang等[10]测试工作对水滴半径进行有效半径处理:

(1)

式中,R*为有效半径;R1和R2分别为两个接触颗粒的半径。

图4 水滴之间接触—拉开测试Fig.4 Contact and pull off test between two water droplets

图5 水滴之间接触—拉开力传感器实时力值Fig.5 Real-time force value graph of contact and pull off test between two water droplets

有效半径处理后的力平均值为70.6 mN/m,该值与室温常压下水的表面张力(常压20 ℃时,水与空气接触时的表面张力为72.8 mN/m)的数量级较为符合。

随后,进行冰颗粒之间的黏附力测试,并根据Fan等[11]的线性回归公式进行相应的数值估算:

F=0.44(±0.05)d+42(±4).

(2)

式中,F为两个冰颗粒接触拉开的黏附力估算值;d为两个颗粒中小颗粒直径。

将冰颗粒之间黏附力测试结果(玻璃纤维杆直径为50 μm)与文献结果进行对比,结果如图6所示。由图6可以看出,在相同条件下本测试装置测得的冰颗粒之间的黏附力与目前微观力学测试装置的量级和数值均较为符合。

图6 冰颗粒之间黏附力测试Fig.6 Adhesion force test between two ice particles

上述水滴接触张力测试和冰颗粒黏附力对比测试结果,验证了本测试装置的准确性和可靠性。

2.2 水合物颗粒之间的黏附力测试

随后进行不同温度下的THF水合物颗粒间的黏附力测试,颗粒接触时间分别为1和2 s,预加荷载为0.4～2.8 mN,毛细玻璃管外径为570 μm,测试结果如图7所示。在接触时间一定的条件下,随着预加荷载的增加,THF水合物颗粒之间的黏附力增加。这与Taylor等[12]在温度-3.2 ℃、预加荷载0～15 μN、接触时间5 s条件下测得的颗粒黏附力变化规律一致。该部分测试进一步验证了本测试装置的可靠性。同时可以发现THF水合物颗粒间黏附力在小荷载(0～15 μN)和较大荷载(0.4～2.8 mN)下具有相似的变化规律。

图7 THF水合物颗粒之间黏附力测试Fig.7 Adhesion force test between two THF hydrate particles

2.3 颗粒间摩擦力测试

在温度-4.4 ℃条件下分别对单个冰颗粒、THF水合物颗粒与南海砂之间的摩擦力进行测试,毛细玻璃管外径为570 μm,结果如图8所示。在测得不同荷载条件下的摩擦力后,其滑动摩擦系数分布情况如图9所示。

图8 冰颗粒、THF水合物颗粒与南海砂摩擦力测试Fig.8 Friction force test between ice(THF hydrate) particles and South Sea sand deposition

冰颗粒和南海砂之间的滑动摩擦系数与THF水合物颗粒与南海砂之间在荷载增大到一定值(约3 mN)时趋于相同,接近于0.6。但二者在小荷载情况下,滑动摩擦系数有不同的变化情况,其中冰颗粒与南海砂滑动摩擦系数由大逐渐变小,THF水合物颗粒与南海砂滑动摩擦系数由小增大。

推测可能是由于两种不同颗粒的表面性质以及摩擦产生的冰和水合物相变导致上述现象。由于冰颗粒和THF水合物颗粒的表面粗糙度不一致,将导致滑动摩擦系数的变化。彭力等[23]利用原子力显微镜对THF水合物表面进行了测试,其研究表明:在气-液界面自由生长的多晶THF水合物,生长温度越低,晶粒尺寸越小并更容易出现不定形水合物;且THF水合物与硅片接触界面会存在一层很薄的过渡层,通常被称为似液层,是既非水合物也非冰的状态,类似的过渡层也在气体水合物与砂颗粒之间存在[24]。对此推测,THF水合物颗粒与南海砂之间在小荷载条件下,出现比冰颗粒更小的滑动摩擦系数的原因有:THF水合物颗粒比冰颗粒的晶粒尺寸小,表面粗糙度大,导致低荷载条件下接触面积小;THF水合物颗粒比冰颗粒的似液层厚度厚,加之摩擦产生的热量可能导致THF水合物表面分解,进而影响摩擦力大小。后续将利用原子力显微镜进行水合物、冰表面形貌、液膜厚度和粗糙度的对比研究,深入揭示上述现象的内在机制。

图9 冰颗粒、THF水合物颗粒与南海砂之间的滑动摩擦系数(平均值)分布Fig.9 Distribution of sliding friction coefficient(mean value) between ice(THF hydrate) particles and South Sea sand deposition

3 结 论

(1)利用研制的测试装置对水合物颗粒与储层颗粒间的摩擦力进行初步研究,在荷载增大到一定值(约3 mN)时,冰颗粒和THF水合物颗粒与南海砂之间的滑动摩擦系数趋于相同,约为0.6。而在小荷载范围内,冰颗粒与南海砂滑动摩擦系数随荷载增大逐渐降低,THF水合物颗粒则反之。导致上述现象的原因可能是冰颗粒和THF水合物颗粒表面粗糙度以及冰和水合物相变条件不同。

(2)研制的测试装置为模拟储层内水合物颗粒间的微观力学行为和运动受力分析提供了新的试验手段和测试方法,测试结果可用来计算颗粒间内聚力,分析颗粒间抗转动作用和摩擦角,并可为基于离散元的流固耦合水合物储层出砂数值模拟提供细观模拟参数,使分析预测结果更准确。