甲烷水合物及其沉积物的力学特性研究

发布时间：2020-11-09 10:23

　　 作为石化燃料的潜在替代品,天然气水合物受到世界范围内越来越多的科学家的广泛关注。然而,天然气水合物开采会影响到完整的地质构造和开采工程设施等的稳定性,容易引发海底滑坡、海啸等自然灾害。因此,水合物及沉积层的基础力学特性研究对天然气的商业化开采具有重要意义。 本文主要进行了以下研究工作： 研制了适用于天然气水合物的低温高压三轴实验仪,并在实验室条件下模拟和控制水合物稳定存在条件。同时研制了压力析晶制样装置,压缩制成三轴实验所需的原位条件下水合物及其沉积物试样。 利用新开发的水合物三轴试验仪,测量含冰甲烷水合物的在不同温度、围压和应变速率下的力学特性。分析了围压、温度和应变速率对破坏强度、变形模量和强度参数的影响。结果表明,含冰水合物的破坏强度随着围压和应变速率的增加而增加,并且随着温度的降低而增加。通过摩尔库伦准则分析发现破坏强度的变化主要是受到内聚力的影响,内聚力随温度的降低而显著增加。 依据含冰甲烷水合物试样的三轴压缩试验结果,分析了起始屈服应变、起始屈服强度、起始屈服模量、初始变形模量、极限偏应力和破坏比随围压和温度变化的关系。研究发现起始屈服应变、起始屈服强度、初始变形模量和极限偏主应力均随围压的增加和温度的降低而增加；起始屈服模量仅受温度影响；并在Duncan-Chang模型基础上,加入了损伤比和温度参数,建立了适用于含冰甲烷水合物的本构模型。 利用天然粘土和含冰甲烷水合物制成人工水合物粘土沉积物,并测量其在不同温度、围压、应变速率下的力学特性。分析了φ60(孔隙度为60%)甲烷水合物沉积物的强度及其强度参数与温度、围压和应变速率之间的关系。研究发现甲烷水合物沉积物的强度随围压的增加而增加,随温度的降低而增加,随应变速率的增加而增加。摩擦角和内聚力随温度降低而增加,随应变速率增加而增加。 利用含冰水合物与粘土的不同配比制成多种孔隙度的水合物沉积物样品,研究了孔隙度对其应力应变关系、强度和模量的影响。结果表明,沉积物的强度随孔隙度增加而明显下降,内聚力随孔隙度的增加而减小,而内摩擦角基本不变。 依据甲烷水合物沉积物的三轴实验数据,在Duncan-Chang模型基础上,建立了含孔隙度、温度、围压和应变速率参数的本构模型,适用于甲烷水合物沉积物。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P744.4
【部分图文】：

F19图1.1天然气水合物分解与海底滑坡示意图SehematiediagramofsubmarineslideandgashydratedeeomPosition水合物沉积物力学性质方面分析来看，水合物的存在会增加水合物沉积水合物的分解会弱化沉积物中土颗粒之间的粘结作用，引起沉积物骨架架强度，破坏沉积层的稳定性。一方面，天然气水合物分解导致水合物由固态变成了液态和气态，这会引起沉积物的剪切强度的降低。当天然度较快时，分解出来的天然气超出了孔隙气体饱和度，就会引起天然气，从而进一步降低了沉积物强度;另一方面，水合物分解产生的水和气孔隙压力增加。当沉积物中的孔隙水己经达到饱和时，如果水合物继续水和气体的总体积将超过原有水合物自身的体积，从而使沉积物中的孔此，当水合物沉积层的渗透率较低时，水合物的分解会导致沉积层的孔压力。总体来说，水合物的相态变化、沉积层中的孔隙压力的增加、沉都可能导致水合物沉积层的强度和结构稳定性变弱，从而引起海底滑坡

甲烷水合物及其沉积物的力学特性研究擦角(角 ctionangle)了考虑(见图1.2)。这些因素也被当做重要的参数，在他们发展的模拟软件模型中都做TOUGH+HYDRATE盯“、— DireCteouPlings一一 IndireeteouPling T.P.S“1扔iMODELB切拟丁卜B五姗分GSE协IME、15、、画I产，，，{工\卑卞二且‘抖FLAC3DC二COhesionG二 ShearmodUIUS K=BUlkmodUIUS k=intrinsiePermeabilifyP=PreSSUrePe二 CaPillaryPressureS日 =HydratesaturationT=TemPerature‘=St旧in中=Porosity尸 =Coeffieientof介ietion口，二Effect份 eatreSS图1.2加州大学伯克利实验室模拟计算框图 Fig1.2SimulationdiagramofLawrenceBerkeleyLaboratoryinCaliforniaUniversityRutqvist和Moridis等通过THM模型(Thermal一Hydraulic一 MeehanicalModel)将软件TOUGH+HYDRATE模拟计算得到的热力学参数、水力学参数(渗透率，毛细压力，孔隙水/气压力等)和FLAc3D模拟计算的力学参数进行了藕合(如图 1.3)[63]。随后，Rutqvist和Moridis利用TOUGH+HYDRATE和FLAC3D对 Mallikdeposit以及Mt.ElbertdePosite两冻土水合物储层进行了水合物开采模拟研究，获得沉积层的应力场和强度等力学特性随时间变化的特征[64]

SE协IME、15卑卞二且‘抖FLAC3DS日=HydratesaturationT=TemPerature‘=St旧in中=Porosity尸=Coeffieientof介ietion口，二Effect份eatreSS图1.2加州大学伯克利实验室模拟计算框图ig1.2SimulationdiagramofLawrenceBerkeleyLaboratoryinCaliforniaUniversvist和Moridis等通过THM模型(Thermal一Hydraulic一MeehanicalMod+HYDRATE模拟计算得到的热力学参数、水力学参数(渗透率，毛压力等)和FLAc3D模拟计算的力学参数进行了藕合(如图1.3)和Moridis利用TOUGH+HYDRATE和FLAC3D对Mallikdeposit以及两冻土水合物储层进行了水合物开采模拟研究，获得沉积层的应力随时间变化的特征[64]，165]。结果显示了确定HBs静态和动态特性关系张可能增加渗透性，从而提高天然气开采。增加的沉积层剪应力可切恢复，进一步增加开采。
【引证文献】

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1 聂雄飞;甲烷水合物沉积物单轴强度研究[D];大连理工大学;2012年

本文编号：2876280