互层型甲烷水合物沉积物力学特性研究

发布时间：2020-11-11 03:55

　　 天然气水合物具有能量密度高、储量丰富、清洁无污染等优点,被视为未来替代传统化石能源的新型能源,已经成为各国学者研究的重要对象。我国南海、东海的近海大陆架边缘和青藏高原、祁连山、大兴安岭一带的永久冻土区均有大量天然气水合物资源分布。然而,在天然气水合物开采过程中,温度、压力等微小的扰动均会破坏其相平衡状态,进而导致其分解,不受控制的水合物分解会引发一系列地质灾害和环境问题。因此,在天然气水合物商业化开采之前,需对其力学特性进行充分的研究。天然气水合物赋存形式多种多样,有的存在于沉积物裂隙中,呈现块状、层状;有的存在于细粉砂沉积物孔隙中,呈现浸染的形式;有的以薄层状与沉积物互层等。本文主要针对水合物和沉积物互层这一赋存形态开展研究,利用大连理工大学自主研制的TAW-60型低温、高压水合物三轴仪对其进行了三个系列的三轴剪切实验,以期对未来水合物现场开采提供实验数据和理论参考。本文首先研究了不同围压、不同水合物层倾角对互层型甲烷水合物沉积物力学特性的影响。实验结果表明:不同围压、不同倾角试样的三轴剪切应力应变曲线形态大致相同,均可分为近似弹性变形、应变硬化、应变软化和二次硬化四个阶段,试样偏应力随轴向应变的增大先增大后减小再增大,在约3%轴向应变处出现偏应力峰值,约7%轴向应变处出现谷值。同一倾角时,在低围压下(约5 MPa以下)试样的破坏强度与围压正相关,而在较高围压时(约5 MPa以上)则为负相关。通过摩尔-库伦破坏准则绘制试样的摩尔应力圆及其包络线,并计算得到其粘聚力和内摩擦角,发现内摩擦角变化不大,均在10°至11°之间,10°倾角的试样粘聚力最小,这与10°倾角试样抗剪强度最小一致。其次,研究了水合物层厚度对互层型甲烷水合物沉积物力学特性的影响,给出了三种围压下试样强度与水合物层厚度的拟合公式,并通过计算试样的粘聚力和内摩擦角,给出了粘聚力与水合物层厚度的数学关系式。实验结果表明:试样强度随水合物层厚度的增大而减小。最后,研究了物层排列顺序对互层型甲烷水合物沉积物力学特性的影响,发现纯甲烷水合物层位于试样中部时,试样的抗剪强度最大,初步分析是因为此时甲烷水合物与土颗粒之间形成胶结结构的几率最大,所以试样也就更稳定不易被破坏。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE31
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 天然气水合物相关介绍
        1.2.1 天然气水合物介绍
        1.2.2 天然气水合物赋存类型介绍
        1.2.3 实验室水合物沉积物试样制备方法
    1.3 天然气水合物沉积物开采相关研究进展
        1.3.1 天然气水合物开采方式研究进展
        1.3.2 天然气水合物力学特性研究进展
    1.4 本文的主要研究内容
2 实验设备和实验方法
    2.1 实验设备
    2.2 实验材料
    2.3 实验方法
3 围压、倾角对互层型甲烷水合物沉积物强度特性的影响
    3.1 试样制备和实验内容
        3.1.1 试样制备
        3.1.2 实验内容
    3.2 互层型甲烷水合物沉积物强度特性分析
        3.2.1 三轴剪切应力应变曲线分析
        3.2.2 围压对互层型甲烷水合物沉积物强度的影响
        3.2.3 摩尔-库伦强度理论分析互层型甲烷水合物沉积物的破坏强度
        3.2.4 倾角对互层型甲烷水合物沉积物强度的影响
    3.3 本章小结
4 水合物层厚度对互层型甲烷水合物沉积物强度特性的影响
    4.1 试样制备和实验内容
        4.1.1 试样制备
        4.1.2 实验内容
    4.2 水合物层厚度对甲烷水合物沉积物强度特性的影响分析
        4.2.1 三轴剪切应力应变曲线分析
        4.2.2 水合物层厚度和围压对互层型甲烷水合物沉积物强度的影响
        4.2.3 水合物层厚度对水合物沉积物内摩擦角和粘聚力的影响
    4.3 本章小结
5 物层顺序对互层型甲烷水合物沉积物强度特性的影响
    5.1 试样制备和实验内容
        5.1.1 试样制备
        5.1.2 实验内容
    5.2 物层顺序对甲烷水合物沉积物强度特性的影响分析
        5.2.1 三轴剪切应力应变曲线分析
        5.2.2 物层顺序对互层型甲烷水合物沉积物强度的影响
    5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2878707