泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学特性
发布时间：2021-08-31 03:08
天然气水合物开采过程中,厘清储层力学参数的演化特征是进行工程地质风险评估的基础,但目前针对中国南海含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质评价与测试相关研究的报道却鲜见。为此,以南海北部神弧海域W18/19矿体天然气水合物顶界沉积物为研究对象,用四氢呋喃（THF）水合物代替天然气水合物,以此来探讨泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系的力学参数演化特征。研究结果表明:①在低质量丰度条件（小于等于16.7%）下泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系呈现应变硬化破坏特征,抗剪强度、切线模量、内聚力随着水合物含量的增大而增大;②纯天然气水合物的应力—应变曲线表现出明显的脆性破坏特征,与低丰度条件下的泥质粉砂沉积物—天然气水合物混合体系破坏特征截然不同。进而提出了采用丰度（质量丰度或体积丰度）代替原有的砂质沉积物中饱和度概念来表征天然气水合物含量的建议,在考虑天然气水合物合成结束后泥质粉砂沉积物含水率影响的基础上,将泥质粉砂型天然气水合物—沉积物混合体系划分为纯沉积物、含天然气水合物沉积物、含沉积物天然气水合物和纯天然气水合物4种基本类型,以克服目前针对含天然气水合物泥质粉砂储层力学性质研究中所存在的不...
【文章来源】：天然气工业. 2020,40(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
含水合物沉积物三轴仪流程图[16]
根据Liu等[32]、Lei等[17]的结论，泥质粉砂沉积物中水合物合成将会排挤置换原有沉积物颗粒，形成脉状、透镜体状等非连续、非均质体系，原有沉积物孔隙结构完全破坏，在泥质粉砂微孔中没有明显的水合物显示。因此，笔者采用平均质量丰度（Rmh）来指示沉积物中的水合物含量，其定义为：单位质量的沉积物—水合物混合体系中，水合物所占的质量百分比，即式中Rmh表示水合物—沉积物混合体系中水合物的质量丰度；ms、mwf、mh、mTHF分别表示水合物—沉积物混合体系中沉积物、残余孔隙水、水合物、水合物反应所需THF的质量，g;MTHF、Mh、分别表示THF、THF水合物和水的摩尔质量，g/mol;Rmw表示残余含水率，即当THF完全反应后，剩余的孔隙水含量占水合物沉积物体系总质量的百分比；Rms表示水合物—沉积物混合体系中沉积物所占的质量百分比。
上述应力—应变曲线特征与Yun等[40]基于含THF水合物松散高岭土获得的应力—应变关系变形规律类似（图3-a）。为便于描述，将这种存在明显拐点的应力—应变曲线称为双线性变形，其中第一线性段对应的轴向变形约为1%，第二线性段轴向变形介于1.5%～15.0%，轴向变形介于1.0%～1.5%，为两个线性段的过渡期。双线性应力—应变曲线特征可能反映了沉积物内部双重介质特征，以水合物在沉积物中呈透镜体状分布条件下的可能变形破坏特征为例（图4）。其中图4-a为实际泥质粉砂沉积物中THF水合物脉状赋存状态的X-CT扫描结果[32]，图4-b为无轴向加载条件下泥质粉砂沉积物中水合物透镜体伸展状态。在三轴加载作用下，沿竖向定向排布的水合物透镜体会向最小主应力方向翻转，水合物透镜体发生方位重整，翻转嵌入到沉积物中，同时沉积物被压密（图4-c），因此沉积物整体呈现出应变硬化特征。然而，受当前剪切轴向应变极限通用做法的制约，在应变硬化条件下目前通常认为轴向应变达到15%以后不再继续观察后续变化特征，因此15%的应变量可能不足以排除进一步压缩状态下水合物透镜体及沉积物内部可能的变形行为（图4-d），这将在后文中作进一步的讨论。2.2 抗剪强度与切线模量
【参考文献】：
期刊论文
[1]海域天然气水合物开采增产理论与技术体系展望[J]. 吴能友,李彦龙,万义钊,孙建业,黄丽,毛佩筱. 天然气工业. 2020(08)
[2]基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试[J]. 彭力,李维,宁伏龙,刘志超,张准,欧文佳,张凌,孙嘉鑫,蒋国盛,程万,田红. 中国科学:技术科学. 2020(01)
[3]天然气水合物开采储层出砂研究进展与思考[J]. 宁伏龙,方翔宇,李彦龙,窦晓峰,王林杰,刘志超,罗强,孙嘉鑫,赵颖杰,张准,刘天乐,张凌,蒋国盛. 地质科技通报. 2020(01)
[4]Mechanical Properties of Methane Hydrate-Bearing Interlayered Sediments[J]. DONG Lin,LI Yanlong,LIU Changling,LIAO Hualin,CHEN Guoqi,CHEN Qiang,LIU Lele,HU Gaowei. Journal of Ocean University of China. 2019(06)
[5]神狐海域W18/19区块水合物上覆层水平渗透系数分布[J]. 李彦龙,陈强,胡高伟,马廷雷,吴能友,刘昌岭. 海洋地质与第四纪地质. 2019(02)
[6]Undrained shear strength evaluation for hydrate-bearing sediment overlying strata in the Shenhu area, northern South China Sea[J]. Yanlong Li,Gaowei Hu,Nengyou Wu,Changling Liu,Qiang Chen,Chen’an Li. Acta Oceanologica Sinica. 2019(03)
[7]CT图像法观测不同粒径多孔介质中水合物分布[J]. 李晨安,李承峰,刘昌岭,邢兰昌. 核电子学与探测技术. 2018(04)
[8]南海神狐海域天然气水合物降压开采过程中储层的稳定性[J]. 万义钊,吴能友,胡高伟,辛欣,金光荣,刘昌岭,陈强. 天然气工业. 2018(04)
[9]X-CT法研究砂岩中甲烷水合物动态分布规律[J]. 李晨安,李承峰,刘昌岭,邢兰昌,李彦龙,孟庆国. 核电子学与探测技术. 2018(02)
[10]水合物分解区地层砂粒启动运移临界流速计算模型[J]. 刘浩伽,李彦龙,刘昌岭,董长银,吴能友,孙建业. 海洋地质与第四纪地质. 2017(05)
本文编号：3374061
【文章来源】：天然气工业. 2020,40(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
含水合物沉积物三轴仪流程图[16]
根据Liu等[32]、Lei等[17]的结论，泥质粉砂沉积物中水合物合成将会排挤置换原有沉积物颗粒，形成脉状、透镜体状等非连续、非均质体系，原有沉积物孔隙结构完全破坏，在泥质粉砂微孔中没有明显的水合物显示。因此，笔者采用平均质量丰度（Rmh）来指示沉积物中的水合物含量，其定义为：单位质量的沉积物—水合物混合体系中，水合物所占的质量百分比，即式中Rmh表示水合物—沉积物混合体系中水合物的质量丰度；ms、mwf、mh、mTHF分别表示水合物—沉积物混合体系中沉积物、残余孔隙水、水合物、水合物反应所需THF的质量，g;MTHF、Mh、分别表示THF、THF水合物和水的摩尔质量，g/mol;Rmw表示残余含水率，即当THF完全反应后，剩余的孔隙水含量占水合物沉积物体系总质量的百分比；Rms表示水合物—沉积物混合体系中沉积物所占的质量百分比。
上述应力—应变曲线特征与Yun等[40]基于含THF水合物松散高岭土获得的应力—应变关系变形规律类似（图3-a）。为便于描述，将这种存在明显拐点的应力—应变曲线称为双线性变形，其中第一线性段对应的轴向变形约为1%，第二线性段轴向变形介于1.5%～15.0%，轴向变形介于1.0%～1.5%，为两个线性段的过渡期。双线性应力—应变曲线特征可能反映了沉积物内部双重介质特征，以水合物在沉积物中呈透镜体状分布条件下的可能变形破坏特征为例（图4）。其中图4-a为实际泥质粉砂沉积物中THF水合物脉状赋存状态的X-CT扫描结果[32]，图4-b为无轴向加载条件下泥质粉砂沉积物中水合物透镜体伸展状态。在三轴加载作用下，沿竖向定向排布的水合物透镜体会向最小主应力方向翻转，水合物透镜体发生方位重整，翻转嵌入到沉积物中，同时沉积物被压密（图4-c），因此沉积物整体呈现出应变硬化特征。然而，受当前剪切轴向应变极限通用做法的制约，在应变硬化条件下目前通常认为轴向应变达到15%以后不再继续观察后续变化特征，因此15%的应变量可能不足以排除进一步压缩状态下水合物透镜体及沉积物内部可能的变形行为（图4-d），这将在后文中作进一步的讨论。2.2 抗剪强度与切线模量
【参考文献】：
期刊论文
[1]海域天然气水合物开采增产理论与技术体系展望[J]. 吴能友,李彦龙,万义钊,孙建业,黄丽,毛佩筱. 天然气工业. 2020(08)
[2]基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试[J]. 彭力,李维,宁伏龙,刘志超,张准,欧文佳,张凌,孙嘉鑫,蒋国盛,程万,田红. 中国科学:技术科学. 2020(01)
[3]天然气水合物开采储层出砂研究进展与思考[J]. 宁伏龙,方翔宇,李彦龙,窦晓峰,王林杰,刘志超,罗强,孙嘉鑫,赵颖杰,张准,刘天乐,张凌,蒋国盛. 地质科技通报. 2020(01)
[4]Mechanical Properties of Methane Hydrate-Bearing Interlayered Sediments[J]. DONG Lin,LI Yanlong,LIU Changling,LIAO Hualin,CHEN Guoqi,CHEN Qiang,LIU Lele,HU Gaowei. Journal of Ocean University of China. 2019(06)
[5]神狐海域W18/19区块水合物上覆层水平渗透系数分布[J]. 李彦龙,陈强,胡高伟,马廷雷,吴能友,刘昌岭. 海洋地质与第四纪地质. 2019(02)
[6]Undrained shear strength evaluation for hydrate-bearing sediment overlying strata in the Shenhu area, northern South China Sea[J]. Yanlong Li,Gaowei Hu,Nengyou Wu,Changling Liu,Qiang Chen,Chen’an Li. Acta Oceanologica Sinica. 2019(03)
[7]CT图像法观测不同粒径多孔介质中水合物分布[J]. 李晨安,李承峰,刘昌岭,邢兰昌. 核电子学与探测技术. 2018(04)
[8]南海神狐海域天然气水合物降压开采过程中储层的稳定性[J]. 万义钊,吴能友,胡高伟,辛欣,金光荣,刘昌岭,陈强. 天然气工业. 2018(04)
[9]X-CT法研究砂岩中甲烷水合物动态分布规律[J]. 李晨安,李承峰,刘昌岭,邢兰昌,李彦龙,孟庆国. 核电子学与探测技术. 2018(02)
[10]水合物分解区地层砂粒启动运移临界流速计算模型[J]. 刘浩伽,李彦龙,刘昌岭,董长银,吴能友,孙建业. 海洋地质与第四纪地质. 2017(05)
本文编号：3374061
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shiyounenyuanlunwen/3374061.html
