颗粒抗滚动作用对水合物沉积物宏观及微观力学特性的影响
发布时间：2021-09-02 12:48
因其清洁无污染且储量巨大,天然水合物被认为是21世纪重要的战略资源。为有效考虑水合物沉积物中由于不规则的颗粒形状对宏观响应产生的影响,在离散元数值模拟中引入抗滚动线性接触模型,对抗滚动系数为0、0.2、0.4、0.6、0.8以及不同饱和度（10%、20%、30%、40%）的水合物沉积物数值试样进行了20组常规三轴压缩试验,探究了抗滚动作用对水合物沉积物的宏观力学特性的影响及微观作用机理。研究结果表明:抗滚动作用可以有效提高水合物沉积物的宏观强度和剪胀程度,但是抗滚动作用对于强度和剪胀的促进作用并不会无限增大,而是存在一个临界值,大于临界值之后,抗滚动作用对宏观力学特性的影响越来越小。这是由水合物沉积物内部微观结构的演化决定的:抗滚动系数的增大,虽然配位数降低,孔隙率有所增加,但颗粒的平均接触力将会随之增大,内部形成贯穿试样的强力链,从而使沉积物体系更加稳定,而当抗滚动系数增大至特定值时,平均接触力、配位数以及孔隙率受到抗滚动作用的影响逐渐减小,从而使水合物沉积物的宏观力学特性受到抗滚动作用的影响也会越来越小。
【文章来源】：石油学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
抗滚动线性接触模型的组成示意
Μ * =β? R ˉ F nl ???????? ??? (8)抗滚动系数β与颗粒形状有关,又称为颗粒的形状因子,表征颗粒由于形状不规则引起滚动的难易程度,β的取值与颗粒的形状以及表面粗糙度有关。笔者将水合物颗粒半径设置为较小值,忽略了水合物颗粒形状对沉积物力学性质的影响,只是对砂土颗粒之间的接触考虑抗滚动作用,因此抗滚动系数的选取与饱和度并没有关系。由于沉积物内部砂土颗粒的形状并不是完全相同的,这可能导致每个接触之间的抗滚动系数是不同的,从而导致颗粒间计算的繁琐。这里将抗滚动系数取为一个定值,作为所有砂土接触之间抗滚动系数的统计平均值。kr为抗滚动刚度,由颗粒的切向刚度ks和等效半径 R ˉ 计算可得:
综合采用王宏乾等[23]和周博等[24]提出的试样制备方法,笔者提出了考虑砂土颗粒滚动作用的水合物沉积物DEM试样的制备方法,并基于颗粒流软件PFC3D制备了饱和度为10%、20%、30%和40%的水合物沉积物DEM圆柱形试样,试样高为4 mm、直径为2 mm,如图3所示。采用圆球颗粒来模拟水合物颗粒和砂颗粒,粒径范围为0.1～0.4 mm,采用与Toyoura砂土相似的粒径级配曲线(图4),综合模型的计算速度与实际情况,将水合物的粒径选择为0.06 mm。已有研究表明[25-26],在固结排水三轴压缩试验和直剪试验的离散元数值模拟中,颗粒的密度取值对计算结果的影响很小,可以忽略。Vinod等[27]在进行水合物沉积物的离散元模拟中将水合物颗粒与土颗粒密度取为2.0 g/cm3;Jung等[28]开展的水合物沉积物离散元模拟中,水合物颗粒与土颗粒的密度均取为2.65 g/cm3。笔者将土颗粒与水合物密度分别取为2.65 g/cm3和0.32 g/cm3,与从日本南海海槽中钻取的水合物沉积物试样中土体骨架与水合物的密度值相同[29-30]。图4 数值试样与室内试样粒径级配曲线对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型[J]. 祝效华,孙汉文,赵金洲,张烈辉,张爽. 石油学报. 2019(09)
[2]基于数字岩心的孔隙尺度砂砾岩水敏微观机理[J]. 李俊键,成宝洋,刘仁静,孟凡乐,刘洋,高亚军,马康,姜汉桥. 石油学报. 2019(05)
[3]颗粒离散元方法中黄土强度参数研究[J]. 同霄,朱兴华,马鹏辉,冷艳秋. 地下空间与工程学报. 2019(02)
[4]水合物沉积物的力学本构模型及参数离散元计算[J]. 周博,王宏乾,王辉,薛世峰. 应用数学和力学. 2019(04)
[5]海相碎屑岩储层不同尺度微观剩余油分布及赋存状态——以哈得逊油田东河砂岩为例[J]. 余义常,徐怀民,高兴军,江同文,方惠京,孙廷彬. 石油学报. 2018(12)
[6]核磁共振冻融法表征非常规油气储层孔隙的适用性[J]. 刘标,姚素平,胡文瑄,曹剑,解德录. 石油学报. 2017(12)
[7]抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究[J]. 刘嘉英,马刚,周伟,常晓林. 岩土力学. 2017(05)
[8]孔隙填充型深海能源土的离散元成样新方法及宏观力学特性[J]. 贺洁,蒋明镜. 同济大学学报(自然科学版). 2016(05)
[9]颗粒材料微观统计力学研究综述[J]. 姚绪坤,秦建敏. 大连大学学报. 2015(06)
[10]天然气水合物开采方法研究进展[J]. 张旭辉,鲁晓兵,刘乐乐. 地球物理学进展. 2014(02)
本文编号：3379041
【文章来源】：石油学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
抗滚动线性接触模型的组成示意
Μ * =β? R ˉ F nl ???????? ??? (8)抗滚动系数β与颗粒形状有关,又称为颗粒的形状因子,表征颗粒由于形状不规则引起滚动的难易程度,β的取值与颗粒的形状以及表面粗糙度有关。笔者将水合物颗粒半径设置为较小值,忽略了水合物颗粒形状对沉积物力学性质的影响,只是对砂土颗粒之间的接触考虑抗滚动作用,因此抗滚动系数的选取与饱和度并没有关系。由于沉积物内部砂土颗粒的形状并不是完全相同的,这可能导致每个接触之间的抗滚动系数是不同的,从而导致颗粒间计算的繁琐。这里将抗滚动系数取为一个定值,作为所有砂土接触之间抗滚动系数的统计平均值。kr为抗滚动刚度,由颗粒的切向刚度ks和等效半径 R ˉ 计算可得:
综合采用王宏乾等[23]和周博等[24]提出的试样制备方法,笔者提出了考虑砂土颗粒滚动作用的水合物沉积物DEM试样的制备方法,并基于颗粒流软件PFC3D制备了饱和度为10%、20%、30%和40%的水合物沉积物DEM圆柱形试样,试样高为4 mm、直径为2 mm,如图3所示。采用圆球颗粒来模拟水合物颗粒和砂颗粒,粒径范围为0.1～0.4 mm,采用与Toyoura砂土相似的粒径级配曲线(图4),综合模型的计算速度与实际情况,将水合物的粒径选择为0.06 mm。已有研究表明[25-26],在固结排水三轴压缩试验和直剪试验的离散元数值模拟中,颗粒的密度取值对计算结果的影响很小,可以忽略。Vinod等[27]在进行水合物沉积物的离散元模拟中将水合物颗粒与土颗粒密度取为2.0 g/cm3;Jung等[28]开展的水合物沉积物离散元模拟中,水合物颗粒与土颗粒的密度均取为2.65 g/cm3。笔者将土颗粒与水合物密度分别取为2.65 g/cm3和0.32 g/cm3,与从日本南海海槽中钻取的水合物沉积物试样中土体骨架与水合物的密度值相同[29-30]。图4 数值试样与室内试样粒径级配曲线对比
【参考文献】：
期刊论文
[1]天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型[J]. 祝效华,孙汉文,赵金洲,张烈辉,张爽. 石油学报. 2019(09)
[2]基于数字岩心的孔隙尺度砂砾岩水敏微观机理[J]. 李俊键,成宝洋,刘仁静,孟凡乐,刘洋,高亚军,马康,姜汉桥. 石油学报. 2019(05)
[3]颗粒离散元方法中黄土强度参数研究[J]. 同霄,朱兴华,马鹏辉,冷艳秋. 地下空间与工程学报. 2019(02)
[4]水合物沉积物的力学本构模型及参数离散元计算[J]. 周博,王宏乾,王辉,薛世峰. 应用数学和力学. 2019(04)
[5]海相碎屑岩储层不同尺度微观剩余油分布及赋存状态——以哈得逊油田东河砂岩为例[J]. 余义常,徐怀民,高兴军,江同文,方惠京,孙廷彬. 石油学报. 2018(12)
[6]核磁共振冻融法表征非常规油气储层孔隙的适用性[J]. 刘标,姚素平,胡文瑄,曹剑,解德录. 石油学报. 2017(12)
[7]抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究[J]. 刘嘉英,马刚,周伟,常晓林. 岩土力学. 2017(05)
[8]孔隙填充型深海能源土的离散元成样新方法及宏观力学特性[J]. 贺洁,蒋明镜. 同济大学学报(自然科学版). 2016(05)
[9]颗粒材料微观统计力学研究综述[J]. 姚绪坤,秦建敏. 大连大学学报. 2015(06)
[10]天然气水合物开采方法研究进展[J]. 张旭辉,鲁晓兵,刘乐乐. 地球物理学进展. 2014(02)
本文编号：3379041
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shiyounenyuanlunwen/3379041.html
