作為石化燃料的潛在替代品,天然氣水合物受到世界范圍內越來越多的科學家的廣泛關注。然而,天然氣水合物開采會影響到完整的地質構造和開采工程設施等的穩(wěn)定性,容易引發(fā)海底滑坡、海嘯等自然災害。因此,水合物及沉積層的基礎力學特性研究對天然氣的商業(yè)化開采具有重要意義。 本文主要進行了以下研究工作： 研制了適用于天然氣水合物的低溫高壓三軸實驗儀,并在實驗室條件下模擬和控制水合物穩(wěn)定存在條件。同時研制了壓力析晶制樣裝置,壓縮制成三軸實驗所需的原位條件下水合物及其沉積物試樣。 利用新開發(fā)的水合物三軸試驗儀,測量含冰甲烷水合物的在不同溫度、圍壓和應變速率下的力學特性。分析了圍壓、溫度和應變速率對破壞強度、變形模量和強度參數(shù)的影響。結果表明,含冰水合物的破壞強度隨著圍壓和應變速率的增加而增加,并且隨著溫度的降低而增加。通過摩爾庫倫準則分析發(fā)現(xiàn)破壞強度的變化主要是受到內聚力的影響,內聚力隨溫度的降低而顯著增加。 依據含冰甲烷水合物試樣的三軸壓縮試驗結果,分析了起始屈服應變、起始屈服強度、起始屈服模量、初始變形模量、極限偏應力和破壞比隨圍壓和溫度變化的關系。研究發(fā)現(xiàn)起始屈服應變、起始屈服強度、初始變形模量和極限偏主應力均隨圍壓的增加和溫度的降低而增加；起始屈服模量僅受溫度影響；并在Duncan-Chang模型基礎上,加入了損傷比和溫度參數(shù),建立了適用于含冰甲烷水合物的本構模型。 利用天然粘土和含冰甲烷水合物制成人工水合物粘土沉積物,并測量其在不同溫度、圍壓、應變速率下的力學特性。分析了φ60(孔隙度為60%)甲烷水合物沉積物的強度及其強度參數(shù)與溫度、圍壓和應變速率之間的關系。研究發(fā)現(xiàn)甲烷水合物沉積物的強度隨圍壓的增加而增加,隨溫度的降低而增加,隨應變速率的增加而增加。摩擦角和內聚力隨溫度降低而增加,隨應變速率增加而增加。 利用含冰水合物與粘土的不同配比制成多種孔隙度的水合物沉積物樣品,研究了孔隙度對其應力應變關系、強度和模量的影響。結果表明,沉積物的強度隨孔隙度增加而明顯下降,內聚力隨孔隙度的增加而減小,而內摩擦角基本不變。 依據甲烷水合物沉積物的三軸實驗數(shù)據,在Duncan-Chang模型基礎上,建立了含孔隙度、溫度、圍壓和應變速率參數(shù)的本構模型,適用于甲烷水合物沉積物。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：P744.4
【部分圖文】：

F19圖1.1天然氣水合物分解與海底滑坡示意圖SehematiediagramofsubmarineslideandgashydratedeeomPosition水合物沉積物力學性質方面分析來看，水合物的存在會增加水合物沉積水合物的分解會弱化沉積物中土顆粒之間的粘結作用，引起沉積物骨架架強度，破壞沉積層的穩(wěn)定性。一方面，天然氣水合物分解導致水合物由固態(tài)變成了液態(tài)和氣態(tài)，這會引起沉積物的剪切強度的降低。當天然度較快時，分解出來的天然氣超出了孔隙氣體飽和度，就會引起天然氣，從而進一步降低了沉積物強度;另一方面，水合物分解產生的水和氣孔隙壓力增加。當沉積物中的孔隙水己經達到飽和時，如果水合物繼續(xù)水和氣體的總體積將超過原有水合物自身的體積，從而使沉積物中的孔此，當水合物沉積層的滲透率較低時，水合物的分解會導致沉積層的孔壓力�？傮w來說，水合物的相態(tài)變化、沉積層中的孔隙壓力的增加、沉都可能導致水合物沉積層的強度和結構穩(wěn)定性變弱，從而引起海底滑坡

甲烷水合物及其沉積物的力學特性研究擦角(角 ctionangle)了考慮(見圖1.2)。這些因素也被當做重要的參數(shù)，在他們發(fā)展的模擬軟件模型中都做TOUGH+HYDRATE盯“、— DireCteouPlings一一 IndireeteouPling T.P.S“1扔iMODELB切擬丁卜B五姍分GSE協(xié)IME、15、、畫I產，，，{工\卑卞二且‘抖FLAC3DC二COhesionG二 ShearmodUIUS K=BUlkmodUIUS k=intrinsiePermeabilifyP=PreSSUrePe二 CaPillaryPressureS日 =HydratesaturationT=TemPerature‘=St舊in中=Porosity尸 =Coeffieientof介ietion口，二Effect份 eatreSS圖1.2加州大學伯克利實驗室模擬計算框圖 Fig1.2SimulationdiagramofLawrenceBerkeleyLaboratoryinCaliforniaUniversityRutqvist和Moridis等通過THM模型(Thermal一Hydraulic一 MeehanicalModel)將軟件TOUGH+HYDRATE模擬計算得到的熱力學參數(shù)、水力學參數(shù)(滲透率，毛細壓力，孔隙水/氣壓力等)和FLAc3D模擬計算的力學參數(shù)進行了藕合(如圖 1.3)[63]。隨后，Rutqvist和Moridis利用TOUGH+HYDRATE和FLAC3D對 Mallikdeposit以及Mt.ElbertdePosite兩凍土水合物儲層進行了水合物開采模擬研究，獲得沉積層的應力場和強度等力學特性隨時間變化的特征[64]

SE協(xié)IME、15卑卞二且‘抖FLAC3DS日=HydratesaturationT=TemPerature‘=St舊in中=Porosity尸=Coeffieientof介ietion口，二Effect份eatreSS圖1.2加州大學伯克利實驗室模擬計算框圖ig1.2SimulationdiagramofLawrenceBerkeleyLaboratoryinCaliforniaUniversvist和Moridis等通過THM模型(Thermal一Hydraulic一MeehanicalMod+HYDRATE模擬計算得到的熱力學參數(shù)、水力學參數(shù)(滲透率，毛壓力等)和FLAc3D模擬計算的力學參數(shù)進行了藕合(如圖1.3)和Moridis利用TOUGH+HYDRATE和FLAC3D對Mallikdeposit以及兩凍土水合物儲層進行了水合物開采模擬研究，獲得沉積層的應力隨時間變化的特征[64]，165]。結果顯示了確定HBs靜態(tài)和動態(tài)特性關系張可能增加滲透性，從而提高天然氣開采。增加的沉積層剪應力可切恢復，進一步增加開采。
【引證文獻】

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1 聶雄飛;甲烷水合物沉積物單軸強度研究[D];大連理工大學;2012年

本文編號：2876280