泥質(zhì)粉砂沉積物—天然氣水合物混合體系的力學特性
發(fā)布時間：2021-08-31 03:08
天然氣水合物開采過程中,厘清儲層力學參數(shù)的演化特征是進行工程地質(zhì)風險評估的基礎,但目前針對中國南海含天然氣水合物泥質(zhì)粉砂儲層力學性質(zhì)評價與測試相關研究的報道卻鮮見。為此,以南海北部神弧海域W18/19礦體天然氣水合物頂界沉積物為研究對象,用四氫呋喃（THF）水合物代替天然氣水合物,以此來探討泥質(zhì)粉砂沉積物—天然氣水合物混合體系的力學參數(shù)演化特征。研究結果表明:①在低質(zhì)量豐度條件（小于等于16.7%）下泥質(zhì)粉砂沉積物—天然氣水合物混合體系呈現(xiàn)應變硬化破壞特征,抗剪強度、切線模量、內(nèi)聚力隨著水合物含量的增大而增大;②純天然氣水合物的應力—應變曲線表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征,與低豐度條件下的泥質(zhì)粉砂沉積物—天然氣水合物混合體系破壞特征截然不同。進而提出了采用豐度（質(zhì)量豐度或體積豐度）代替原有的砂質(zhì)沉積物中飽和度概念來表征天然氣水合物含量的建議,在考慮天然氣水合物合成結束后泥質(zhì)粉砂沉積物含水率影響的基礎上,將泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物—沉積物混合體系劃分為純沉積物、含天然氣水合物沉積物、含沉積物天然氣水合物和純天然氣水合物4種基本類型,以克服目前針對含天然氣水合物泥質(zhì)粉砂儲層力學性質(zhì)研究中所存在的不...
【文章來源】：天然氣工業(yè). 2020,40(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
含水合物沉積物三軸儀流程圖[16]
根據(jù)Liu等[32]、Lei等[17]的結論，泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物合成將會排擠置換原有沉積物顆粒，形成脈狀、透鏡體狀等非連續(xù)、非均質(zhì)體系，原有沉積物孔隙結構完全破壞，在泥質(zhì)粉砂微孔中沒有明顯的水合物顯示。因此，筆者采用平均質(zhì)量豐度（Rmh）來指示沉積物中的水合物含量，其定義為：單位質(zhì)量的沉積物—水合物混合體系中，水合物所占的質(zhì)量百分比，即式中Rmh表示水合物—沉積物混合體系中水合物的質(zhì)量豐度；ms、mwf、mh、mTHF分別表示水合物—沉積物混合體系中沉積物、殘余孔隙水、水合物、水合物反應所需THF的質(zhì)量，g;MTHF、Mh、分別表示THF、THF水合物和水的摩爾質(zhì)量，g/mol;Rmw表示殘余含水率，即當THF完全反應后，剩余的孔隙水含量占水合物沉積物體系總質(zhì)量的百分比；Rms表示水合物—沉積物混合體系中沉積物所占的質(zhì)量百分比。
上述應力—應變曲線特征與Yun等[40]基于含THF水合物松散高嶺土獲得的應力—應變關系變形規(guī)律類似（圖3-a）。為便于描述，將這種存在明顯拐點的應力—應變曲線稱為雙線性變形，其中第一線性段對應的軸向變形約為1%，第二線性段軸向變形介于1.5%～15.0%，軸向變形介于1.0%～1.5%，為兩個線性段的過渡期。雙線性應力—應變曲線特征可能反映了沉積物內(nèi)部雙重介質(zhì)特征，以水合物在沉積物中呈透鏡體狀分布條件下的可能變形破壞特征為例（圖4）。其中圖4-a為實際泥質(zhì)粉砂沉積物中THF水合物脈狀賦存狀態(tài)的X-CT掃描結果[32]，圖4-b為無軸向加載條件下泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物透鏡體伸展狀態(tài)。在三軸加載作用下，沿豎向定向排布的水合物透鏡體會向最小主應力方向翻轉(zhuǎn)，水合物透鏡體發(fā)生方位重整，翻轉(zhuǎn)嵌入到沉積物中，同時沉積物被壓密（圖4-c），因此沉積物整體呈現(xiàn)出應變硬化特征。然而，受當前剪切軸向應變極限通用做法的制約，在應變硬化條件下目前通常認為軸向應變達到15%以后不再繼續(xù)觀察后續(xù)變化特征，因此15%的應變量可能不足以排除進一步壓縮狀態(tài)下水合物透鏡體及沉積物內(nèi)部可能的變形行為（圖4-d），這將在后文中作進一步的討論。2.2 抗剪強度與切線模量
【參考文獻】：
期刊論文
[1]海域天然氣水合物開采增產(chǎn)理論與技術體系展望[J]. 吳能友,李彥龍,萬義釗,孫建業(yè),黃麗,毛佩筱. 天然氣工業(yè). 2020(08)
[2]基于原子力顯微鏡的四氫呋喃水合物微觀力學測試[J]. 彭力,李維,寧伏龍,劉志超,張準,歐文佳,張凌,孫嘉鑫,蔣國盛,程萬,田紅. 中國科學:技術科學. 2020(01)
[3]天然氣水合物開采儲層出砂研究進展與思考[J]. 寧伏龍,方翔宇,李彥龍,竇曉峰,王林杰,劉志超,羅強,孫嘉鑫,趙穎杰,張準,劉天樂,張凌,蔣國盛. 地質(zhì)科技通報. 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區(qū)塊水合物上覆層水平滲透系數(shù)分布[J]. 李彥龍,陳強,胡高偉,馬廷雷,吳能友,劉昌嶺. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì). 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圖像法觀測不同粒徑多孔介質(zhì)中水合物分布[J]. 李晨安,李承峰,劉昌嶺,邢蘭昌. 核電子學與探測技術. 2018(04)
[8]南海神狐海域天然氣水合物降壓開采過程中儲層的穩(wěn)定性[J]. 萬義釗,吳能友,胡高偉,辛欣,金光榮,劉昌嶺,陳強. 天然氣工業(yè). 2018(04)
[9]X-CT法研究砂巖中甲烷水合物動態(tài)分布規(guī)律[J]. 李晨安,李承峰,劉昌嶺,邢蘭昌,李彥龍,孟慶國. 核電子學與探測技術. 2018(02)
[10]水合物分解區(qū)地層砂粒啟動運移臨界流速計算模型[J]. 劉浩伽,李彥龍,劉昌嶺,董長銀,吳能友,孫建業(yè). 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì). 2017(05)
本文編號：3374061
【文章來源】：天然氣工業(yè). 2020,40(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
含水合物沉積物三軸儀流程圖[16]
根據(jù)Liu等[32]、Lei等[17]的結論，泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物合成將會排擠置換原有沉積物顆粒，形成脈狀、透鏡體狀等非連續(xù)、非均質(zhì)體系，原有沉積物孔隙結構完全破壞，在泥質(zhì)粉砂微孔中沒有明顯的水合物顯示。因此，筆者采用平均質(zhì)量豐度（Rmh）來指示沉積物中的水合物含量，其定義為：單位質(zhì)量的沉積物—水合物混合體系中，水合物所占的質(zhì)量百分比，即式中Rmh表示水合物—沉積物混合體系中水合物的質(zhì)量豐度；ms、mwf、mh、mTHF分別表示水合物—沉積物混合體系中沉積物、殘余孔隙水、水合物、水合物反應所需THF的質(zhì)量，g;MTHF、Mh、分別表示THF、THF水合物和水的摩爾質(zhì)量，g/mol;Rmw表示殘余含水率，即當THF完全反應后，剩余的孔隙水含量占水合物沉積物體系總質(zhì)量的百分比；Rms表示水合物—沉積物混合體系中沉積物所占的質(zhì)量百分比。
上述應力—應變曲線特征與Yun等[40]基于含THF水合物松散高嶺土獲得的應力—應變關系變形規(guī)律類似（圖3-a）。為便于描述，將這種存在明顯拐點的應力—應變曲線稱為雙線性變形，其中第一線性段對應的軸向變形約為1%，第二線性段軸向變形介于1.5%～15.0%，軸向變形介于1.0%～1.5%，為兩個線性段的過渡期。雙線性應力—應變曲線特征可能反映了沉積物內(nèi)部雙重介質(zhì)特征，以水合物在沉積物中呈透鏡體狀分布條件下的可能變形破壞特征為例（圖4）。其中圖4-a為實際泥質(zhì)粉砂沉積物中THF水合物脈狀賦存狀態(tài)的X-CT掃描結果[32]，圖4-b為無軸向加載條件下泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物透鏡體伸展狀態(tài)。在三軸加載作用下，沿豎向定向排布的水合物透鏡體會向最小主應力方向翻轉(zhuǎn)，水合物透鏡體發(fā)生方位重整，翻轉(zhuǎn)嵌入到沉積物中，同時沉積物被壓密（圖4-c），因此沉積物整體呈現(xiàn)出應變硬化特征。然而，受當前剪切軸向應變極限通用做法的制約，在應變硬化條件下目前通常認為軸向應變達到15%以后不再繼續(xù)觀察后續(xù)變化特征，因此15%的應變量可能不足以排除進一步壓縮狀態(tài)下水合物透鏡體及沉積物內(nèi)部可能的變形行為（圖4-d），這將在后文中作進一步的討論。2.2 抗剪強度與切線模量
【參考文獻】：
期刊論文
[1]海域天然氣水合物開采增產(chǎn)理論與技術體系展望[J]. 吳能友,李彥龍,萬義釗,孫建業(yè),黃麗,毛佩筱. 天然氣工業(yè). 2020(08)
[2]基于原子力顯微鏡的四氫呋喃水合物微觀力學測試[J]. 彭力,李維,寧伏龍,劉志超,張準,歐文佳,張凌,孫嘉鑫,蔣國盛,程萬,田紅. 中國科學:技術科學. 2020(01)
[3]天然氣水合物開采儲層出砂研究進展與思考[J]. 寧伏龍,方翔宇,李彥龍,竇曉峰,王林杰,劉志超,羅強,孫嘉鑫,趙穎杰,張準,劉天樂,張凌,蔣國盛. 地質(zhì)科技通報. 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區(qū)塊水合物上覆層水平滲透系數(shù)分布[J]. 李彥龍,陳強,胡高偉,馬廷雷,吳能友,劉昌嶺. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì). 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圖像法觀測不同粒徑多孔介質(zhì)中水合物分布[J]. 李晨安,李承峰,劉昌嶺,邢蘭昌. 核電子學與探測技術. 2018(04)
[8]南海神狐海域天然氣水合物降壓開采過程中儲層的穩(wěn)定性[J]. 萬義釗,吳能友,胡高偉,辛欣,金光榮,劉昌嶺,陳強. 天然氣工業(yè). 2018(04)
[9]X-CT法研究砂巖中甲烷水合物動態(tài)分布規(guī)律[J]. 李晨安,李承峰,劉昌嶺,邢蘭昌,李彥龍,孟慶國. 核電子學與探測技術. 2018(02)
[10]水合物分解區(qū)地層砂粒啟動運移臨界流速計算模型[J]. 劉浩伽,李彥龍,劉昌嶺,董長銀,吳能友,孫建業(yè). 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì). 2017(05)
本文編號：3374061
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/shiyounenyuanlunwen/3374061.html
教材專著
