因其清潔無污染且儲量巨大,天然水合物被認(rèn)為是21世紀(jì)重要的戰(zhàn)略資源。為有效考慮水合物沉積物中由于不規(guī)則的顆粒形狀對宏觀響應(yīng)產(chǎn)生的影響,在離散元數(shù)值模擬中引入抗?jié)L動(dòng)線性接觸模型,對抗?jié)L動(dòng)系數(shù)為0、0.2、0.4、0.6、0.8以及不同飽和度（10%、20%、30%、40%）的水合物沉積物數(shù)值試樣進(jìn)行了20組常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),探究了抗?jié)L動(dòng)作用對水合物沉積物的宏觀力學(xué)特性的影響及微觀作用機(jī)理。研究結(jié)果表明:抗?jié)L動(dòng)作用可以有效提高水合物沉積物的宏觀強(qiáng)度和剪脹程度,但是抗?jié)L動(dòng)作用對于強(qiáng)度和剪脹的促進(jìn)作用并不會無限增大,而是存在一個(gè)臨界值,大于臨界值之后,抗?jié)L動(dòng)作用對宏觀力學(xué)特性的影響越來越小。這是由水合物沉積物內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演化決定的:抗?jié)L動(dòng)系數(shù)的增大,雖然配位數(shù)降低,孔隙率有所增加,但顆粒的平均接觸力將會隨之增大,內(nèi)部形成貫穿試樣的強(qiáng)力鏈,從而使沉積物體系更加穩(wěn)定,而當(dāng)抗?jié)L動(dòng)系數(shù)增大至特定值時(shí),平均接觸力、配位數(shù)以及孔隙率受到抗?jié)L動(dòng)作用的影響逐漸減小,從而使水合物沉積物的宏觀力學(xué)特性受到抗?jié)L動(dòng)作用的影響也會越來越小。 

【文章來源】：石油學(xué)報(bào). 2020,41(07)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

抗?jié)L動(dòng)線性接觸模型的組成示意

Μ * =β? R ˉ F nl ???????? ??? (8)抗?jié)L動(dòng)系數(shù)β與顆粒形狀有關(guān),又稱為顆粒的形狀因子,表征顆粒由于形狀不規(guī)則引起滾動(dòng)的難易程度,β的取值與顆粒的形狀以及表面粗糙度有關(guān)。筆者將水合物顆粒半徑設(shè)置為較小值,忽略了水合物顆粒形狀對沉積物力學(xué)性質(zhì)的影響,只是對砂土顆粒之間的接觸考慮抗?jié)L動(dòng)作用,因此抗?jié)L動(dòng)系數(shù)的選取與飽和度并沒有關(guān)系。由于沉積物內(nèi)部砂土顆粒的形狀并不是完全相同的,這可能導(dǎo)致每個(gè)接觸之間的抗?jié)L動(dòng)系數(shù)是不同的,從而導(dǎo)致顆粒間計(jì)算的繁瑣。這里將抗?jié)L動(dòng)系數(shù)取為一個(gè)定值,作為所有砂土接觸之間抗?jié)L動(dòng)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值。kr為抗?jié)L動(dòng)剛度,由顆粒的切向剛度ks和等效半徑 R ˉ 計(jì)算可得:

綜合采用王宏乾等[23]和周博等[24]提出的試樣制備方法,筆者提出了考慮砂土顆粒滾動(dòng)作用的水合物沉積物DEM試樣的制備方法,并基于顆粒流軟件PFC3D制備了飽和度為10%、20%、30%和40%的水合物沉積物DEM圓柱形試樣,試樣高為4 mm、直徑為2 mm,如圖3所示。采用圓球顆粒來模擬水合物顆粒和砂顆粒,粒徑范圍為0.1～0.4 mm,采用與Toyoura砂土相似的粒徑級配曲線(圖4),綜合模型的計(jì)算速度與實(shí)際情況,將水合物的粒徑選擇為0.06 mm。已有研究表明[25-26],在固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)的離散元數(shù)值模擬中,顆粒的密度取值對計(jì)算結(jié)果的影響很小,可以忽略。Vinod等[27]在進(jìn)行水合物沉積物的離散元模擬中將水合物顆粒與土顆粒密度取為2.0 g/cm3;Jung等[28]開展的水合物沉積物離散元模擬中,水合物顆粒與土顆粒的密度均取為2.65 g/cm3。筆者將土顆粒與水合物密度分別取為2.65 g/cm3和0.32 g/cm3,與從日本南海海槽中鉆取的水合物沉積物試樣中土體骨架與水合物的密度值相同[29-30]。圖4 數(shù)值試樣與室內(nèi)試樣粒徑級配曲線對比

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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