有效確定含天然氣水合物（以下簡稱水合物）沉積物的工程力學(xué)特性并厘清其隨水合物分解過程的變化規(guī)律,是實現(xiàn)水合物安全、高效開采的前提和保證。為此,圍繞水合物開采過程所涉及的關(guān)鍵土力學(xué)問題,從物理力學(xué)特性的關(guān)鍵測試技術(shù)、沉積物的力學(xué)特性、含水合物沉積物的物理力學(xué)模型、水合物開采過程土力學(xué)多場耦合數(shù)值模擬等方面,分析和評述了國內(nèi)外最新相關(guān)研究現(xiàn)狀、存在的缺陷與不足,進而探討了上述研究方向未來的發(fā)展趨勢。結(jié)論認為,盡管經(jīng)過20多年來的發(fā)展,有關(guān)水合物開采的理論、方法和技術(shù)均取得了顯著的進展,但從巖土力學(xué)的角度來看,目前仍然面臨著以下挑戰(zhàn):①大尺度含水合物沉積物試樣的人工制備;②含水合物沉積物微細觀組構(gòu)的精細探測與定量表征;③組構(gòu)變化對含水合物沉積物力學(xué)特性的影響機理與規(guī)律;④開采擾動下,流沙發(fā)生的條件及對儲層穩(wěn)定性的影響機制;⑤開采擾動下,多相多組分含水合物儲層的多過程耦合問題;⑥水合物分解/生成條件下,含水合物沉積物的本構(gòu)響應(yīng);⑦有關(guān)水合物開采過程數(shù)學(xué)模型的適定性問題;⑧高效穩(wěn)定的水合物開采過程數(shù)值模型的全耦合解法。 

【文章來源】：天然氣工業(yè). 2020,40(08)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：17 頁

【部分圖文】：

含水合物土直剪儀的結(jié)構(gòu)示意圖[56-57]

小應(yīng)變剛度指的是應(yīng)變?yōu)?0-5～10-8情況下試樣的變形模量或剪切模量，聲波探測是研究試樣小應(yīng)變剛度的有效方法。Lee等[81]在砂土、粉土和黏土中形成THF水合物，通過測試試樣的P波和S波研究了小應(yīng)變剛度特性。其試驗結(jié)果表明，含水合物沉積物的P波和S波受水合物飽和度、有效應(yīng)力和沉積物比表面積的影響顯著。由于水合物的膠結(jié)和填充作用，含水合物沉積物的小應(yīng)變體積模量和剪切模量會隨著水合物增大呈現(xiàn)明顯的上升趨勢[82-84]。Pries等[84]采用“富氣法”和“富水法”分別制備含水合物砂土試樣，發(fā)現(xiàn)兩種試樣顯示明顯不同的波速響應(yīng)。對于“富氣法”形成試樣，水合物主要起到膠結(jié)作用，少量的水合物就可以明顯提高含水合物沉積物的剛度；而“富水法”形成試樣，水合物主要填充于孔隙中，只有當(dāng)水合物達到一定含量時，水合物賦存模式從填充型轉(zhuǎn)變?yōu)槌至w型，含水合物沉積物的剛度才能得以提升。這一結(jié)論在Choi等[34,82]所進行的實驗室中也得到了驗證。可見，水合物含量及賦存模式對沉積物的小應(yīng)變（10-5～10-8）剛度具有顯著的影響[9-11,85]�；谒衔锖考百x存模式對含水合物沉積物試樣的小應(yīng)變剛度的影響機制，研究人員針對于不同水合物賦存模式建立了預(yù)測含水合物沉積物波速的理論模型，通過測定剪切波速、壓縮波速與水合物飽和度關(guān)系來綜合判別沉積物中水合物的賦存模式[86-87]。這種水合物賦存模式的識別方法目前已得到一定程度的應(yīng)用[34,88-90]。

近年來，Wei[96]基于多孔材料的連續(xù)介質(zhì)理論建立了能考慮骨架與孔隙溶液之間復(fù)雜物理化學(xué)作用的多相巖土介質(zhì)化學(xué)—力學(xué)耦合理論，并提出了能考慮滲透、毛細管、吸附等效應(yīng)的孔隙溶液各組分化學(xué)勢的一般數(shù)學(xué)表達式。在此基礎(chǔ)上，Zhou等[97]建立了能夠考慮復(fù)雜物理化學(xué)效應(yīng)的水合物相平衡方程，該方程給出了平衡溫度偏移量與毛細管吸力和鹽溶液濃度的關(guān)系，揭示了沉積物持水特性與相平衡條件的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)合所提出的相平衡方程和沉積物的持水特征曲線，進而提出了水合特征曲線（SHCC）的概念，即含水合物沉積物中液態(tài)水含量與平衡溫度偏移量的關(guān)系曲線。在p—T—w三維空間中（w為液態(tài)水含量），SHCC描述了沉積物中水合物的相邊界。如圖3所示，對于任意指定的水合物沉積物，在平衡時含水合物沉積物中的溫度、壓力和液態(tài)水之間存在唯一關(guān)系，這與實驗觀測結(jié)果是完全一致的。該模型克服了傳統(tǒng)水合物相平衡模型不能預(yù)測任意平衡的溫度和壓力下沉積物中液態(tài)水含量問題，不僅形式簡單（沒有涉及微觀參數(shù)），而且還能綜合考慮鹽分、毛細管以及物理化學(xué)吸附的影響。3.2 含水合物沉積物水力模型

【參考文獻】：
期刊論文
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[10]氣飽和含CO2水合物砂的三軸壓縮試驗[J]. 陳合龍,韋昌富,田慧會,魏厚振.  巖土力學(xué). 2018(07)

博士論文
[1]天然氣水合物地層井壁穩(wěn)定性研究[D]. 寧伏龍.中國地質(zhì)大學(xué) 2005



本文編號：3616449