發(fā)布時間：2017-12-24 17:40

  本文關鍵詞：考慮水合物分解影響的沉積物力學行為數(shù)值模擬研究　出處：《大連理工大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 水合物開采 力學行為 水合物分解 本構模型 多場耦合

【摘要】：天然氣水合物又稱可燃冰,作為一種潛在的清潔能源已引起世界各國的廣泛關注。我國在南海已探明儲量巨大的天然氣水合物資源,目前已進入試采的關鍵時期。國際上的可燃冰試采,多是采用降壓、注熱、使用抑制劑等方法,將固體可燃冰分解成天然氣和水,然后對天然氣進行采集。然而,可燃冰的開采會影響沉積層力學行為,進而有可能誘發(fā)地層沉降和邊坡滑移等地質災害,并由此可能導致工程設施破壞。因此,可燃冰開采對地層環(huán)境的影響和潛在誘發(fā)的地質災害,是目前關切的重大安全問題。分析開采對水合物沉積層的力學行為的影響,揭示沉積層失穩(wěn)機理,對水合物沉積層安全評價具有重要理論和現(xiàn)實意義。數(shù)值分析、現(xiàn)場數(shù)據(jù)和室內試驗相結合的方法是分析水合物沉積層力學行為的有效手段。為了進行水合物沉積層力學行為的數(shù)值模擬,需要深入分析天然氣水合物沉積物的力學特性,建立本構方程和多場耦合計算模型。本文在分析和總結前人開展水合物沉積物力學特性研究的基礎上,基于能量耗散理論和臨界狀態(tài)的概念,建立了能夠描述水合物對沉積物力學特性影響的本構模型。并考慮多相介質的多場耦合作用,建立了水合物沉積物的熱-滲流-變形-相變多場耦合模型。從而針對水合物開采過程中,水合物分解對沉積層物理力學行為的影響展開模擬。主要研究內容及成果包括:1.將水合物力學飽和度的概念引入到本構模型中,建立了力學飽和度與Drucker-Prager屈服面之間的關系。同時,模型考慮了摩擦角和粘聚力的等效塑性應變硬化。通過對比Miyazaki的三軸試驗數(shù)據(jù),證明該模型可以準確地描述水合物沉積物在不同圍壓和不同飽和度條件下的應力-應變關系。2.基于能量耗散理論,建立水合物沉積物的臨界狀態(tài)模型,描述水合物沉積物的應力-應變關系與剪脹特性。相對于傳統(tǒng)的臨界狀態(tài)模型,非關聯(lián)流動法則可以直接由耗散函數(shù)導出,模型自動滿足熱力學第二定律。通過引入描述屈服面形狀和大小的模型參數(shù),使模型可以分析非橢圓屈服面對應力-應變關系和剪脹關系的影響,打破傳統(tǒng)臨界狀態(tài)模型中屈服面剪脹和剪縮部分必須相等的限制,證明模型在描述非橢圓屈服面方面具有優(yōu)勢。提出并編寫了針對水合物沉積物本構關系的返回映射算法,并將計算結果與Masui,Hyodo等人的三軸試驗數(shù)據(jù)進行對比,驗證了模型的準確性。3.基于有限元方法,分析了溫度場、壓力場和相變之間的耦合機理,推導了多場耦合控制方程及其弱形式。同時,將水合物沉積物的臨界狀態(tài)模型嵌入到多場耦合模型中,并應用有限元方法,實現(xiàn)了水合物沉積物在多場耦合作用下的應力與變形計算。通過與Masuda的實驗結果以及TOUGH、FLAC、STARTS等商用軟件的計算結果進行對比,證明模型可以準確的描述降壓和注熱對水合物分解產氣的影響。通過模擬不同降壓和升溫條件下的分解產氣問題,表明采用降壓和注熱聯(lián)合開采方式比單獨開采方式更能有效的提高水合物分解速率。通過分析開采過程中水合物沉積層的力學行為,表明該力學行為受到水合物開采方式的影響。該結論對開采方案的設計具有重要意義。4.模擬并分析鉆井產熱和水合物降壓開采對開采井附近沉積層的影響,研究了水合物分布不均的條件下,鉆井升溫和降壓開采引起的地層變形和應力分布規(guī)律。不同地層在相同升溫或降壓條件下,會表現(xiàn)出不同的力學行為。對于含水合物的沉積層,水合物分解會導致應力釋放和較大的體積收縮。同時,水合物分解還會提高流體滲透性,加速了熱對流。對于不含水合物的沉積層,其應力和變形會受到含水合物層變形的影響。不同沉積層表現(xiàn)出來的不同力學行為,引起了整體地層變形和應力的分布不均。此研究成果可以作為井區(qū)穩(wěn)定性分析的基礎。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TE37;P694

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本文編號：1329355