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

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【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(guó)的廣泛關(guān)注。我國(guó)在南海已探明儲(chǔ)量巨大的天然氣水合物資源,目前已進(jìn)入試采的關(guān)鍵時(shí)期。國(guó)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(duì)天然氣進(jìn)行采集。然而,可燃冰的開采會(huì)影響沉積層力學(xué)行為,進(jìn)而有可能誘發(fā)地層沉降和邊坡滑移等地質(zhì)災(zāi)害,并由此可能導(dǎo)致工程設(shè)施破壞。因此,可燃冰開采對(duì)地層環(huán)境的影響和潛在誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害,是目前關(guān)切的重大安全問題。分析開采對(duì)水合物沉積層的力學(xué)行為的影響,揭示沉積層失穩(wěn)機(jī)理,對(duì)水合物沉積層安全評(píng)價(jià)具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法是分析水合物沉積層力學(xué)行為的有效手段。為了進(jìn)行水合物沉積層力學(xué)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(xué)特性,建立本構(gòu)方程和多場(chǎng)耦合計(jì)算模型。本文在分析和總結(jié)前人開展水合物沉積物力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)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(duì)沉積物力學(xué)特性影響的本構(gòu)模型。并考慮多相介質(zhì)的多場(chǎng)耦合作用,建立了水合物沉積物的熱-滲流-變形-相變多場(chǎng)耦合模型。從而針對(duì)水合物開采過程中,水合物分解對(duì)沉積層物理力學(xué)行為的影響展開模擬。主要研究?jī)?nèi)容及成果包括:1.將水合物力學(xué)飽和度的概念引入到本構(gòu)模型中,建立了力學(xué)飽和度與Drucker-Prager屈服面之間的關(guān)系。同時(shí),模型考慮了摩擦角和粘聚力的等效塑性應(yīng)變硬化。通過對(duì)比Miyazaki的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù),證明該模型可以準(zhǔn)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與剪脹特性。相對(duì)于傳統(tǒng)的臨界狀態(tài)模型,非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則可以直接由耗散函數(shù)導(dǎo)出,模型自動(dòng)滿足熱力學(xué)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(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和剪脹關(guān)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(shì)。提出并編寫了針對(duì)水合物沉積物本構(gòu)關(guān)系的返回映射算法,并將計(jì)算結(jié)果與Masui,Hyodo等人的三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。3.基于有限元方法,分析了溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和相變之間的耦合機(jī)理,推導(dǎo)了多場(chǎng)耦合控制方程及其弱形式。同時(shí),將水合物沉積物的臨界狀態(tài)模型嵌入到多場(chǎng)耦合模型中,并應(yīng)用有限元方法,實(shí)現(xiàn)了水合物沉積物在多場(chǎng)耦合作用下的應(yīng)力與變形計(jì)算。通過與Masuda的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及TOUGH、FLAC、STARTS等商用軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,證明模型可以準(zhǔn)確的描述降壓和注熱對(duì)水合物分解產(chǎn)氣的影響。通過模擬不同降壓和升溫條件下的分解產(chǎn)氣問題,表明采用降壓和注熱聯(lián)合開采方式比單獨(dú)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(xué)行為,表明該力學(xué)行為受到水合物開采方式的影響。該結(jié)論對(duì)開采方案的設(shè)計(jì)具有重要意義。4.模擬并分析鉆井產(chǎn)熱和水合物降壓開采對(duì)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(yīng)力分布規(guī)律。不同地層在相同升溫或降壓條件下,會(huì)表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為。對(duì)于含水合物的沉積層,水合物分解會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力釋放和較大的體積收縮。同時(shí),水合物分解還會(huì)提高流體滲透性,加速了熱對(duì)流。對(duì)于不含水合物的沉積層,其應(yīng)力和變形會(huì)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(xué)行為,引起了整體地層變形和應(yīng)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(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE37;P694

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本文編號(hào)：1329355