天然氣水合物沉積物靜動力學特性研究.pdf

1、天然氣水合物廣泛分布于全球大陸外邊緣和永久凍土帶，儲量巨大，是有望替代傳統(tǒng)化石燃料的新一代清潔能源。然而，天然氣水合物是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，開采過程中，溫度與壓力變化引起水合物儲層結(jié)構(gòu)變化，導致儲層強度衰減及儲層變形，進而影響到開采工程設施的安全性，甚至誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災害。因此，天然氣水合物儲層的力學特性研究成為天然氣水合物開采面臨的一項重要課題。
　　本文利用天然氣水合物靜、動三軸實驗平臺，針對水合物開采過程中所涉及的力學問題，對天

2、然氣水合物重塑巖心開展了大量的靜、動力學實驗研究、建立了強度及變形準則、構(gòu)建了本構(gòu)關系，為天然氣水合物儲層穩(wěn)定性評價提供了理論依據(jù)和技術方法。主要工作如下:
　　針對海洋天然氣水合物成藏高壓、低溫條件，基于國內(nèi)首臺大型DDW-600天然氣水合物高壓、低溫動三軸儀，國內(nèi)率先研究并分析了我國海洋土水合物沉積物力學特性。對比確定了海洋土近似替代材料，證實了用近似材料高嶺土代替我國南海水合物儲層巖心材料進行力學特性實驗的可行性。考慮有效圍

3、壓、溫度以及分解時程對水合物分解力學特性的影響，研究了水合物沉積物分解前后應力應變關系，提出了適用于水合物沉積物分解的摩爾-庫倫強度準則，并構(gòu)建了考慮溫度和分解時程的Duncan-Chang本構(gòu)關系。
　　開展水合物沉積物分解蠕變實驗研究，獲取水合物沉積物分解過程中，起始應變、流變起始時間、流變起始應變、破壞時間、破壞應變等蠕變參數(shù)與圍壓、溫度及應力水平的關系。根據(jù)常應力水平下水合物分解的實驗結(jié)果，建立了考慮水合物分解的應變勢模型

4、，描述了水合物分解蠕變變形特性，為模擬載荷作用下水合物分解對海底結(jié)構(gòu)物及地層長期穩(wěn)定性影響提供了理論基礎。
　　通過模擬地震荷載作用，首次研究了水合物沉積物動應力應變、動強度與圍壓、溫度、孔隙度等因素的相互作用規(guī)律。揭示了溫度及孔隙度對沉積物動強度的影響機理:溫度升高顯著降低水合物沉積物動粘聚力和動內(nèi)摩擦角，孔隙度增加導致動內(nèi)摩擦角降低。此外，水合物沉積物動模量研究表明:水合物沉積物最大動彈性模量隨圍壓的增加而增加，隨溫度或動應變

5、的增加而降低;孔隙度越低，水合物沉積物最大動彈性模量越大。提取得到不同圍壓條件下的水合物沉積物骨架曲線，分析表明水合物沉積物骨架曲線的整體形態(tài)與靜壓縮實驗趨勢相同。
　　基于動三軸實驗數(shù)據(jù)，在粘彈性本構(gòu)模型框架的基礎上，結(jié)合水合物沉積物動力學特性，考慮溫度、壓力對動模量衰減以及阻尼比的影響，并引入到模型參數(shù)E和λ中，修正了傳統(tǒng)的粘彈性本構(gòu)模型中動彈性模量與動阻尼比的公式，提出了描述水合物沉積物動力學特性的粘彈性本構(gòu)模型。通過對比分