天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性研究.pdf

1、天然氣水合物作為一種重要的新能源，因其在世界范圍內(nèi)分布廣、儲(chǔ)量大，引起世界各國包括我國政府在內(nèi)的高度關(guān)注。天然氣水合物勘探和開發(fā)可能會(huì)引起海底滑坡、井壁坍塌、工程結(jié)構(gòu)物破壞以及甲烷氣體泄漏等災(zāi)害。本文針對(duì)上述過程涉及的天然氣水合物儲(chǔ)層力學(xué)問題，開展了實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研究，以期為天然氣水合物安全開采提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。
　　根據(jù)天然氣水合物穩(wěn)定存在的低溫、高壓特點(diǎn)，研制了一套專用的TAW-60低溫、高壓水合物三軸儀，以

2、及與之配套的壓力晶析制樣裝置。采用混合制樣法制備天然氣水合物沉積物試樣，實(shí)驗(yàn)研究了溫度、圍壓、水合物含量等對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性的影響。首次發(fā)現(xiàn)了高圍壓條件下凍土區(qū)天然氣水合物沉積物和含冰粉天然氣水合物強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，獲得了凍土區(qū)天然氣水合物沉積物的剪切強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，提出了分段線性強(qiáng)度準(zhǔn)則和高圍壓條件下的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則，驗(yàn)證了高圍壓條件下修正Duncan-Chang模型對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物沉積物的適用性

3、。
　　利用日本山口大學(xué)溫控、高壓水合物三軸儀，采用原位生成法制備天然氣水合物沉積物試樣。系統(tǒng)分析了不同荷載條件下，注熱開采與降壓開采過程對(duì)海底天然氣水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性的影響。研究表明，當(dāng)天然氣水合物沉積物承受的荷載大于分解后沉積物的強(qiáng)度時(shí)，注熱開采會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物儲(chǔ)層的破壞，降壓開采不會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物儲(chǔ)層的破壞，而水壓回復(fù)過程則有可能造成儲(chǔ)層的破壞。研究了氣飽和天然氣水合物沉積物及CO2水合物沉積物的強(qiáng)度及變形特性，詳細(xì)分析了

4、溫度、孔隙壓力、有效圍壓、水合物飽和度等對(duì)其力學(xué)特性的影響，并與水飽和天然氣水合物沉積物進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)相同條件下氣飽和天然氣水合物沉積物的強(qiáng)度、剛度、體積變形均大于水飽和天然氣水合物沉積物，且氣飽和天然氣水合物沉積物呈現(xiàn)出更明顯的剪脹和應(yīng)變軟化現(xiàn)象。證實(shí)了在一定溫度、壓力條件下，采用CO2置換法開采天然氣水合物在力學(xué)穩(wěn)定性上是可行的。
　　基于大量實(shí)驗(yàn)研究獲得的天然氣水合物沉積物應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，在修正劍橋模型(Modified C