天然氣水合物沉積物靜動力學(xué)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(dǎo)致儲層強(qiáng)度衰減及儲層變形，進(jìn)而影響到開采工程設(shè)施的安全性，甚至誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。因此，天然氣水合物儲層的力學(xué)特性研究成為天然氣水合物開采面臨的一項(xiàng)重要課題。
　　本文利用天然氣水合物靜、動三軸實(shí)驗(yàn)平臺，針對水合物開采過程中所涉及的力學(xué)問題，對天

2、然氣水合物重塑巖心開展了大量的靜、動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、建立了強(qiáng)度及變形準(zhǔn)則、構(gòu)建了本構(gòu)關(guān)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(shù)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(xué)特性。對比確定了海洋土近似替代材料，證實(shí)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(jìn)行力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)的可行性?？紤]有效圍

3、壓、溫度以及分解時程對水合物分解力學(xué)特性的影響，研究了水合物沉積物分解前后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，提出了適用于水合物沉積物分解的摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，并構(gòu)建了考慮溫度和分解時程的Duncan-Chang本構(gòu)關(guān)系。
　　開展水合物沉積物分解蠕變實(shí)驗(yàn)研究，獲取水合物沉積物分解過程中，起始應(yīng)變、流變起始時間、流變起始應(yīng)變、破壞時間、破壞應(yīng)變等蠕變參數(shù)與圍壓、溫度及應(yīng)力水平的關(guān)系。根據(jù)常應(yīng)力水平下水合物分解的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了考慮水合物分解的應(yīng)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(chǔ)。
　　通過模擬地震荷載作用，首次研究了水合物沉積物動應(yīng)力應(yīng)變、動強(qiáng)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(qiáng)度的影響機(jī)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(dǎo)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(yīng)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(shí)驗(yàn)趨勢相同。
　　基于動三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在粘彈性本構(gòu)模型框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合水合物沉積物動力學(xué)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(xué)特性的粘彈性本構(gòu)模型。通過對比分