考虑赋存模式影响的含水合物沉积物的本构模型研究

水合物含量和水合物赋存模式都会对含水合物沉积物的力学特性产生影响,但目前的本构模型很少考虑水合物赋存模式的影响。在分析水合物赋存模式对含水合物沉积物力学特性影响机制的基础上,提出了采用有效水合物饱和度来描述水合物赋存模式对沉积物力学特性的影响。基于前人建立的含水合物沉积物的统计损伤本构模型,假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了考虑水合物赋存模式影响的含水合物沉积物的统计损伤本构模型。该模型修正了水合物含量和试验围压对弹性模型的影响关系式,并且建立了模型参数m和F_0与水合物饱和度s_h和试验围压σ_3之间的关系。通过与试验数据的对比,说明该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,反映水合物含量和水合物赋存模式对含水合物沉积物的刚度、强度、应变软化等力学特性的影响规律。     

不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系

环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性存在重要影响,深刻揭示温度和孔隙压力对含水合物沉积物力学特性的影响机制并对其进行有效地模拟是含水合物地层稳定性评估的前提。在分析温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物的力学特性影响机制的基础上,引入温压条件参数来考虑温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物力学特性的影响,建立了考虑温度和孔隙压力影响的损伤本构模型。模型假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了损伤因子的演化规律。此外,还提供了一套模型参数的确定方法。通过一系列不同温度压力条件下的含水合物沉积物的三轴压缩试验结果对模型进行校核和验证,结果表明,该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,并且能较好地考虑水合物含量、环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性的影响。     

不同破坏准则下水合物沉积物的统计损伤模型

利用连续介质损伤力学理论与概率统计方法，假设水合物沉积物微元强度服从Weibull分布，在现有室内三轴和直剪试验数据的基础上，考虑水合物饱和度的影响，分别建立了基于修正Mohr-Coulomb强度准则和修正Lade-Duncan强度准则的水合物沉积物统计损伤本构模型，并将理论模型预测结果与室内试验进行对比，验证了模型的有效性。结果显示：基于Lade-Duncan强度准则的损伤本构模型能够较准确地反映水合物沉积物峰前的应力?应变规律，而基于修正Mohr-Coulomb强度准则的损伤本构模型则对于模拟峰后的应变软化特征有较好的适用性。对于在低有效围压、不同水合物饱和度条件下的水合物沉积物，基于修正Mohr-Coulomb强度准则的损伤本构模型的模拟精确性要优于基于修正Lade-Duncan准则的损伤模型；而在同一饱和度、不同有效围压条件下，基于修正Lade-Duncan强度准则的损伤本构模型的模拟结果则要优于基于修正Mohr-Coulomb强度准则的损伤本构模型。     

含天然气水合物沉积物损伤统计本构模型

水合物含量、有效围压是影响含天然气水合物沉积物力学性质的主要因素,在忽略其他次要因素（包括水合物种类、试样颗粒大小、试验条件等）的情况下,水合物含量和有效围压是决定试样弹性模量的两个关键参数。在分析等效弹性模量与水合物含量相互关系的基础上,考虑有效围压的影响,建立了弹性模量与有效围压的幂函数关系;同时采用Drucker-Prager破坏准则来表示含天然气水合物沉积物微元强度,并假设其微元强度服从Weibull分布,从而建立了含天然气水合物沉积物的损伤统计本构模型,与不同有效围压下的试验结果及已有研究成果相比较,表明了所建模型能够很好地模拟三轴剪切条件下含水合物沉积物试样的应力-应变关系特性。此研究成果可对含天然气水合物沉积物工程性状的数值模拟提供参考。     

层状赋存含水合物沉积物的本构模型研究

推进天然气水合物资源开采是我国能源战略的重要任务。层状赋存形态的含水合物沉积物在目标开采储层中普遍存在,水合物开采引起的沉积物层扰动会直接诱发剪切变形影响储层的稳定性,严重制约水合物资源的安全开采。现有水合物沉积物的本构表征主要基于空间均匀分布、各向同性的材料特征假设,缺少考虑水合物沉积物的强非线性力学特性受层状赋存形态影响的本构表征方法,无法准确预测目标开采储层的应力-应变规律。本文采用均匀化理论,基于每层沉积物的弹塑性刚度矩阵构建层状形态代表体积单元的宏细观控制方程,建立了层状赋存含水合物沉积物的本构表征方法。代表体积单元内每层的沉积物模型参数可基于均质含水合物沉积物试样的三轴试验标定获取。通过将层状本构模型预测和层状沉积物三轴试验以及数值试验的应力-应变关系对比验证,本研究提出的层状本构模型可准确描述原位储层中层状赋存含水合沉积物的力学行为。     

含天然气水合物沉积物分解过程的有限元模拟

温度和压力的变化会引起含天然气水合物沉积物的分解,其过程伴随着相态转换、孔隙水压力和气压力耗散、热传导、骨架变形等过程的相互耦合作用。基于多孔介质理论建立了描述含天然气水合物沉积物分解过程的数学模型,考虑了水合物分解产生的水、气流动、水合物相变和分解动力学过程、热传导、骨架变形等过程的耦合作用。基于有限元法,建立了模拟水合物分解过程的数值模型,并编制了计算机分析程序。通过对降压法和升温法开采过程的数值模拟,揭示了在水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的变化规律。结果表明：降压法和升温法都会导致储层变形以及产生超孔隙压力,但两种方法作用效果不同;同时,水合物分解过程包含渗流及热传导作用。     

降压开采过程中含水合物沉积物的力学特性研究

天然气水合物是一种潜在的能源资源,开采过程中,水合物的分解会造成工程和地质等安全隐患。为研究降压开采过程中多因素综合影响条件下沉积物的力学性质,在自主研发的低温高压三轴仪上进行了不同围压条件下含水合物沉积物的剪切试验。试验结合常规三轴剪切及一个试样多级加荷的方法,并加入了水合物的降压分解过程。结果表明：水合物的存在可以显著提高沉积物的抗剪强度。在降压分解过程中,含水合物沉积物试样的力学强度受到有效围压和孔隙中水合物含量的综合影响。前期试样由于孔隙压力降低导致有效围压大幅增加,试样抗剪强度增大,后期由于水合物含量的大幅降低,试样在较高有效围压下抗剪强度下降。有效围压对含水合物沉积物试样的体积应变有较大的影响,较高的有效围压会导致含水合物试样产生显著的剪缩现象。     

基于残余强度修正的岩石损伤软化统计本构模型研究

岩石随着围压的增大,残余强度的增加幅度比峰值强度大,残余强度逐渐成为影响岩石全应力-应变曲线峰后段的主要因素,因此,建立岩石损伤软化统计本构模型时,对残余强度进行修正是非常必要的。基于岩石应变强度理论以及岩石微元强度服从Weibull随机分布的假设,考虑岩石峰后残余强度对损伤变量进行修正,在微元破坏符合Hoek-Brown屈服准则条件下,建立了能够反映岩石峰后软化特征的三维损伤统计本构模型;依据岩石试验全应力-应变曲线的几何特征,推导出本构模型参数的数学表达式,并基于花岗岩室内试验数据对模型参数进行探讨,研究了Weibull分布参数与本构模型的关系,探讨了损伤修正系数的取值和岩石累积损伤的扩展过程;将建立的本构模型理论曲线与4种岩石（斑状二长花岗岩、细晶大理岩、砂岩和粉砂质泥岩）不同围压下的常规三轴压缩试验曲线进行对比分析,结果表明,该模型能很好地描述岩石破裂过程的全应力-应变关系和表征岩石残余强度特征。这对于岩石损伤软化问题以及岩石加固处理措施的研究均具有重要的意义。     

含气水合物沉积物弹塑性损伤本构模型探讨

天然气水合物的开采会带来一系列的岩土工程问题,为了保障相关工程设施的安全,有必要建立一个合理的水合物沉积物本构模型。通过深入分析水合物沉积物力学特点,从颗粒间的作用机制出发,认为水合物沉积物的力学响应是沉积物中土体颗粒间摩擦与水合物胶结二者共同作用的结果;考虑到摩擦与接触特性不同的力学机制,分别采用修正剑桥模型和弹性损伤模型对土体骨架及水合物胶结的应力-应变关系进行描述;通过假定水合物胶结的损伤演化规律,并认为在受力变形过程中二者的应变始终相等,初步建立了一个水合物沉积物的弹塑性损伤本构模型。不同水合物饱和度沉积物应力-应变曲线的模型预测结果与室内三轴排水试验结果吻合良好,表明了所建模型的可行性和合理性。     

水岩作用下砂岩劣化损伤统计本构模型

水库蓄水运行后,库水位反复升降变化对库岸边坡岩土体来说是一种疲劳作用,水岩作用下边坡岩体力学性质的劣化将影响整个边坡的稳定。基于此,在前期浸泡-风干循环水岩作用试验数据分析基础上,根据水岩作用过程中砂岩三轴压缩试验应力-应变曲线的特点,借助连续损伤力学和统计理论,将浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应耦合到损伤统计本构模型中,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了水岩作用下砂岩的统计损伤本构方程。对比分析表明,所建立的分段统计损伤本构模型计算与试验曲线符合较好,说明所建立的统计损伤本构方程可以较好地反映砂岩在浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应,在水岩作用过程中,本构模型第2段的Weibull分布参数m和F_0均逐渐减小,反映了水岩作用下砂岩脆性逐渐减弱,宏观强度逐渐降低的力学特性。研究成果对大量存在的库岸边坡长期变形稳定分析具有较好的参考价值,同时,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。     

基于统一硬化参数的深海能源土本构模型

深海能源土是指含天然气水合物（俗称"可燃冰"）的深海沉积物,其本构特性的模拟对可燃冰的安全开采至关重要。首先分析了水合物对能源土强度、剪胀和软化等力学特性的影响机理,水合物饱和度越大,对能源土力学特性影响越显著。然后在修正剑桥模型的基础上,通过引入水合物的饱和度和统一硬化参数来修正屈服函数,以反映水合物对能源土强度、剪胀、软化等特性的影响,建立了能考虑天然气水合物胶结作用形成及退化影响的深海能源土弹塑性本构模型,推导了相应的弹塑性矩阵。最后,通过模拟结果与已有能源土三轴试验数据对比分析,表明模型能很好地预测能源土强度、剪胀和软化等特性,验证了模型的合理性和有效性。     

A constitutive mechanical model for gas hydrate bearing sediments incorporating inelastic mechanisms

Gas hydrate bearing sediments (HBS) are natural soils formed in permafrost and sub-marine settings where the temperature and pressure conditions are such that gas hydrates are stable. If these conditions shift from the hydrate stability zone, hydrates dissociate and move from the solid to the gas phase. Hydrate dissociation is accompanied by significant changes in sediment structure and strongly affects its mechanical behavior (e.g., sediment stiffenss, strength and dilatancy). The mechanical behavior of HBS is very complex and its modeling poses great challenges. This paper presents a new geomechanical model for hydrate bearing sediments. The model incorporates the concept of partition stress, plus a number of inelastic mechanisms proposed to capture the complex behavior of this type of soil. This constitutive model is especially well suited to simulate the behavior of HBS upon dissociation. The model was applied and validated against experimental data from triaxial and oedometric tests conducted on manufactured and natural specimens involving different hydrate saturation, hydrate morphology, and confinement conditions. Particular attention was paid to model the HBS behavior during hydrate dissociation under loading. The model performance was highly satisfactory in all the cases studied. It managed to properly capture the main features of HBS mechanical behavior and it also assisted to interpret the behavior of this type of sediment under different loading and hydrate conditions.     

四氢呋喃水合物沉积物静动力学性质试验研究

利用研制的天然气水合物沉积物合成与力学性质测试一体化试验设备,以粉细砂土和蒙古砂土作为沉积物骨架,对四氢呋喃(THF)水合物沉积物进行了静动三轴试验,获得了水合物分解前后沉积物样品的应力-应变关系、强度和液化特性,对两种骨架的水合物沉积物的性质进行了对比,同时将水合物分解后的沉积物与对应的饱和土的动三轴试验结果进行了对比。结果表明：水合物沉积物均表现为塑性破坏;围压越大,水合物沉积物强度越高;水合物分解导致沉积物的强度大幅降低;水合物分解后沉积物液化所需的时间较饱和水沉积物缩短     

黏土矿物颗粒特征对含水合物的沉积物力学特性影响研究

含水合物的沉积物力学参数是水合物储层稳定性评价的基础数据。我国南海神狐海域含水合物的沉积物中含大量的黏土,深入了解黏土矿物对沉积物力学特性的影响对水合物开采具有十分重要的意义。基于PFC三轴压缩模拟,首先分析了沉积物中不含水合物时,黏土矿物颗粒特征的力学效应,然后分析了水合物对颗粒的胶结作用和围压对沉积物力学特性的影响。结果表明,不含水合物模型的偏应力-应变曲线呈明显的应变硬化特征。黏土矿物的含量、颗粒形状和排列对沉积物三轴压缩特性具有显著影响。黏土矿物含量的增多对沉积物力学强度具有明显的降低作用,黏土矿物形状为条形的沉积物强度和弹性模量要明显高于圆颗粒模型,在细观上受颗粒平均接触数影响,条形黏土颗粒的定向排列使模型的力学参数具有各向异性。水合物对颗粒的胶结作用可显著提高模型的峰值强度和弹性模量,随着颗粒胶结程度的增大和围压的减小,含水合物的沉积物的破坏方式由塑性破坏向脆性破坏转换。     

Dissociation of gas hydrates by hydrocarbon migration and accumulation-derived slope failures: An example from the South China Sea

The mechanism of slope failure associated with overpressure that is caused by hydrocarbon migration and accumulation remains unclear. High-resolution seismic data and gas hydrate drilling data collected from the Shenhu gas hydrate field (site SH5) offer a valuable opportunity to study the relations between submarine slope failure and hydrocarbon accumulation and flow that is associated with a ～2 km-diameter gas chimney developed beneath site SH5 where none gas hydrates had been recovered by drilling and sampling despite the presence of distinct bottom simulating reflectors (BSRs) and favorable gas hydrate indication. The mechanism of submarine slope failure resulted from buoyancy extrusion and seepage-derived deformation which were caused by overpressure from a ～1100 m-high gas column in a gas chimney was studied via numerical simulation. The ～9.55 MPa overpressure caused by hydrocarbons that migrated through the gas chimney and then accumulated beneath subsurface gas hydrate-bearing impermeable sediments. This may have resulted in a submarine slope failure, which disequilibrated the gas hydrate-bearing zone and completely decomposed the gas hydrate once precipitated at site SH5. Before the gas hydrate decomposition, the largely impermeable sediments overlying the gas chimney may have undergone a major upward deformation due to the buoyancy extrusion of the overpressure in the gas chimney, and slope failure was initiated from plastic strain of the sediments and reduced internal strength. Slope failure subsequently resulted in partial gas hydrate decomposition and sediment permeability increase. The pressurized gas in the gas chimney may have diffused into the overlying sediments controlled by seepage-derived deformation, causing an effective stress reduction at the base of the sediments and significant plastic deformation. This may have formed a new cycle of submarine slope failure and finally the total gas hydrate dissociation. The modeling results of buoyancy extrusion and seepage-derived deformation of the overpressure in the gas chimney would provide new understanding in the development of submarine slope failure and the link between slope failure and gas hydrate accumulation and dissociation.