水合物沉积物力学性质的研究现状

天然气水合物(简称水合物)是一些具有相对较低分子质量的气体如甲烷,二氧化碳、氮气等在一定温度和压力条件下与水形成的内含笼形孔隙的冰状晶体.天然气水合物沉积物(简称水合物沉积物)是指蕴含水合物的砂、黏土以及混和土等土质的沉积物质.主要从现场调查、室内试验和理论模型分析3个方面对甲烷水合物沉积物力学性质的研究现状做了介绍.在现场调查方面着重介绍水合物沉积物原位和调查船上的物性试验,并对原位带孔压测量的圆锥静力触探试验在水合物沉积物力学性质现场调查中的应用前景进行了阐述;在室内试验方面主要介绍了原状和人工合成的水合物沉积物的三轴试验结果,测定弹性参数的声波测试试验结果,天然气和水的含量及沉积物特性对水合物沉积物强度影响的试验结果,以及与水合物开采有关的水合物分解对水合物沉积物强度影响的室内试验和结果;在理论模型方面着重介绍了目前经常采用的几个模型的特点及应用范围.最后提出了今后在水合物沉积物力学性质研究方面应开展的工作重点及发展方向.      

纯水合物力学性质研究进展

纯水合物力学性质是含水合物沉积物力学性质研究的基础, 其与水合物开采、海底地质灾害防治、CO₂埋藏、气体储运等诸多方面都密切相关. 然而受水合物形成条件和样品本身影响, 目前对纯水合物力学性质研究还存在很多争议和不足, 其中最主要的问题就是难于获取高纯度的水合物实验样品. 据此本文从实验和理论计算两个方面对当前纯水合物力学性质的研究进展进行了总结和分析, 提出可从宏观实验技术改进和微观分子动力学模拟两方面结合来尽可能消除水合物样品本身的影响, 揭示纯水合物力学性质与冰异同的内在原因, 掌握水合物样品残余水气和微孔隙对其力学性质的影响机理, 从而实现水合物微观力学本质与宏观力学特性间的衔接, 为今后含水合物沉积物力学性质及水合物力学性质相关领域研究奠定坚实的理论基础.     

南海水合物黏土沉积物力学特性试验模拟研究

利用自行研制的含水合物沉积物合成、分解与力学性质测量一体化试验设备,以南海水合物区域的海底粉质黏土作为骨架,制备含水合物沉积物样品,并对其进行了三轴压缩试验研究,获得了水合物分解前后的应力应变曲线和抗剪强度特性. 结果表明:在水合物饱和度0%~45% 的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线均表现为弹塑性变形,存在明显的应变硬化现象;抗剪强度、内摩擦角和黏聚力随水合物饱和度的增加而增加. 相对而言,内摩擦角随饱和度增加幅度较小,其他参数在水合物饱和度超过25% 时,呈陡然增高趋势;水合物分解后导致抗剪强度最大可降低为初始的1/4,不同初始饱和度条件下水合物完全分解后沉积物的抗剪强度基本相等,并大于同等围压条件下初始不含水合物的沉积物抗剪强度.      

含水合物沉积物三轴剪切试验与损伤统计分析

天然气水合物开采诱发水合物分解,削弱水合物地层强度,可能导致地层滑动和生产平台倒塌等工程地质灾害,对水合物开采安全性构成严重威胁.深入理解含水合物沉积物力学性质并建立合理的本构关系模型是水合物开采安全性评价的前提条件.在自主研发的含水合物沉积物力学性质测试实验装置上,采用饱和水海砂沉积物气体扩散法制备了含水合物沉积物样品,并开展了系列的排水三轴剪切试验,通过时域反射技术实现了样品中水合物饱和度的实时在线测量;基于复合材料的罗伊斯(Reuss)应力串联模型和沃伊特(Voigt)应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,结合损伤统计理论和摩尔-库伦破坏准则改进了含水合物沉积物的本构关系模型.结果表明:随着水合物饱和度的增加和有效围压的减小,应力-应变曲线由应变硬化型变为应变软化型,割线模量和峰值强度均随水合物饱和度与有效围压的增加而提高,黏聚力受水合物饱和度影响明显,而内摩擦角基本不变;提出的等效弹性模量细观力学混合律模型与改进的本构关系模型均具有良好的适用性,模型参数少且物理意义明确.      

天然气水合物分解对地层稳定性影响的离心机实验模拟

水合物分解后将引起地层强度的降低,可能造成海床沉陷、滑塌以及海洋结构物基础的破坏。针对该问题,首先以南海浅层粉砂为沉积物骨架,采用生物厌氧发酵技术合成水合物沉积物,然后进行水合物热分解引起地层响应的离心机实验模拟,获得了水合物分解引起地层变形与滑塌的特征以及孔隙压力发展的物理过程,为研究水合物分解引起海床失稳的条件进行了新的尝试。     

含水合物沉积物的弹塑性本构模型

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.     

含水合物沉积物的弹塑性本构模型

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.      

石英砂粒径对水合物沉积物力学性质的影响

利用自主研发的水合物沉积物原位合成与力学性质测试的高压低温三轴仪,通过多级加荷的试验方法,以不同粒径的砂粒作为沉积物骨架进行三轴压缩试验,得到了剪切过程的应力-应变关系曲线,以及不同粒径尺寸沉积物的强度,还有剪切过程中的体积变化关系。结果表明:含水合物沉积物强度随着沉积物粒径尺寸的增大而增强;在降压剪切过程中,所有粒径的水合物沉积物式样均有明显的剪缩现象。     

沉积物中导热体周围水合物分解范围研究

沉积物水合物在热源周围的分解范围是水合物热开采以及相关灾害分析的重要基础数据.该文针对平面内边界有恒温热源的水合物热分解范围问题进行了理论分析和四氢呋喃水合物沉积物模型实验,并将两者结果进行了对比.结果表明:沉积物水合物最大分解范围主要取决于热源与环境温度的温差;热源周围水合物热分解最大范围的理论值与实验值接近,误差小于5%.     

天然气水合物开发多物理场特征及耦合渗流研究进展与建议

天然气水合物作为一种非常规的清洁能源,在全球分布广、资源量大.自20世纪90年代以来,加拿大、美国、日本、中国已经先后进行了陆域及海域的水合物试采,但发现出砂、单井日产气量低、稳产时间短等问题,试采产量远不能满足商业化开发的需求,其中核心问题是对水合物开发过程中的相变、多相多组分多场耦合渗流特征的认识不够明晰.本文根据天然气水合物开发过程中涉及的渗流场、温度场、化学场、力学场等多场耦合特征,重点综述水合物生成/分解对各物理场主要特征参数的影响,包括水合物储层的孔隙度、水合物饱和度、渗透率、相对渗透率等基础物性参数及其动态演变,天然气水合物的导热系数、比热容、热扩散系数以及水合物生成/分解热等热力学参数,天然气水合物生成、分解动力学特征,纯水合物以及含水合物沉积物的力学性质等,最后阐述了天然气水合物开发渗流中的多场耦合关系及相互作用,提出了今后水合物开发多物理场特征及耦合渗流的科学研究、技术开发的有关建议.     

含天然气水合物土微观力学特性研究进展

天然气水合物作为一种资源储量大、分布范围广、能量密度高的清洁能源, 受到了国内外的广泛关注, 竞相研究安全高效、持续可控的开采方法. 充分掌握含天然气水合物土的力学特性并厘清其在开采过程中的动态演化规律, 是实现天然气水合物资源产业化开发的重要前提. 含天然气水合物土的力学响应行为本质上是其内部结构演化的宏观反映, 相关的微观力学特性研究对于深化含天然气水合物土力学特性认识具有重要的意义. 本文从天然气水合物晶体、天然气水合物与土颗粒界面、含天然气水合物土3个尺度对含天然气水合物土微观力学特性的研究现状进行了总结, 系统归纳了天然气水合物的晶体结构类型及天然气水合物的孔隙微观赋存模式; 重点介绍了计算机断层扫描、扫描电子显微镜、X射线衍射及原子力显微镜等微观测试技术原理与特点; 简述了与计算机断层扫描联用的三轴剪切实验、颗粒流程序模拟及分子动力学模拟在天然气水合物微观力学特性研究方面的最新进展; 综合现有研究结果对含天然气水合物土内颗粒界面剪切机理及微观力学理论模型进行了概述分析; 最后探讨了含天然气水合物土微观力学研究目前仍存在的不足与挑战, 并给出了针对性的建议以期促进含天然气水合物土的力学特性研究发展.      

天然气水合物降压开采沉积物压缩效应数值模拟研究

深海天然气水合物降压开采过程中,沉积物的压缩会改变储层的物理力学特性,进而对天然气的开采效果产生显著影响.为揭示沉积物压缩效应下井周围储层物理力学特性演化规律,本文建立了考虑沉积物压缩效应的理论模型,通过COMSOL模拟研究了不同初始固有渗透率、初始水合物饱和度和井底压力条件下的降压开采中生产井周围储层的物理力学特性演化规律以及开采效果.结果表明:受沉积物压缩的影响,水合物分解区的渗透率随着与井筒距离的增加先增加后减少;产气与产水速率由零立即上升至峰值,然后迅速下降,并且考虑沉积物压缩时的产气与产水速率比不考虑时低;在水合物完全分解区,渗透率的大小与有效应力成负相关关系,未分解区渗透率的大小与水合物饱和度成负相关关系;井底压力越小,有效应力越大,生产井周围储层的渗透率下降越明显;初始水合物饱和度对产气与产水的影响存在拐点,饱和度拐点位于0.25与0.35之间,高水合物饱和度并不代表储层开采效果好,产气速率的高低还与储层的渗透率有关,高水合物饱和度储层的渗透率较低,产气速率较低;储层初始固有渗透率较高时显著促进了开采效果,但储层变形量较大增加了储层的不稳定性.     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时, 试样强度迅速上升, 呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用. 粉质黏土沉积物粒径细小, 渗透性差,难以通过渗透作用传递压力, 提高了沉积层的破裂压力. 此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响. 适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触, 会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.      

天然气水合物开发多物理场特征及耦合渗流研究进展与建议

天然气水合物作为一种非常规的清洁能源, 在全球分布广、资源量大. 自20世纪90年代以来, 加拿大、美国、日本、中国已经先后进行了陆域及海域的水合物试采, 但发现出砂、单井日产气量低、稳产时间短等问题, 试采产量远不能满足商业化开发的需求, 其中核心问题是对水合物开发过程中的相变、多相多组分多场耦合渗流特征的认识不够明晰. 本文根据天然气水合物开发过程中涉及的渗流场、温度场、化学场、力学场等多场耦合特征, 重点综述水合物生成/分解对各物理场主要特征参数的影响, 包括水合物储层的孔隙度、水合物饱和度、渗透率、相对渗透率等基础物性参数及其动态演变, 天然气水合物的导热系数、比热容、热扩散系数以及水合物生成/分解热等热力学参数, 天然气水合物生成、分解动力学特征, 纯水合物以及含水合物沉积物的力学性质等, 最后阐述了天然气水合物开发渗流中的多场耦合关系及相互作用, 提出了今后水合物开发多物理场特征及耦合渗流的科学研究、技术开发的有关建议.