天然气水合物沉积物强度及变形特性研究

【摘要】：天然气水合物作为一种重要的新能源,因其在世界范围内分布广、储量大,引起世界各国包括我国政府在内的高度关注。天然气水合物勘探和开发可能会引起海底滑坡、井壁坍塌、工程结构物破坏以及甲烷气体泄漏等灾害。本文针对上述过程涉及的天然气水合物储层力学问题,开展了实验研究及应力应变本构关系研究,以期为天然气水合物安全开采提供理论依据与技术支持。 根据天然气水合物稳定存在的低温、高压特点,研制了一套专用的TAW-60低温、高压水合物三轴仪,以及与之配套的压力晶析制样装置。采用混合制样法制备天然气水合物沉积物试样,实验研究了温度、围压、水合物含量等对冻土区天然气水合物沉积物强度及变形特性的影响。首次发现了高围压条件下冻土区天然气水合物沉积物和含冰粉天然气水合物强度降低的现象,获得了冻土区天然气水合物沉积物的剪切强度、黏聚力、内摩擦角等参数,提出了分段线性强度准则和高围压条件下的非线性强度准则,验证了高围压条件下修正Duncan-Chang模型对冻土区天然气水合物沉积物的适用性。 利用日本山口大学温控、高压水合物三轴仪,采用原位生成法制备天然气水合物沉积物试样。系统分析了不同荷载条件下,注热开采与降压开采过程对海底天然气水合物储层稳定性的影响。研究表明,当天然气水合物沉积物承受的荷载大于分解后沉积物的强度时,注热开采会导致天然气水合物储层的破坏,降压开采不会导致天然气水合物储层的破坏,而水压回复过程则有可能造成储层的破坏。研究了气饱和天然气水合物沉积物及C02水合物沉积物的强度及变形特性,详细分析了温度、孔隙压力、有效围压、水合物饱和度等对其力学特性的影响,并与水饱和天然气水合物沉积物进行了对比。发现相同条件下气饱和天然气水合物沉积物的强度、刚度、体积变形均大于水饱和天然气水合物沉积物,且气饱和天然气水合物沉积物呈现出更明显的剪胀和应变软化现象。证实了在一定温度、压力条件下,采用C02置换法开采天然气水合物在力学稳定性上是可行的。 基于大量实验研究获得的天然气水合物沉积物应力应变规律,在修正剑桥模型(Modified Cam-Clay Model)的基础上,通过引入次加载面(Subloading surface)理论,同时考虑天然气水合物对沉积物剪胀和黏聚力的影响,建立了适用于海底天然气水合物沉积物的新的弹塑性本构模型。 【关键词】：天然气水合物 变形特性 强度准则 本构模型
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE642
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-17
• 主要符号表17-19
• 1 绪论19-43
• 1.1 选题目的与研究意义19-21
• 1.2 国内外相关研究进展21-41
• 1.2.1 相关设备研究进展22-29
• 1.2.2 天然气水合物沉积物强度及变形特性研究进展29-41
• 1.3 本文主要研究内容41-43
• 2 冻土区天然气水合物沉积物强度及变形特性研究43-67
• 2.1 实验装置、材料与方法43-50
• 2.1.1 实验装置43-45
• 2.1.2 实验材料45-46
• 2.1.3 实验方法与步骤46-49
• 2.1.4 实验内容49-50
• 2.2 冻土区天然气水合物沉积物强度及变形特性50-55
• 2.2.1 应力应变曲线50-51
• 2.2.2 围压影响51-53
• 2.2.3 温度影响53-55
• 2.3 冻土区天然气水合物沉积物强度准则55-61
• 2.3.1 不同围压条件下冻土区天然气水合物沉积物强度准则55-58
• 2.3.2 高围压条件下冻土区天然气水合物沉积物强度准则58-61
• 2.4 高围压条件下冻土区天然气水合物沉积物本构模型61-66
• 2.4.1 天然气水合物沉积物的修正Duncan-Chang模型61-64
• 2.4.2 修正Duncan-Chang模型验证64-66
• 2.5 本章小结66-67
• 3 含冰粉天然气水合物强度及变形特性研究67-80
• 3.1 实验装置、材料与方法67-69
• 3.1.1 实验装置、材料67
• 3.1.2 实验方法与步骤67-69
• 3.1.3 实验内容69
• 3.2 含冰粉天然气水合物强度及变形特性69-76
• 3.2.1 应力应变曲线69-72
• 3.2.2 围压影响72-74
• 3.2.3 水合物体积含量影响74-75
• 3.2.4 含冰粉天然气水合物破坏强度75-76
• 3.3 含冰粉天然气水合物强度准则76-79
• 3.4 本章小结79-80
• 4 水合物分解对海底沉积物强度及变形特性影响研究80-105
• 4.1 实验装置、材料与方法81-86
• 4.1.1 实验装置81-84
• 4.1.2 实验材料84
• 4.1.3 实验方法与步骤84-85
• 4.1.4 实验内容85-86
• 4.2 注热分解对海底天然气水合物沉积物强度及变形特性影响86-92
• 4.2.1 注热分解对等压固结试样强度及变形特性的影响86-90
• 4.2.2 注热分解对K_0固结试样强度及变形特性的影响90-92
• 4.3 降压分解对海底天然气水合物沉积物强度及变形特性影响92-100
• 4.3.1 降压分解对等压固结试样强度及变形特性的影响93-96
• 4.3.2 降压分解对K_0固结试样强度及变形特性的影响96-100
• 4.4 降压速率、降压幅度对试样变形特性及饱和度的影响100-103
• 4.5 本章小结103-105
• 5 海底气饱和天然气水合物沉积物强度及变形特性研究105-120
• 5.1 实验装置、材料与方法106-107
• 5.1.1 实验装置、材料106
• 5.1.2 实验方法与步骤106
• 5.1.3 实验内容106-107
• 5.2 海底气饱和天然气水合物沉积物强度及变形特性107-118
• 5.2.1 水合物饱和度影响107-111
• 5.2.2 孔隙压力影响111-113
• 5.2.3 有效围压影响113-115
• 5.2.4 温度影响115-116
• 5.2.5 与水饱和试样比较研究116-118
• 5.3 本章小结118-120
• 6 CO_2水合物与天然气水合物沉积物强度及变形特性比较研究120-132
• 6.1 实验装置、材料与方法121-122
• 6.1.1 实验装置、材料121
• 6.1.2 实验方法与步骤121-122
• 6.1.3 实验内容122
• 6.2 CO_2水合物与天然气水合物沉积物强度及变形特性比较122-131
• 6.2.1 应力应变曲线122-125
• 6.2.2 饱和度影响125-126
• 6.2.3 有效围压影响126-128
• 6.2.4 温度影响128-129
• 6.2.5 剪切强度比较129-131
• 6.3 本章小结131-132
• 7 海底天然气水合物沉积物本构模型研究132-150
• 7.1 本构模型介绍132-137
• 7.1.1 修正剑桥模型简介132-136
• 7.1.2 次加载面理论简介136-137
• 7.2 海底天然气水合物沉积物本构模型137-148
• 7.2.1 基本假设138
• 7.2.2 本构方程诱导138-145
• 7.2.3 本构方程验证及参数的确定145-148
• 7.3 本章小结148-150
• 8 结论与展望150-153
• 8.1 结论150-151
• 8.2 展望151-152
• 8.3 创新点摘要152-153
• 参考文献153-164
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况及参与科研项目164-166
• 致谢166-167
• 作者简介167-168

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