天然氣水合物分解對沉積物力學特性的影響研究

《天然氣水合物分解對沉積物力學特性的影響研究》是依託吉林大學，由於鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：天然氣水合物分解對沉積物力學特性的影響研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：於鋒
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

在天然氣水合物開採過程中水合物的分解會引起工程破壞與地質災害等嚴重後果，因此如何安全有效開採是天然氣水合物資源利用所面臨的關鍵問題，本項目以此為背景，以研究天然氣水合物分解對沉積物力學特性的影響為目的，採用三軸剪下試驗方法測試天然氣水合物沉積物的應力應變關係，綜合分析水合物飽和度、溫度和有效圍壓對沉積物的強度、模量、體變、內聚力和摩擦角等參數的影響，以及不同分解方式和分解速率對沉積物的強度、體變、剪脹縮、壓密係數和滲透率等參數的影響。在實驗基礎上，進一步建立相關的水合物沉積物彈塑性本構模型和熱流固多場耦合模型，開展水合物分解時沉積物變形破壞過程的模擬研究。通過對比分析實驗和模擬結果，分析水合物分解對沉積物的強度、應力場變化以及穩定性的影響，揭示水合物分解過程中沉積物力學特性變化。該項目研究為防治水合物分解誘發的沉積層破壞等問題提供理論依據，對於未來天然氣水合物的安全有效開採有著重要的價值。

結題摘要

作為石化燃料的潛在替代品，天然氣水合物受到世界範圍內越來越多的科學家的廣泛關注。然而，天然氣水合物開採會影響到完整的地質構造和開採工程設施等的穩定性，容易引發海底滑坡、海嘯等自然災害。因此，水合物及沉積層的基礎力學特性研究對天然氣的商業化開採具有重要意義。 本項目利用人工製成的天然氣水合物沉積物進行三軸實驗，測量其在不同溫度、圍壓、應變速率下的力學特性。分析了甲烷水合物沉積物的強度及其強度參數與溫度、圍壓和應變速率之間的關係。研究發現甲烷水合物沉積物的強度隨圍壓的增加而增加，隨溫度的降低而增加，隨應變速率的增加而增加。摩擦角和內聚力隨溫度降低而增加，隨應變速率增加而增加。本項目同時研究了孔隙度對其應力應變關係、強度和模量的影響。結果表明，沉積物的強度隨孔隙度增加而明顯下降，內聚力隨孔隙度的增加而減小，而內摩擦角基本不變。 本項目通過升高溫度和降低壓力兩種方式，使水合物沉積物的外在環境條件處於水合物相平衡區域之外，從而使水合物慢慢分解，並通過三軸試驗方法測試其力學特性。實驗結果表明，水合物的分解降低了水合物沉積物的強度。在初始變形階段，與穩定狀態下的應力應變曲線基本重合，水合物沉積物的初始彈性模量等參數基本保持不變。初始階段之後彈性模量大幅度降低。 本項目依據甲烷水合物沉積物的三軸實驗數據，在Duncan-Chang 模型基礎上，建立了含溫度和圍壓參數的本構模型；與實驗相比，應力應變關係預測比較吻合；適用於甲烷水合物沉積物。套用 BIOT 固結理論，構建可以反映水合物分解沉積層變形的熱流固多場耦合模型。進而耦合 TOUGH HYDRATE 水合物模擬軟體和熱流固多場耦合模型，並模擬了降壓法水合物開採。模擬結果反映了溫度、壓力和飽和度隨時間變化情況，以及分布狀態。結果表明了降壓造成的在水平方向的多孔係數的增大導致了剪下應力的增加，而垂直應力大致不變。