《水合物熱分解引起地層分層破壞實驗室研究》是依託中國科學院力學研究所，由張旭輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：水合物熱分解引起地層分層破壞實驗室研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張旭輝
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
天然氣水合物既是一種重要的潛在能源，其分解又可能導致一系列的災害。最近發現水合物熱分解可使初始連續的地層中形成有一定厚度的只含氣體和水的裂縫，即分層現象，這種分層可以作為滑動面演變成為更大災害。因此，本項目將研究：(1) 水合物熱分解引起地層分層破壞演化特徵、基本參數和破壞模式的實驗；（2）基於實驗結果的水合物熱分解引起地層分層破壞的初步機理分析。通過上述研究，獲得水合物熱分解引起地層分層破壞的基本特徵和數據，以及提出地層分層破壞產生的臨界條件，為實際工程設計提供依據。
結題摘要
項目研究目標：通過水合物熱分解引起地層分層破壞的系列實驗和分析，積累分層破壞的演化參數，結合水合物沉積物的強度和滲透參數測試結果，獲得分層的物理機制和臨界條件，並探討這類災害的防治措施，為水合物開發和上方含有水合物地層的深海油氣藏開採的可行性評價提供依據。 項目研究內容：1）水合物熱分解引起地層分層破壞實驗裝置改造及實驗測試；2）水合物地層熱、力學基本參數測試；3）地層分層破壞機理分析。 項目總體進展和取得的成果： 1）開展了水合物熱分解引起地層分層破壞實驗裝置的改造，並完成系列水合物分解引起地層破壞模型實驗12組，獲得了不同熱源、不同上覆層厚度條件下的熱、力學演化基本數據、現象和基本特徵。水合物分解引起土層分層的力學機制：沉積物孔隙中水合物分解，在沉積物孔隙中形成超靜孔隙流體壓力，隨著分解範圍的擴展，上覆土體的阻力小於超靜孔隙壓力時，分層啟動。隨著分解區域氣體滲流及上覆土體的運動形成一定厚度的開裂。當氣體能量足夠大，可突破上覆土層，形成類似火山噴發的氣固兩相流。這部分研究工作為水合物熱分解引起地層分層物理機制分析和數值模擬提供基本依據； 2）開展了水合物地層的含相變傳熱分析和力學特性測量，獲得了含水合物地層的熱演化規律和基本力學參數20組。水合物分解區域的擴展具有自相似性，其自相似解表明：分解範圍擴展與時間的平方根成正比；水合物沉積物的力學參數隨著水合物飽和度的增加而增加，水合物分解土體強度降低為原來的1/7。這部分研究工作為後續理論分析提供基本參數； 3）提出了水合物分解引起地層分層破壞擴展的基本模型，獲得了分層擴展的動力學過程。分層發生的臨界條件：超靜孔隙壓力大於等於上覆層重力和上覆土體與邊壁間的摩擦力時而發生的連續土體開裂，是一個強度問題；分層厚度大小取決於水合物分解氣體的能量與克服上部土體重力與邊壁摩擦所需的能量，是一個能量耗散問題。探討了不同尺度地層失穩的相互關聯，分層發生後，土體間抗剪強度減弱，隨著分解範圍的擴展，地層中更容易出現剪下破壞的區域。室內實驗與分析結果可通過無量綱物理控制參數外延至現場工程尺度的地層失穩評價。 通過項目的研究工作，共發表論文11篇，其中，SCI： 3篇；獲得授權發明專利3項，申請受理髮明專利2項。培養研究生2名，博士生和碩士生各1名。 通過項目的研究工作，順利完成研究目標和研究內容，並達到各項考核指標要求。
