天然气水合物沉积物本构模型研究

作     者：施可南 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方火浪

授予年度：2020年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：本构模型 天然气水合物 边界面 多重机构 下加载面 弹塑性模型 

摘      要：海底和极地永冻层中的天然气水合物被认为是重要的潜在能源。由于水合物的分解会降低沉积物的稳定性,从而影响井壁稳定性,甚至存在引发海底地质灾害的可能性,因此正确揭示并合理描述天然气水合物沉积物的力学特性对于安全开采天然气水合物具有重要意义。天然气水合物与土体之间存在复杂的关系,而并非简单的混合。水合物的存在也显著改变了土体的力学特性。为了正确分析其强度和变形特征并进行数值模拟,本文提出了状态相关多重机构边界面模型和状态相关下加载面弹塑性模型,对多组天然气水合物沉积物试验结果进行模型模拟预测,并与试验结果进行对比,具体的研究工作和成果如下:(1)本文基于临界状态和边界面理论建立了一个天然气水合物沉积物状态相关多重机构边界面模型。根据塑性滑移理论,将天然气水合物沉积物复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机构和一系列空间分布并相互独立的虚拟微观剪切机构,并引入了水合物胶结和胶结破坏准则来考虑水合物的存在及赋存形态对沉积物本构关系的影响。其次,对于由水合物分解引起的坍塌变形,本模型引入了一个简便易行的计算方法。本文通过对已发表的天然气水合物沉积物等向固结试验、水合物分解试验、三轴剪切试验进行模拟,其中包括人工合成的样品和原位采样的样品,并将模型的预测结果与试验结果进行对比,验证了本模型具备合理反映天然气水合物沉积物力学性能的能力,包括反映了水合物的存在及赋存形式、试验条件对沉积物力学性能的影响,也证实了本模型在不添加新参数的情况下可以反映天然气水合物沉积物在主应力旋转过程中的非共轴性。(2)本文基于临界状态和下加载面理论建立了 一个天然气水合物沉积物状态相关下加载面弹塑性模型。通过引入等效骨架孔隙比和修正后的统一硬化参数,实现了对沉积物应变软化的模拟,而下加载面概念的引入使得本模型具备合理反映加载历史对沉积物力学性能影响的能力。因此,本模型综合考虑了沉积物应变软化现象的影响因素,具备更广泛的适用性。其次,本模型也类似地引入了一个适用于该模型且较简便易行的方法来计算由水合物分解引起的坍塌变形。最后,对已发表的天然气水合物沉积物等向固结试验、水合物分解试验和三轴剪切试验进行模型模拟,并将模型预测结果与试验结果进行对比。对比结果表明本模型具备合理反映天然气水合物沉积物力学性能的能力,包括反映了水合物的存在及赋存形式、试验条件对沉积物力学性能的影响。