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考虑气体水合物赋存形态的土本构模型及参数敏感性研究

考虑气体水合物赋存形态的土本构模型及参数敏感性研究

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作者：李成朗广州大学

学位级别：硕士

人类社会的发展离不开能源的助力,然而传统能源的使用往往带来严重的环境问题,因此迫切需要对传统能源结构进行优化。气体水合物在能源和环境两大方面均具有重大优势和意义,其中甲烷水合物更是被誉为21世纪最具发展潜力的新型能源,有望... 详细信息

人类社会的发展离不开能源的助力,然而传统能源的使用往往带来严重的环境问题,因此迫切需要对传统能源结构进行优化。气体水合物在能源和环境两大方面均具有重大优势和意义,其中甲烷水合物更是被誉为21世纪最具发展潜力的新型能源,有望解决能源安全问题,而另一方面二氧化碳水合物为二氧化碳气体封存提供了良好的封存条件,有望改善环境问题的同时满足“碳中和、碳达峰”等新一轮目标和需求。涉及气体水合物的工程需要对储层地质力学响应进行合理的分析,以避免工程风险的出现,显然,建立本构模型对气体水合物储层强度和变形进行准确的预测对保障气体水合物工程的安全实施具有重要意义。本文针对甲烷及二氧化碳水合物土,聚焦于不同水合物类型土的力学特性差异,在CASM(Clay and Sand Model,CASM)框架下建立了含气体水合物土的本构模型,并进行了定量化的参数全局敏感性分析。主要研究工作和成果如下:(1)总结了水合物主要的三种赋存形态,胶结型、承压型和填充型赋存形态,并结合甲烷及二氧化碳水合物土的三轴剪切试验以及微细观结构试验,分析了不同水合物类型在沉积物土中赋存形态的差异所导致的宏观力学特性差异,在粘聚力、弹性模量和剪胀角中引入水合物赋存形态比,实现用微细观参数对宏观力学参数的修正,并通过修正的摩尔-库伦本构模型成功地对含气体水合物土的力学特性进行了预测。(2)进一步考虑不同水合物饱和度下的水合物赋存形态及其在剪切作用下的演化规律,构建了与水合物赋存形态相关的硬化参数,对水合物的胶结作用和承压作用进行有效的描述,同时考虑了水合物对孔隙的侵入,引入了等效孔隙比的概念来反映水合物的填充效果,并采用了下加载面理论和非相关联流动法则,在CASM模型的基础上,建立了能考虑水合物赋存形态演化的含气体水合物土的砂黏统一临界状态本构模型。通过与室内试验结果的对比验证了该模型能很好地反映不同水合物饱和度、不同有效围压、不同水合物类型和不同沉积物土类型下含气体水合物土的力学特性。(3)为了更好地理解本构模型中各参数的意义,采用了定量化的全局敏感性分析方法,量化分析了各参数以及参数之间相互作用下对剪切过程中应力应变关系和体变行为的影响程度,同时对不同水合物饱和度以及不同水合物类型的力学响应也进行了参数的定量化敏感性分析,有助于该本构模型在日后气体水合物开采工程数值分析中的应用。

关键词：甲烷水合物土二氧化碳水合物土本构模型水合物赋存形态全局敏感性分析

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