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含水合物沉积物的弹塑性本构模型

力学学报 2020年第2期52卷 556-566页

作者：刘林姚仰平张旭辉鲁晓兵王淑云中国科学院力学研究所北京100190 北京航空航天大学交通科学与工程学院北京100191 中国科学院大学工程科学学院北京100049

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.... 详细信息

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.

关键词：含水合物沉积物应力应变关系赋存形式水合物含量

含水合物沉积物抗剪强度及本构模型的理论研究

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含水合物沉积物抗剪强度及本构模型的理论研究

作者：于航北京建筑大学

学位级别：硕士

天然气水合物（简称水合物,俗称可燃冰）是由甲烷气体和水在低温高压条件下形成的固体化合物,主要产出于深水海底浅层未固结成岩的松散沉积物中和陆地冻土区域沉积物的孔隙当中,因其储存量大、燃烧无污染,是一种新型能源。目前许多国家... 详细信息

天然气水合物（简称水合物,俗称可燃冰）是由甲烷气体和水在低温高压条件下形成的固体化合物,主要产出于深水海底浅层未固结成岩的松散沉积物中和陆地冻土区域沉积物的孔隙当中,因其储存量大、燃烧无污染,是一种新型能源。目前许多国家展开了对水合物的调查研究开采工作,因此研究水合物对沉积物力学特性的影响成为了备受关注的重点课题。水合物对力学特性的影响具有两面性,水合物作为胶结物质存在于颗粒之间会增强沉积物的强度,但水合物赋存条件比较严格,开采过程中温度和压力发生变化会导致其分解从而导致强度降低。另外,在不同的环境中形成的水合物有不同的赋存模式,在不同的赋存模式下胶结作用强弱不同,对力学特性的影响也是不同的,因此研究含水合物沉积物的力学性质时必须考虑该因素。目前国内外许多学者已经通过大量的试验得出了水合物强度等力学特性的规律,但在理论方面的研究仍存在不足,因此,本文通过分析水合物对沉积物的贡献机理,基于理论方法描述水合物对沉积物强度特性的影响并建立一个能较好反映含水合物沉积物力学特性的弹塑性本构模型。主要研究工作如下:（1）首先,水合物作为一种胶结物质存在于颗粒之间使得颗粒之间的粘聚力增大;其次,水合物使颗粒之间接触面积增大,作为介质提高骨架传递外荷载的能力,即水合物会增大颗粒之间的摩擦特性。因此,引入胶结面积比的概念,基于有效应力原理,修正考虑水合物影响的有效应力表达式。其次,提出考虑不同水合物种类以及不同赋存模式的粘聚力表达式,同时考虑在颗粒接触面积增大后高孔隙水压对黏聚力的影响。基于莫尔-库伦理论,得到含水合物沉积物的抗剪强度表达式。将计算结果与试验结果对比验证可知,该表达式可以很好的反映在不同的赋存模式以及水合物含量下的强度特性。（2）水合物分解会增大孔隙压力导致沉积物强度降低,从而引发海底自然灾害。考虑甲烷气体的溶解,基于热力学方程得到水合物分解产生的体积变化,再根据弹性变形规律修正水合物分解产生的孔隙压力表达式。将计算结果与模拟结果对比分析,可以发现本文得到的孔隙压力表达式可以更好的描述孔隙压力的增长规律。（3）含水合物沉积物因水合物胶结作用表现出结构性土的性质。在统一硬化模型（UH模型）框架下,为了考虑水合物赋存模式的影响以及胶结作用的退化,引入水合物有效饱和度、破损参数和结构性砂土的硬化规律修正屈服函数,建立含水合物沉积物的弹塑性本构模型。通过编制程序得到模拟结果并与室内三轴试验进行对比。结果表明:提出的本构模型可以很好的描述不同赋存模式下不同水合物含量以及围压的应力应变关系,表明该模型具有一定的合理性和适用性。

关键词：含水合物沉积物抗剪强度本构模型胶结作用赋存模式

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含水合物沉积物变形及强度特性

含水合物沉积物变形及强度特性

作者：颜梦秋桂林理工大学

学位级别：硕士

天然气水合物是由气体（主要是甲烷）和水在高压低温条件下形成的笼型结晶化合物,广泛分布于永久冻土层和深海沉积物。由于其分布广泛、埋藏浅、储量大、能量密度高等特点,被认为是未来潜在的战略储备能源。水合物的不当开采会诱发海底... 详细信息

天然气水合物是由气体（主要是甲烷）和水在高压低温条件下形成的笼型结晶化合物,广泛分布于永久冻土层和深海沉积物。由于其分布广泛、埋藏浅、储量大、能量密度高等特点,被认为是未来潜在的战略储备能源。水合物的不当开采会诱发海底滑坡、海底大规模沉降,威胁钻井平台安全,甚至大量甲烷气体泄露会导致温室效应,引发海啸。因此了解含水合物沉积物的变形及强度特性对含水合物沉积物地层稳定性评估以及水合物的安全开采具有重要意义。本文参照中国南海神狐海域SH3钻孔资料,室内制备含四氢呋喃（THF）水合物试样,开展一维压缩-回弹试验;并根据日本Nankai Trough沉积物特性,室内制备含甲烷水合物试样,开展三轴剪切试验。主要研究成果如下:（1）水合物饱和度和环境温度对含水合物土的一维压缩特性具有显著影响。随着水合物饱和度增大和环境温度降低,含水合物土越难被压缩,可压缩性变小。水合物饱和度和环境温度对屈服后压缩指数和回弹指数影响不明显,但水合物饱和度的提高和环境温度的降低明显减小屈服前压缩指数,增大先期固结压力。根据分析结果,提出了先期固结压力随水合物饱和度变化的经验关系式,并且给出了能有效描述一维压缩曲线的数学表达式。（2）含水合物沉积物的应力-应变曲线受水合物饱和度和有效围压共同影响,有效围压越高、水合物饱和度越高,应变软化特征越明显。水合物的存在提高了沉积物的刚度和强度,但对内摩擦角的影响不大。有效围压的增大也增加了沉积物强度和割线模量。引入软化系数对含水合物沉积物的软化特性进行了定量分析,并从微观机制上肯定了水合物损伤破碎是引起水合物胶结效应降低,从而导致应变软化行为的主要原因。在邓肯-张模型中引入损伤因子来描述含水合物沉积物在剪切过程中的损伤规律,并且建立了含水合物沉积物的修正邓肯-张本构模型,计算结果表明该模型能体现含水合物沉积物的主要力学特征。（3）温度和孔压对含水合物沉积物的应力-应变曲线有显著影响。随着温度的降低和孔隙压力的增加,含水合物沉积物发生应变软化和剪胀行为的趋势更强。较低的温度和较高的孔压明显提高了含水合物沉积物的刚度和强度。引入相态参数来表征温度和孔压对含水合物沉积物力学特性的影响。此外,还提出了割线模量、强度和粘聚力与相态参数关系的经验公式。模拟结果与试验数据具有较好的一致性,表明所提出的相态参数能够有效地描述温度和孔压条件,所提出的经验公式能够解决刚度和强度随温度和孔压条件的变化。

关键词：含水合物沉积物一维压缩三轴剪切力学特性

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含水合物沉积物降压分解物理模型试验

含水合物沉积物降压分解物理模型试验

作者：王心博浙江大学

学位级别：硕士

天然气水合物作为一种新兴能源,具有大储量、高能效和低污染等优点。我国南海天然气水合物资源储量巨大,进行可持续开发和利用可望有效缓解能源短缺问题。水合物开采往往诱发海床坍塌和开采设施工程灾变,研究水合物分解过程中储层沉积... 详细信息

天然气水合物作为一种新兴能源,具有大储量、高能效和低污染等优点。我国南海天然气水合物资源储量巨大,进行可持续开发和利用可望有效缓解能源短缺问题。水合物开采往往诱发海床坍塌和开采设施工程灾变,研究水合物分解过程中储层沉积物变形机理,优化降压开采技术方案提高产气效率,对于支撑天然气水合物安全高效开采、保证能源可持续发展具有重要意义。本文首先进行水合物降压开采超重力实验装置的研发和优化调试,然后开展系列常重力和超重力条件下的水合物降压分解试验;基于不同试验工况探究水合物分解过程中温度、孔压、产气规律和开釜后模型储层表观现象,进一步结合土力学有效应力原理对水合物分解过程中的超孔压和模型储层表观现象进行深入分析,最后综合储层稳定性和气体产量建议水合物降压分解产气效率优化方案,主要工作与研究成果如下:（1）研制具有线性伺服控压性能并能在超重力条件下工作的水合物降压开采实验装置,探究降压速率对含水合物沉积物分解特性的影响。一维降压分解过程中,沉积物内部孔压存在波动现象,波动时长与降压速率呈正相关;降压阶段会产生较大超静孔压,随时间呈“双驼峰”线型变化,峰值分别由降压导致低渗透性沉积物孔隙内外压差和水合物分解产生的水、气压力累积造成。降压阶段温度变化取决于降压速率,而稳压阶段则与孔压相关。降压速率越大,开釜后土体膨胀变形量越大,气孔分布越密集。（2）通过系列含水合物沉积物竖井开采模型试验,对比分析不同压降、饱和度以及降压边界工况下水合物分解过程中沉积物特性。竖井降压开采时,水合物分解域由开采井向釜壁边界径向发展,靠近开采井土体的温度率先下降,并随分解域的扩展而发展。水合物饱和度对开采孔压影响明显,水合物饱和度越高,出现孔压累积现象的概率越大。提高降压速率可以有效提高降压阶段的产气效率,但降压速率过高会导致水合物重生成堵塞渗流通道,造成孔压累积使产气受阻,合理的降压速率才能保证全过程产气效率最优。相比于表面一维降压,竖井降压有效减小开釜后的沉积物膨胀变形,这与不同降压边界引起不同的气液渗流模式有关。（3）开展含水合物沉积物降压分解超重力模型试验,通过超重力场有效再现水合物储层地基的梯度应力场,保证了模型试验相似准则。试验表明降压分解时水合物储层中上部存在圈闭效应,部分气体在储层中部无法及时消散而聚集,导致开釜后的储层表观现象与常重力试验显著不同。通过修正Grozic超静孔压模型与超重力试验对比,发现水合物分解程度较低时两者吻合较好,随着水合物持续分解理论计算值会比试验值偏大。超重力模型试验的产气模式与原位产气类似,均表现为降压前期出现产气峰值,之后产气速率减小并趋于稳定。

关键词：含水合物沉积物降压开采超重力模型试验超静孔压产气效率

含水合物沉积物损伤统计本构模型及其参数确定方法

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石油学报 2016年第10期37卷 1273-1279页

作者：李彦龙刘昌岭刘乐乐中国地质调查局青岛海洋地质研究所国土资源部天然气水合物重点实验室山东青岛266071 海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室山东青岛266071

通过建立含天然气水合物沉积物本构模型,揭示沉积物的变形规律,准确预测水合物储层的力学性质,是有效开发天然气水合物资源的基本保证。基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设,将统计强度理论与统... 详细信息

通过建立含天然气水合物沉积物本构模型,揭示沉积物的变形规律,准确预测水合物储层的力学性质,是有效开发天然气水合物资源的基本保证。基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设,将统计强度理论与统计损伤理论有机结合,建立了能同时描述含水合物沉积物应变软化规律和应变硬化规律的损伤统计本构模型,探讨了模型参数求解思路,验证了模型的准确性。结果证明,含水合物沉积物屈服后发生应变软化还是应变硬化,取决于有效围压、水合物饱和度的综合影响,反映在模型参数上表现为Weibull参数m、F0的共轭特性。模型参数主要影响含水合物沉积物损伤后的变化过程,对未损伤部分的影响较小。

关键词：含水合物沉积物本构模型力学响应有效围压损伤统计

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含水合物沉积物三轴剪切试验与损伤统计分析

力学学报 2016年第3期48卷 720-729页

作者：刘乐乐张旭辉刘昌岭业渝光国土资源部天然气水合物重点实验室青岛海洋地质研究所青岛266071 中国科学院力学研究所北京100190

天然气水合物开采诱发水合物分解,削弱水合物地层强度,可能导致地层滑动和生产平台倒塌等工程地质灾害,对水合物开采安全性构成严重威胁.深入理解含水合物沉积物力学性质并建立合理的本构关系模型是水合物开采安全性评价的前提条件.在... 详细信息

天然气水合物开采诱发水合物分解,削弱水合物地层强度,可能导致地层滑动和生产平台倒塌等工程地质灾害,对水合物开采安全性构成严重威胁.深入理解含水合物沉积物力学性质并建立合理的本构关系模型是水合物开采安全性评价的前提条件.在自主研发的含水合物沉积物力学性质测试实验装置上,采用饱和水海砂沉积物气体扩散法制备了含水合物沉积物样品,并开展了系列的排水三轴剪切试验,通过时域反射技术实现了样品中水合物饱和度的实时在线测量;基于复合材料的罗伊斯(Reuss)应力串联模型和沃伊特(Voigt)应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,结合损伤统计理论和摩尔-库伦破坏准则改进了含水合物沉积物的本构关系模型.结果表明:随着水合物饱和度的增加和有效围压的减小,应力-应变曲线由应变硬化型变为应变软化型,割线模量和峰值强度均随水合物饱和度与有效围压的增加而提高,黏聚力受水合物饱和度影响明显,而内摩擦角基本不变;提出的等效弹性模量细观力学混合律模型与改进的本构关系模型均具有良好的适用性,模型参数少且物理意义明确.

关键词：含水合物沉积物时域反射技术三轴剪切试验混合律模型统计损伤理论

含水合物沉积物合成方法及其对热、力学性质影响的研究进展

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科学技术与工程 2017年第26期17卷 146-155页

作者：张金华魏伟肖红平彭涌张巧珍中国地质大学(北京)海洋学院北京100083 中国石油勘探开发研究院廊坊分院廊坊065007

研究含水合物沉积物的热学和力学性质对保障天然气水合物的有效安全开采具有重要和应用意义。鉴于现场保压取样研究非常困难,目前常用的方法是利用实验室人工合成含水合物沉积物样品进行试验。首先总结了孔隙填充型、骨架(颗粒)支撑型... 详细信息

研究含水合物沉积物的热学和力学性质对保障天然气水合物的有效安全开采具有重要和应用意义。鉴于现场保压取样研究非常困难,目前常用的方法是利用实验室人工合成含水合物沉积物样品进行试验。首先总结了孔隙填充型、骨架(颗粒)支撑型、胶结型和颗粒包裹型的水合物在沉积物中的4种常见生长模式,以及不同生长模式下含水合物沉积物物理性质的差异;然后,介绍了溶解气法、部分水饱和法和种冰法3种实验室水合物合成方法及其对水合物生长模式的影响;最后,指出含水合物沉积物的热学性质和力学性质受到水合物饱和度、水合物生长模式等因素的综合影响,而水合物饱和度又受到水合物合成方法和水合物形成物的影响。因此,在开展实验研究过程中,应根据研究目的,选择合适的水合物形成物和水合物合成方法,以使得实验结果能够更好符合实际情况,从而指导生产实践。

关键词：含水合物沉积物生长模式合成方法热学与力学性质

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含水合物沉积物等效弹性模量混合律模型

地下空间与工程学报 2015年第S2期11卷 425-428,442页

作者：刘乐乐张旭辉刘昌岭张剑业渝光青岛海洋地质研究所山东青岛266071 国土资源部天然气水合物重点实验室山东青岛266071 中国科学院力学研究所北京100190

水合物开采安全性评价亟需合理的含水合物沉积物本构关系模型,而等效弹性模量的准确预测是建立合理本构关系模型的重要前提条件。本文基于复合材料经典的应力串联和应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,... 详细信息

水合物开采安全性评价亟需合理的含水合物沉积物本构关系模型,而等效弹性模量的准确预测是建立合理本构关系模型的重要前提条件。本文基于复合材料经典的应力串联和应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,与三轴压缩试验结果对比验证了该模型的适用性。研究结果表明:等效弹性模量细观力学混合律模型的模型参数少,且物理意义明确,其预测结果与试验数据符合良好;含水合物沉积物的割线模量随水合物饱和度与有效围压的增加而变大。

关键词：含水合物沉积物割线模量混合律模型水合物饱和度有效围压

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考虑含水合物沉积物损伤的多场耦合模型研究

岩土力学 2019年第11期40卷 4229-4239,4305页

作者：张小玲夏飞杜修力许成顺北京工业大学建筑工程学院北京100124 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124

天然气水合物是一种新型的清洁能源,具有广阔的应用前景。但在水合物开采过程中温压条件的改变会引起水合物的分解,导致含水合物沉积物胶结强度的丧失;同时,沉积物在加载过程中由于其内部微裂纹、缺陷逐渐扩展以及土颗粒间的水合物逐渐... 详细信息

天然气水合物是一种新型的清洁能源,具有广阔的应用前景。但在水合物开采过程中温压条件的改变会引起水合物的分解,导致含水合物沉积物胶结强度的丧失;同时,沉积物在加载过程中由于其内部微裂纹、缺陷逐渐扩展以及土颗粒间的水合物逐渐破碎也会引发含水合物沉积物的损伤,而以往对于水合物分解过程中多场耦合模型的研究忽略了沉积物结构损伤演化过程及其对耦合过程的影响。因此,基于连续损伤理论,在损伤统计本构模型中引入三参数的Weibull分布和残余强度修正系数,建立起考虑损伤阈值和残余强度影响的含水合物沉积物损伤统计本构模型;进而将本构模型嵌入到水合物分解过程的多场耦合模型中,建立了考虑含水合物沉积物损伤的温度-应力-渗流-化学(THMC)多场耦合数学模型;基于该模型讨论了含水合物沉积物结构损伤对水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的影响规律。通过计算分析发现:含水合物沉积物结构损伤对水合物分解的多场耦合过程具有显著影响,并且随着分解时间的增加,其影响逐渐增大。

关键词：含水合物沉积物损伤统计本构模型多场耦合