甲烷水合物及其沉積物的力學特性研究

【摘要】：作為石化燃料的潛在替代品,天然氣水合物受到世界范圍內(nèi)越來越多的科學家的廣泛關(guān)注。然而,天然氣水合物開采會影響到完整的地質(zhì)構(gòu)造和開采工程設(shè)施等的穩(wěn)定性,容易引發(fā)海底滑坡、海嘯等自然災(zāi)害。因此,水合物及沉積層的基礎(chǔ)力學特性研究對天然氣的商業(yè)化開采具有重要意義。 本文主要進行了以下研究工作： 研制了適用于天然氣水合物的低溫高壓三軸實驗儀,并在實驗室條件下模擬和控制水合物穩(wěn)定存在條件。同時研制了壓力析晶制樣裝置,壓縮制成三軸實驗所需的原位條件下水合物及其沉積物試樣。 利用新開發(fā)的水合物三軸試驗儀,測量含冰甲烷水合物的在不同溫度、圍壓和應(yīng)變速率下的力學特性。分析了圍壓、溫度和應(yīng)變速率對破壞強度、變形模量和強度參數(shù)的影響。結(jié)果表明,含冰水合物的破壞強度隨著圍壓和應(yīng)變速率的增加而增加,并且隨著溫度的降低而增加。通過摩爾庫倫準則分析發(fā)現(xiàn)破壞強度的變化主要是受到內(nèi)聚力的影響,內(nèi)聚力隨溫度的降低而顯著增加。 依據(jù)含冰甲烷水合物試樣的三軸壓縮試驗結(jié)果,分析了起始屈服應(yīng)變、起始屈服強度、起始屈服模量、初始變形模量、極限偏應(yīng)力和破壞比隨圍壓和溫度變化的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)起始屈服應(yīng)變、起始屈服強度、初始變形模量和極限偏主應(yīng)力均隨圍壓的增加和溫度的降低而增加；起始屈服模量僅受溫度影響；并在Duncan-Chang模型基礎(chǔ)上,加入了損傷比和溫度參數(shù),建立了適用于含冰甲烷水合物的本構(gòu)模型。 利用天然粘土和含冰甲烷水合物制成人工水合物粘土沉積物,并測量其在不同溫度、圍壓、應(yīng)變速率下的力學特性。分析了φ60(孔隙度為60%)甲烷水合物沉積物的強度及其強度參數(shù)與溫度、圍壓和應(yīng)變速率之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)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(yīng)變速率的增加而增加。摩擦角和內(nèi)聚力隨溫度降低而增加,隨應(yīng)變速率增加而增加。 利用含冰水合物與粘土的不同配比制成多種孔隙度的水合物沉積物樣品,研究了孔隙度對其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、強度和模量的影響。結(jié)果表明,沉積物的強度隨孔隙度增加而明顯下降,內(nèi)聚力隨孔隙度的增加而減小,而內(nèi)摩擦角基本不變。 依據(jù)甲烷水合物沉積物的三軸實驗數(shù)據(jù),在Duncan-Chang模型基礎(chǔ)上,建立了含孔隙度、溫度、圍壓和應(yīng)變速率參數(shù)的本構(gòu)模型,適用于甲烷水合物沉積物。 【關(guān)鍵詞】：甲烷水合物 甲烷水合物沉積物 三軸試驗 強度 本構(gòu)關(guān)系
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：P744.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-36
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 天然氣水合物介紹12-14
• 1.2.1 天然氣水合物的物性和結(jié)構(gòu)12-13
• 1.2.2 天然氣水合物的形成與分布13-14
• 1.2.3 天然氣水合物的研究歷史及現(xiàn)狀14
• 1.3 天然氣水合物力學特性研究進展14-26
• 1.3.1 水合物沉積層力學特性的現(xiàn)場調(diào)查14-15
• 1.3.2 水合物沉積物力學參數(shù)模型和數(shù)值模擬研究15-18
• 1.3.3 水合物及其沉積物力學特性實驗室研究進展18-26
• 1.4 水合物力學測試實驗設(shè)備及試樣制備方式研究進展26-33
• 1.4.1 水合物低溫高壓三軸儀研究進展27-31
• 1.4.2 水合物試樣的室內(nèi)合成方法研究進展31-33
• 1.5 本論文的研究工作33-36
• 1.5.1 選題依據(jù)及研究意義33-34
• 1.5.2 主要研究內(nèi)容34-35
• 1.5.3 主要創(chuàng)新點35-36
• 2 含冰甲烷水合物的力學特性研究36-53
• 2.1 實驗裝置與實驗方法36-41
• 2.1.1 實驗裝置與材料36-39
• 2.1.2 實驗方法與步驟39-41
• 2.1.3 實驗內(nèi)容41
• 2.2 含冰甲烷水合物的力學特性分析41-51
• 2.2.1 含冰甲烷水合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性42-44
• 2.2.2 圍壓和溫度對含冰甲烷水合物起始屈服應(yīng)變的影響44
• 2.2.3 圍壓和溫度對含冰甲烷水合物起始屈服強度的影響44-46
• 2.2.4 圍壓和溫度對含冰甲烷水合物起始屈服模量的影響46
• 2.2.5 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對含冰甲烷水合物的強度的影響46-48
• 2.2.6 摩爾-庫倫破壞標準分析含冰甲烷水合物的破壞強度48-50
• 2.2.7 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對含冰甲烷水合物的變形模量的影響50-51
• 2.2.8 含冰甲烷水合物的三軸強度與變形模量的關(guān)系51
• 2.3 本章小結(jié)51-53
• 3 含冰甲烷水合物的本構(gòu)關(guān)系分析53-65
• 3.1 土力學的Duncan-Chang模型53-57
• 3.2 基于Duncan-Chang模型的含冰水合物應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系57-61
• 3.2.1 Duncan-Chang模型的參數(shù)a和b57-59
• 3.2.2 圍壓和溫度對初始變形模量的影響59-60
• 3.2.3 圍壓和溫度對極限偏應(yīng)力的影響60
• 3.2.4 圍壓和溫度對破壞比的影響60-61
• 3.3 含冰甲烷水合物修正Duncan-Chang模型61-64
• 3.4 本章小結(jié)64-65
• 4 甲烷水合物沉積物的力學特性研究65-95
• 4.1 實驗裝置與實驗方法65-67
• 4.1.1 實驗裝置與材料65-66
• 4.1.2 實驗方法與步驟66
• 4.1.3 實驗內(nèi)容66-67
• 4.2 φ60甲烷水合物沉積物的力學特性分析67-81
• 4.2.1 φ60甲烷水合物沉積物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性68-70
• 4.2.2 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對φ60沉積物起始屈服應(yīng)變的影響70-72
• 4.2.3 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對φ60沉積物起始屈服強度的影響72-74
• 4.2.4 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對φ60沉積物起始屈服模量的影響74-75
• 4.2.5 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對φ60沉積物強度的影響75-79
• 4.2.6 摩爾-庫倫破壞標準分析φ60沉積物的破壞強度79-81
• 4.3 不同孔隙度下甲烷水合物沉積物的力學特性分析81-93
• 4.3.1 不同孔隙度下沉積物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性81-84
• 4.3.2 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對不同孔隙度沉積物起始屈服應(yīng)變影響84-85
• 4.3.3 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對不同孔隙度沉積物起始屈服強度影響85-87
• 4.3.4 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對不同孔隙度沉積物起始屈服模量影響87-88
• 4.3.5 圍壓、溫度和應(yīng)變速率對不同孔隙度沉積物強度的影響88-91
• 4.3.6 摩爾-庫倫破壞標準分析不同孔隙度下沉積物的破壞強度91-93
• 4.4 本章小結(jié)93-95
• 5 甲烷水合物沉積物的本構(gòu)關(guān)系分析95-110
• 5.1 φ60甲烷水合物沉積物本構(gòu)關(guān)系95-102
• 5.1.1 基于Duncan-Chang模型的甲烷水合物沉積物本構(gòu)關(guān)系95-96
• 5.1.2 與溫度和圍壓相關(guān)的甲烷水合物沉積物本構(gòu)關(guān)系96-99
• 5.1.3 與應(yīng)變速率和圍壓相關(guān)的甲烷水合物沉積物本構(gòu)關(guān)系99-102
• 5.2 不同孔隙度下的甲烷水合物沉積物的本構(gòu)關(guān)系102-108
• 5.2.1 與孔隙度和圍壓相關(guān)的甲烷水合物沉積物本構(gòu)關(guān)系102-105
• 5.2.2 與孔隙度和應(yīng)變速率相關(guān)的甲烷水合物沉積物本構(gòu)關(guān)系105-108
• 5.3 本章小結(jié)108-110
• 6 結(jié)論與建議110-113
• 6.1 結(jié)論110-112
• 6.2 建議112-113
• 參考文獻113-120
• 攻讀博士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況120-122
• 致謝122-123
• 作者簡介123-124

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