天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性研究

【摘要】：天然氣水合物作為一種重要的新能源,因其在世界范圍內(nèi)分布廣、儲(chǔ)量大,引起世界各國(guó)包括我國(guó)政府在內(nèi)的高度關(guān)注。天然氣水合物勘探和開發(fā)可能會(huì)引起海底滑坡、井壁坍塌、工程結(jié)構(gòu)物破壞以及甲烷氣體泄漏等災(zāi)害。本文針對(duì)上述過(guò)程涉及的天然氣水合物儲(chǔ)層力學(xué)問(wèn)題,開展了實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研究,以期為天然氣水合物安全開采提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。 根據(jù)天然氣水合物穩(wěn)定存在的低溫、高壓特點(diǎn),研制了一套專用的TAW-60低溫、高壓水合物三軸儀,以及與之配套的壓力晶析制樣裝置。采用混合制樣法制備天然氣水合物沉積物試樣,實(shí)驗(yàn)研究了溫度、圍壓、水合物含量等對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性的影響。首次發(fā)現(xiàn)了高圍壓條件下凍土區(qū)天然氣水合物沉積物和含冰粉天然氣水合物強(qiáng)度降低的現(xiàn)象,獲得了凍土區(qū)天然氣水合物沉積物的剪切強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù),提出了分段線性強(qiáng)度準(zhǔn)則和高圍壓條件下的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則,驗(yàn)證了高圍壓條件下修正Duncan-Chang模型對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物沉積物的適用性。 利用日本山口大學(xué)溫控、高壓水合物三軸儀,采用原位生成法制備天然氣水合物沉積物試樣。系統(tǒng)分析了不同荷載條件下,注熱開采與降壓開采過(guò)程對(duì)海底天然氣水合物儲(chǔ)層穩(wěn)定性的影響。研究表明,當(dāng)天然氣水合物沉積物承受的荷載大于分解后沉積物的強(qiáng)度時(shí),注熱開采會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物儲(chǔ)層的破壞,降壓開采不會(huì)導(dǎo)致天然氣水合物儲(chǔ)層的破壞,而水壓回復(fù)過(guò)程則有可能造成儲(chǔ)層的破壞。研究了氣飽和天然氣水合物沉積物及C02水合物沉積物的強(qiáng)度及變形特性,詳細(xì)分析了溫度、孔隙壓力、有效圍壓、水合物飽和度等對(duì)其力學(xué)特性的影響,并與水飽和天然氣水合物沉積物進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)相同條件下氣飽和天然氣水合物沉積物的強(qiáng)度、剛度、體積變形均大于水飽和天然氣水合物沉積物,且氣飽和天然氣水合物沉積物呈現(xiàn)出更明顯的剪脹和應(yīng)變軟化現(xiàn)象。證實(shí)了在一定溫度、壓力條件下,采用C02置換法開采天然氣水合物在力學(xué)穩(wěn)定性上是可行的。 基于大量實(shí)驗(yàn)研究獲得的天然氣水合物沉積物應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,在修正劍橋模型(Modified Cam-Clay Model)的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入次加載面(Subloading surface)理論,同時(shí)考慮天然氣水合物對(duì)沉積物剪脹和黏聚力的影響,建立了適用于海底天然氣水合物沉積物的新的彈塑性本構(gòu)模型。 【關(guān)鍵詞】：天然氣水合物 變形特性 強(qiáng)度準(zhǔn)則 本構(gòu)模型
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TE642
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-17
• 主要符號(hào)表17-19
• 1 緒論19-43
• 1.1 選題目的與研究意義19-21
• 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展21-41
• 1.2.1 相關(guān)設(shè)備研究進(jìn)展22-29
• 1.2.2 天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性研究進(jìn)展29-41
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容41-43
• 2 凍土區(qū)天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性研究43-67
• 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料與方法43-50
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置43-45
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料45-46
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟46-49
• 2.1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容49-50
• 2.2 凍土區(qū)天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性50-55
• 2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線50-51
• 2.2.2 圍壓影響51-53
• 2.2.3 溫度影響53-55
• 2.3 凍土區(qū)天然氣水合物沉積物強(qiáng)度準(zhǔn)則55-61
• 2.3.1 不同圍壓條件下凍土區(qū)天然氣水合物沉積物強(qiáng)度準(zhǔn)則55-58
• 2.3.2 高圍壓條件下凍土區(qū)天然氣水合物沉積物強(qiáng)度準(zhǔn)則58-61
• 2.4 高圍壓條件下凍土區(qū)天然氣水合物沉積物本構(gòu)模型61-66
• 2.4.1 天然氣水合物沉積物的修正Duncan-Chang模型61-64
• 2.4.2 修正Duncan-Chang模型驗(yàn)證64-66
• 2.5 本章小結(jié)66-67
• 3 含冰粉天然氣水合物強(qiáng)度及變形特性研究67-80
• 3.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料與方法67-69
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料67
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟67-69
• 3.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容69
• 3.2 含冰粉天然氣水合物強(qiáng)度及變形特性69-76
• 3.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線69-72
• 3.2.2 圍壓影響72-74
• 3.2.3 水合物體積含量影響74-75
• 3.2.4 含冰粉天然氣水合物破壞強(qiáng)度75-76
• 3.3 含冰粉天然氣水合物強(qiáng)度準(zhǔn)則76-79
• 3.4 本章小結(jié)79-80
• 4 水合物分解對(duì)海底沉積物強(qiáng)度及變形特性影響研究80-105
• 4.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料與方法81-86
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置81-84
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)材料84
• 4.1.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟84-85
• 4.1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容85-86
• 4.2 注熱分解對(duì)海底天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性影響86-92
• 4.2.1 注熱分解對(duì)等壓固結(jié)試樣強(qiáng)度及變形特性的影響86-90
• 4.2.2 注熱分解對(duì)K_0固結(jié)試樣強(qiáng)度及變形特性的影響90-92
• 4.3 降壓分解對(duì)海底天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性影響92-100
• 4.3.1 降壓分解對(duì)等壓固結(jié)試樣強(qiáng)度及變形特性的影響93-96
• 4.3.2 降壓分解對(duì)K_0固結(jié)試樣強(qiáng)度及變形特性的影響96-100
• 4.4 降壓速率、降壓幅度對(duì)試樣變形特性及飽和度的影響100-103
• 4.5 本章小結(jié)103-105
• 5 海底氣飽和天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性研究105-120
• 5.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料與方法106-107
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料106
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟106
• 5.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容106-107
• 5.2 海底氣飽和天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性107-118
• 5.2.1 水合物飽和度影響107-111
• 5.2.2 孔隙壓力影響111-113
• 5.2.3 有效圍壓影響113-115
• 5.2.4 溫度影響115-116
• 5.2.5 與水飽和試樣比較研究116-118
• 5.3 本章小結(jié)118-120
• 6 CO_2水合物與天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性比較研究120-132
• 6.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料與方法121-122
• 6.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置、材料121
• 6.1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟121-122
• 6.1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容122
• 6.2 CO_2水合物與天然氣水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性比較122-131
• 6.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線122-125
• 6.2.2 飽和度影響125-126
• 6.2.3 有效圍壓影響126-128
• 6.2.4 溫度影響128-129
• 6.2.5 剪切強(qiáng)度比較129-131
• 6.3 本章小結(jié)131-132
• 7 海底天然氣水合物沉積物本構(gòu)模型研究132-150
• 7.1 本構(gòu)模型介紹132-137
• 7.1.1 修正劍橋模型簡(jiǎn)介132-136
• 7.1.2 次加載面理論簡(jiǎn)介136-137
• 7.2 海底天然氣水合物沉積物本構(gòu)模型137-148
• 7.2.1 基本假設(shè)138
• 7.2.2 本構(gòu)方程誘導(dǎo)138-145
• 7.2.3 本構(gòu)方程驗(yàn)證及參數(shù)的確定145-148
• 7.3 本章小結(jié)148-150
• 8 結(jié)論與展望150-153
• 8.1 結(jié)論150-151
• 8.2 展望151-152
• 8.3 創(chuàng)新點(diǎn)摘要152-153
• 參考文獻(xiàn)153-164
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況及參與科研項(xiàng)目164-166
• 致謝166-167
• 作者簡(jiǎn)介167-168

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