天然气水合物分解对沉积物力学特性的影响研究

The dissociation of hydrate may result in engineering failure and geological disasters during the exploration process of gas hydrate from marine sediments. So the safe and efficient exploitation is the key problem for gas hydrate resource utilization. Against this background, in order to study on effect of gas hydrate decomposition on mechanical properties of sediments, the stress-strain relationship of sediments is tested by using triaxial testing methods in this project. The effect of saturation, temperature and confining pressure on strength, modulus, bulk, cohesion and friction angle is analyzed, and the effect of decomposition mode and rate on strength, bulk, shear dilatancy shrinkage, consolidation coefficient and permeability is analyzed. On the basis of experiments, the elastoplastic constitutive model and coupled thermal-hydrological-mechanical model are built, and the simulation study on deformation of hydrate sediments is carried out. Through comparative analysis of experimental and simulation results, the effect of hydrate decomposition on strength, stress field, stability of sediments is analyzed. The mechanical properties of sediment are revealed during the hydrate decomposition. This project provides theoretical basis for the prevention and control of sedimentary damage induced hydrate decomposition, and is also valuable for the safe and efficient exploitation of gas hydrate in future.

在天然气水合物开采过程中水合物的分解会引起工程破坏与地质灾害等严重后果，因此如何安全有效开采是天然气水合物资源利用所面临的关键问题，本项目以此为背景，以研究天然气水合物分解对沉积物力学特性的影响为目的，采用三轴剪切试验方法测试天然气水合物沉积物的应力应变关系，综合分析水合物饱和度、温度和有效围压对沉积物的强度、模量、体变、内聚力和摩擦角等参数的影响，以及不同分解方式和分解速率对沉积物的强度、体变、剪胀缩、压密系数和渗透率等参数的影响。在实验基础上，进一步建立相关的水合物沉积物弹塑性本构模型和热流固多场耦合模型，开展水合物分解时沉积物变形破坏过程的模拟研究。通过对比分析实验和模拟结果，分析水合物分解对沉积物的强度、应力场变化以及稳定性的影响，揭示水合物分解过程中沉积物力学特性变化。该项目研究为防治水合物分解诱发的沉积层破坏等问题提供理论依据，对于未来天然气水合物的安全有效开采有着重要的价值。

作为石化燃料的潜在替代品，天然气水合物受到世界范围内越来越多的科学家的广泛关注。然而，天然气水合物开采会影响到完整的地质构造和开采工程设施等的稳定性，容易引发海底滑坡、海啸等自然灾害。因此，水合物及沉积层的基础力学特性研究对天然气的商业化开采具有重要意义。.本项目利用人工制成的天然气水合物沉积物进行三轴实验，测量其在不同温度、围压、应变速率下的力学特性。分析了甲烷水合物沉积物的强度及其强度参数与温度、围压和应变速率之间的关系。研究发现甲烷水合物沉积物的强度随围压的增加而增加，随温度的降低而增加，随应变速率的增加而增加。摩擦角和内聚力随温度降低而增加，随应变速率增加而增加。本项目同时研究了孔隙度对其应力应变关系、强度和模量的影响。结果表明，沉积物的强度随孔隙度增加而明显下降，内聚力随孔隙度的增加而减小，而内摩擦角基本不变。.本项目通过升高温度和降低压力两种方式，使水合物沉积物的外在环境条件处于水合物相平衡区域之外，从而使水合物慢慢分解，并通过三轴试验方法测试其力学特性。实验结果表明，水合物的分解降低了水合物沉积物的强度。在初始变形阶段，与稳定状态下的应力应变曲线基本重合，水合物沉积物的初始弹性模量等参数基本保持不变。初始阶段之后弹性模量大幅度降低。.本项目依据甲烷水合物沉积物的三轴实验数据，在Duncan-Chang 模型基础上，建立了含温度和围压参数的本构模型；与实验相比，应力应变关系预测比较吻合；适用于甲烷水合物沉积物。应用 BIOT 固结理论，构建可以反映水合物分解沉积层变形的热流固多场耦合模型。进而耦合 TOUGH HYDRATE 水合物模拟软件和热流固多场耦合模型，并模拟了降压法水合物开采。模拟结果反映了温度、压力和饱和度随时间变化情况，以及分布状态。结果表明了降压造成的在水平方向的多孔系数的增大导致了剪切应力的增加，而垂直应力大致不变。