甲烷水合物及其沉积物的力学特性研究

【摘要】：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。 本文主要进行了以下研究工作： 研制了适用于天然气水合物的低温高压三轴实验仪,并在实验室条件下模拟和控制水合物稳定存在条件。同时研制了压力析晶制样装置,压缩制成三轴实验所需的原位条件下水合物及其沉积物试样。 利用新开发的水合物三轴试验仪,测量含冰甲烷水合物的在不同温度、围压和应变速率下的力学特性。分析了围压、温度和应变速率对破坏强度、变形模量和强度参数的影响。结果表明,含冰水合物的破坏强度随着围压和应变速率的增加而增加,并且随着温度的降低而增加。通过摩尔库伦准则分析发现破坏强度的变化主要是受到内聚力的影响,内聚力随温度的降低而显著增加。 依据含冰甲烷水合物试样的三轴压缩试验结果,分析了起始屈服应变、起始屈服强度、起始屈服模量、初始变形模量、极限偏应力和破坏比随围压和温度变化的关系。研究发现起始屈服应变、起始屈服强度、初始变形模量和极限偏主应力均随围压的增加和温度的降低而增加；起始屈服模量仅受温度影响；并在Duncan-Chang模型基础上,加入了损伤比和温度参数,建立了适用于含冰甲烷水合物的本构模型。 利用天然粘土和含冰甲烷水合物制成人工水合物粘土沉积物,并测量其在不同温度、围压、应变速率下的力学特性。分析了φ60(孔隙度为60%)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。 利用含冰水合物与粘土的不同配比制成多种孔隙度的水合物沉积物样品,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。 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,建立了含孔隙度、温度、围压和应变速率参数的本构模型,适用于甲烷水合物沉积物。 【关键词】：甲烷水合物 甲烷水合物沉积物 三轴试验 强度 本构关系
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-36
• 1.1 研究背景10-12
• 1.2 天然气水合物介绍12-14
• 1.2.1 天然气水合物的物性和结构12-13
• 1.2.2 天然气水合物的形成与分布13-14
• 1.2.3 天然气水合物的研究历史及现状14
• 1.3 天然气水合物力学特性研究进展14-26
• 1.3.1 水合物沉积层力学特性的现场调查14-15
• 1.3.2 水合物沉积物力学参数模型和数值模拟研究15-18
• 1.3.3 水合物及其沉积物力学特性实验室研究进展18-26
• 1.4 水合物力学测试实验设备及试样制备方式研究进展26-33
• 1.4.1 水合物低温高压三轴仪研究进展27-31
• 1.4.2 水合物试样的室内合成方法研究进展31-33
• 1.5 本论文的研究工作33-36
• 1.5.1 选题依据及研究意义33-34
• 1.5.2 主要研究内容34-35
• 1.5.3 主要创新点35-36
• 2 含冰甲烷水合物的力学特性研究36-53
• 2.1 实验装置与实验方法36-41
• 2.1.1 实验装置与材料36-39
• 2.1.2 实验方法与步骤39-41
• 2.1.3 实验内容41
• 2.2 含冰甲烷水合物的力学特性分析41-51
• 2.2.1 含冰甲烷水合物的应力-应变曲线特性42-44
• 2.2.2 围压和温度对含冰甲烷水合物起始屈服应变的影响44
• 2.2.3 围压和温度对含冰甲烷水合物起始屈服强度的影响44-46
• 2.2.4 围压和温度对含冰甲烷水合物起始屈服模量的影响46
• 2.2.5 围压、温度和应变速率对含冰甲烷水合物的强度的影响46-48
• 2.2.6 摩尔-库伦破坏标准分析含冰甲烷水合物的破坏强度48-50
• 2.2.7 围压、温度和应变速率对含冰甲烷水合物的变形模量的影响50-51
• 2.2.8 含冰甲烷水合物的三轴强度与变形模量的关系51
• 2.3 本章小结51-53
• 3 含冰甲烷水合物的本构关系分析53-65
• 3.1 土力学的Duncan-Chang模型53-57
• 3.2 基于Duncan-Chang模型的含冰水合物应力应变关系57-61
• 3.2.1 Duncan-Chang模型的参数a和b57-59
• 3.2.2 围压和温度对初始变形模量的影响59-60
• 3.2.3 围压和温度对极限偏应力的影响60
• 3.2.4 围压和温度对破坏比的影响60-61
• 3.3 含冰甲烷水合物修正Duncan-Chang模型61-64
• 3.4 本章小结64-65
• 4 甲烷水合物沉积物的力学特性研究65-95
• 4.1 实验装置与实验方法65-67
• 4.1.1 实验装置与材料65-66
• 4.1.2 实验方法与步骤66
• 4.1.3 实验内容66-67
• 4.2 φ60甲烷水合物沉积物的力学特性分析67-81
• 4.2.1 φ60甲烷水合物沉积物的应力-应变曲线特性68-70
• 4.2.2 围压、温度和应变速率对φ60沉积物起始屈服应变的影响70-72
• 4.2.3 围压、温度和应变速率对φ60沉积物起始屈服强度的影响72-74
• 4.2.4 围压、温度和应变速率对φ60沉积物起始屈服模量的影响74-75
• 4.2.5 围压、温度和应变速率对φ60沉积物强度的影响75-79
• 4.2.6 摩尔-库伦破坏标准分析φ60沉积物的破坏强度79-81
• 4.3 不同孔隙度下甲烷水合物沉积物的力学特性分析81-93
• 4.3.1 不同孔隙度下沉积物的应力-应变曲线特性81-84
• 4.3.2 围压、温度和应变速率对不同孔隙度沉积物起始屈服应变影响84-85
• 4.3.3 围压、温度和应变速率对不同孔隙度沉积物起始屈服强度影响85-87
• 4.3.4 围压、温度和应变速率对不同孔隙度沉积物起始屈服模量影响87-88
• 4.3.5 围压、温度和应变速率对不同孔隙度沉积物强度的影响88-91
• 4.3.6 摩尔-库伦破坏标准分析不同孔隙度下沉积物的破坏强度91-93
• 4.4 本章小结93-95
• 5 甲烷水合物沉积物的本构关系分析95-110
• 5.1 φ60甲烷水合物沉积物本构关系95-102
• 5.1.1 基于Duncan-Chang模型的甲烷水合物沉积物本构关系95-96
• 5.1.2 与温度和围压相关的甲烷水合物沉积物本构关系96-99
• 5.1.3 与应变速率和围压相关的甲烷水合物沉积物本构关系99-102
• 5.2 不同孔隙度下的甲烷水合物沉积物的本构关系102-108
• 5.2.1 与孔隙度和围压相关的甲烷水合物沉积物本构关系102-105
• 5.2.2 与孔隙度和应变速率相关的甲烷水合物沉积物本构关系105-108
• 5.3 本章小结108-110
• 6 结论与建议110-113
• 6.1 结论110-112
• 6.2 建议112-113
• 参考文献113-120
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况120-122
• 致谢122-123
• 作者简介123-124

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