甲烷水合物及其沉积物的蠕变特性研究

【摘要】：天然气水合物被公认为21世纪的重要后续能源,受到世界范围内越来越多的国家关注。但是,天然气水合物矿藏的开发会引起储层地质结构的变化,容易引发海底滑坡、海啸等地质灾害。目前各研究机构陆续进行了天然气水合物基础力学特性的研究,但是对其蠕变特性的研究很少,因此,研究水合物及其沉积层的蠕变特性对天然气水合物矿藏的商业开采具有指导意义。 本文的主要研究工作和研究成果如下： 利用实验室自主研发的水合物高压低温三轴仪,开展含冰甲烷水合物在不同温度、不同围压、不同加载负荷下的蠕变压缩试验,系统分析围压、温度和应变速率对含冰甲烷水合物轴向形变和蠕变速率的影响,并建立相应的数学表达式。结果表明,含冰甲烷水合物的轴向形变和蠕变速率随温度和荷载的升高而增大,随围压的升高而减小。通含冰甲烷水合物蠕变速率随荷载和围压的变化呈线性变化,与温度呈非线性变化,且温度越靠近O℃,蠕变速率的增加幅度越大。 利用天然粘土和含冰甲烷水合物制成水合物沉积物试样,并测量其在高应力条件、低应力条件和变荷载时的蠕变特性。分析了Φ60(孔隙度为60%)甲烷水合物沉积物的蠕变特性与温度、围压和荷载之间的关系。结果表明,在高应力条件下,即使试样进入破坏阶段,其蠕变曲线仍呈现一定衰减性,温度和荷载的变化对水合物沉积物蠕变特性的影响仍然很大。试样被破坏后,仍然具有一定的黏弹性。在低应力条件下,甲烷水合物沉积物的轴向形变和蠕变速率随温度和荷载的升高而增大,随围压的升高而减小。在变荷载条件下,变载后的蠕变曲线普遍表现为变载后出现新一轮阻尼蠕变阶段和等速蠕变阶段,但最终都与常载蠕变曲线相差越来越大。 依据含冰甲烷水合物和水合物沉积物的蠕变曲线得到试样不同时刻的应力-应变关系曲线,研究发现本研究中的蠕变试验呈现衰减性,导致不同时刻的应力-应变关系也呈现衰减性。试样的可变模量随时间的增加而减小,强化系数基本不随时间变化而变化。蠕变压缩初期含冰甲烷水合物的可变模量大于水合物沉积物的可变模量,随着时间的增加逐渐变小,甲烷水合物的强化系数一直大于水合物沉积物的强化系数。 利用不同体积比的含冰甲烷水合物和天然粘土制备孔隙度不同的水合物沉积物试样,研究了孔隙度对水合物沉积物蠕变特性的影响。结果表明,沉积物的轴向位移和蠕变速率整体上随孔隙度的增加而下降。 【关键词】：甲烷水合物 甲烷水合物沉积物 蠕变
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 水合物力学特性试验装置及试样制备方法研究进展10-13
• 1.3 天然气水合物力学特性研究进展13-15
• 1.4 本论文的研究工作15-17
• 1.4.1 选题依据及研究意义15-16
• 1.4.2 主要研究内容16-17
• 2 含冰甲烷水合物的蠕变特性研究17-30
• 2.1 实验装置与实验方法18-21
• 2.1.1 实验装置与材料18-19
• 2.1.2 实验方法与实验步骤19-20
• 2.1.3 实验内容20-21
• 2.2 含冰甲烷水合物的蠕变特性分析21-29
• 2.2.1 含冰甲烷水合物的蠕变曲线特性21-23
• 2.2.2 围压、温度和加载负荷对含冰甲烷水合物蠕变特性的影响23-26
• 2.2.3 蠕变曲线的数学描述26-29
• 2.3 本章小结29-30
• 3 甲烷水合物沉积物的蠕变特性研究30-50
• 3.1 实验装置与实验方法30-32
• 3.1.1 实验装置与材料30-31
• 3.1.2 实验内容31-32
• 3.2 Φ60甲烷水合物沉积物在高荷载下的蠕变曲线特性32-36
• 3.3 Φ60甲烷水合物沉积物在低荷载下的蠕变曲线特性36-38
• 3.4 围压、温度和加载负荷对Φ60甲烷水合物沉积物蠕变特性的影响38-41
• 3.5 蠕变曲线数学描述41-42
• 3.6 甲烷水合物沉积物变工况时的蠕变特性42-44
• 3.7 不同孔隙度下甲烷水合物沉积物的蠕变特性分析44-48
• 3.8 本章小结48-50
• 4 含冰甲烷水合物及其沉积物的应力应变关系50-59
• 4.1 含冰甲烷水合物应力-应变关系50-52
• 4.2 Φ60甲烷水合物沉积物应力-应变关系52-54
• 4.3 对可变模量和修正系数的讨论54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 结论59-61
• 参考文献61-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况65-66
• 致谢66-67

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