四氢呋喃水合物沉积物力学特性及影响因素的研究

摘要

近年来，天然气水合物由于具有良好的利用前景和极高的开采价值而引起重视，许多国家已将商业化开采天然气水合物上升为国家战略计划。中国同样将天然气水合物定为重点研发方向之一，并针对南海地区先后展开两轮关于海洋水合物的现场试采项目。在勘采的过程当中，温度和压力状态的转变易使得天然气水合物溢出甲烷气体，由此打破自身所赋存的沉积物储层的力学构造，进而可能导致井涌、井喷、储层变形、井筒大量出砂和倒坍等一系列问题，因而，对多孔介质水合物，即水合物沉积物的力学特性开展相关的探究具有较大的必要性。　　由于四氢呋喃水合物的结构、力学特性均与天然气水合物相似，且能同水在任何比例下相互溶解，与多孔介质样品混合后所生成的水合物能够基本上均匀地存在于样品内部的沉积物颗粒之间，此外，四氢呋喃溶液能在常压和0~4℃合成水合物颗粒，因而，通常情况下以四氢呋喃替换甲烷以研究所生成的水合物的相关力学及物理化学特性。　　本文首先针对四氢呋喃水合物沉积物样品的制备方式，分析和验证了实验中的温度控制问题、样品中四氢呋喃水合物是否存在，以及对样品的解冻时间的考量。然后，确定了饱和度、粒径、胶结态与非胶结态为影响因素，展开不同影响因素下，对四氢呋喃水合物沉积物样品的相关重要的力学参数（屈服强度、峰值强度、初始弹性模量、割线模量、内摩擦角、粘聚力）的实验情况的探究。研究成果主要包括以下内容：　　①针对含胶结态四氢呋喃水合物沉积物样品，证实样品内饱和度和沉积物颗粒粒径的增加，会导致样品的屈服强度、峰值强度、初始弹性模量、割线模量随之增大；　　②针对含胶结态四氢呋喃水合物沉积物样品，样品的内摩擦角与样品内饱和度关联不大且随样品内部的粒径的增加而增大，样品的粘聚力随样品内饱和度的增加而增大且与样品内部的粒径的关联不大；　　③以沉积物颗粒粒径和饱和度为变量的含胶结态四氢呋喃水合物沉积物样品，当样品内饱和度较低时，样品强度主要由沉积物颗粒主导，越细粒径的沉积物颗粒对应的样品强度越大；当样品内饱和度较高时，样品强度主要由样品内饱和度主导，越粗粒径的沉积物颗粒对应的样品强度越大；　　④针对含非胶结态四氢呋喃水合物沉积物样品，与含胶结态水合物样品相比在压缩初期增加一个缓慢折线上升阶段，且其强度峰值在同等条件下显著低于含胶结态水合物样品，样品内饱和度对含非胶结态四氢呋喃水合物沉积物样品的粘聚力的作用较小，而样品的内摩擦角随含非胶结态四氢呋喃水合物沉积物样品内饱和度的增加而增大。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 天然气水合物基本性质

1.3 研究现状

1.3.1 天然气水合物沉积物样品合成方法研究进展

1.3.2天然气水合物沉积物样品与四氢呋喃水合物沉积物样品对比

1.3.3水合物沉积物样品力学特性研究进展

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 四氢呋喃水合物沉积物力学特性的实验

2.1 实验装置

2.2.1 样品原料

2.2.2 制样方式

2.3 实验方法

2.4.1 温度控制

2.4.2 样品中含四氢呋喃水合物的验证

2.4.3 样品解冻时间的验证

2.5 实验步骤

2.6 本章小结

3 饱和度对水合物沉积物力学特性的影响

3.1 实验内容

3.2 实验现象

3.2.1不同饱和度下的实验前后样品形态对比

3.2.2 不同饱和度下的应力应变曲线

3.3 实验分析

3.3.1 屈服强度与峰值强度随饱和度变化

3.3.2 初始弹性模量与割线模量随饱和度变化

3.3.3 内摩擦角与粘聚力随饱和度变化

3.3.4 摩尔-库仑准则下强度预测

3.4 本章小结

4 粒径对水合物沉积物力学特性的影响

4.1 实验内容

4.2 实验现象

4.2.1 不同粒径下的实验前后样品形态对比

4.2.2 不同粒径下的应力应变曲线分析

4.3 实验分析

4.3.1 屈服强度与峰值强度随粒径变化

4.3.2 初始弹性模量与割线模量随粒径变化

4.3.3 内摩擦角与粘聚力随粒径变化

4.3.4 粒径与饱和度对水合物强度影响

4.4 本章小结

5 非胶结态对水合物沉积物力学特性的影响

5.1 实验内容

5.2 实验现象

5.2.1 非胶结态和粒径对水合物强度影响

5.2.2 非胶结态和饱和度对水合物强度影响

5.3 实验分析

5.3.1 非胶结态水合物沉积物的屈服强度与峰值强度分析

5.3.2 非胶结态水合物沉积物的初始弹性模量与割线模量分析

5.3.3 非胶结态水合物沉积物的内摩擦角与粘聚力分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

②围压对水合物沉积力学特性的影响关系

参考文献

附录

A. 作者在校攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在校攻读硕士学位期间申请的专利

C. 作者在校攻读硕士学位期间参与的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢