超孔压对海底能源土斜坡稳定性影响的探讨与分析

针对因天然气水合物分解引起的海底能源土斜坡失稳问题,展开了超孔压对海底能源土斜坡稳定性的研究.首先建立海底能源土斜坡理想模型,分析了水合物不同分解程度对海底能源土斜坡稳定性的影响.进而选取水合物分解产生气体非逃逸的超孔压模型,提出了一种考虑超孔压对海底能源土斜坡稳定性影响的等效方法.最后在ABAQUS计算模型中引入水合物分解产生的超孔压这一因素,对比分析了不考虑与考虑超孔压对海底能源土斜坡稳定性计算产生的不同,得出了超孔压对海底能源土斜坡稳定性的影响程度.     

快速沉积作用对海底滑坡的贡献机制及影响因素研究

众多海底滑坡都与快速沉积作用相关，然而，对海底滑坡的贡献机制以及影响因素缺乏系统研究。通过收集与快速沉积作用相关的海底滑坡相关案例，归纳和总结了海底滑坡基本特征。在此基础上，阐明了快速沉积作用触发海底滑坡机制，并给出在ABAQUS中的实现方法，最后对快速沉积作用触发海底滑坡的影响因素进行系统分析。研究结果表明：快速沉积作用导致海底地层超孔隙水压力累积，造成地层有效应力和强度增长减缓甚至降低，形成类似于“低重力场”环境，使海底斜坡在抵御地震、水合物分解、底辟等地质作用下能力减弱。此外，随着海底斜坡坡度的增加，沉积速率的加快，沉积物压缩性的增大，海底斜坡更易出现短滑动周期的浅层破坏。在低沉积速率，沉积物高压缩性条件下，也会导致海底地层欠固结，最终对海底斜坡稳定性产生不利影响。     

深海能源土剪切带形成机理离散元分析

天然气水合物的分解开采过程将会劣化深海能源土的力学性能,从而引发一系列岩土工程问题。因此,要实现天然气水合物的安全开采,需要对能源土的强度和变形特性开展研究。结合深海能源土微观胶结模型,通过平面应变双轴试验的离散元模拟,研究了深海能源土剪切带形成机理以及剪切带内外的宏微观变量特征。结果表明：水合物胶结提升了深海能源土的强度,且使其呈现出明显的应变软化特性;剪切带在峰值应力后开始产生,伴随着胶结的大量破坏以及各宏微观变量的局部化;剪切带内外各宏微观变量差异明显,随着轴向应变的增加,土体微观结构也随之发生变化。     

考虑初始地应力的海底斜坡稳定性分析

基于大型有限元非线性软件ABAQUS,运用有限元强度折减法,将初始地应力的平衡应用到海底斜坡模型的稳定性评价中.选取均质海底斜坡及折线型海底斜坡两种模型进行分析,计算出斜坡的稳定安全系数,并给出了失稳时的塑性区等信息.验证了初始地应力的平衡运用到海底斜坡模型中的可行性;且平衡地应力对斜坡模型的塑性区及稳定安全系数均有一定影响.将初始地应力的平衡运用到海底斜坡的稳定性评价中,为海底斜坡的进一步探索提供了参考.     

天然气水合物分解超孔隙压力研究

针对海洋油气资源开采和海洋工程施工过程中天然气水合物分解所引发的工程风险问题,展开了天然气水合物分解超孔隙压力理论模型研究。研究中采用理论解析方法,基于水合物分解前后的相态模型和热力学中的通用气体定律,推导了水合物分解导致的沉积物体积膨胀模型,进一步采用土力学中土体的压缩和回弹特性,最终获得了水合物分解超孔隙压力理论解析模型。采用典型的海底滑坡工程案例,验证了模型的合理性与正确性,并针对模型中复杂的影响参数展开参数考察,获得了不同参数的影响效应。研究对认识水合物分解产生的超孔隙压力的演变机理,保证水合物的储层稳定性,规避水合物分解带来的工程灾害具有重要的理论价值和现实意义。     

深水气井环雾流水合物沉积和堵塞动力学模型

深水气田开发过程中,海底附近井筒内具有水合物形成和堵塞的风险。基于井筒气液两相环雾流流动模式,根据气芯和液膜内水合物颗粒不同动力学特征,在液膜内考虑水合物颗粒的形成、运移和管壁黏附过程,同时在气芯内考虑水合物颗粒的形成、聚并、破碎和沉降行为,建立了井筒水合物动态沉积和堵塞的动力学模型,可以用于模拟和预测不同工况下井筒内水合物堵塞时间和堵塞位置。模型预测结果与水合物环路实验堵塞压降的相对误差小于10%。针对典型深水气田开发井案例,进行了井筒水合物形成和堵塞风险分析,得到了不同工况下井筒水合物层增长速率、沉积厚度分布和完全堵塞时间的变化规律。     

一种实用型深海能源土多场耦合离散元数值方法

水合物储量丰富且污染小,是全球关注的未来绿色能源。而水合物的大规模开采将致使水合物沉积物(即能源土)力学性质劣化,从而引发出砂、海底滑坡等工程和地质灾害,制约水合物的安全高效开采。针对目前大多数多场耦合分析框架无法准确描述颗粒运移等大变形问题,基于离散元商业计算软件Particle Flow Code (PFC)和含水合物多孔介质的多相流分析程序TOUGH+HYDRATE (T+H),构建了一种实用型水合物开采多场耦合分析框架T+H+PFC。通过将力学计算模块PFC所得孔隙率参数和T+H计算所得温度、压力、盐浓度信息交换、更新,实现了T+H与PFC的耦合计算。然后,通过一维固结和一维热传导试验验证了该耦合程序的有效性。最后,模拟分析了一维降压、升温开采下能源土动态响应的与水合物弱化过程。结果表明,耦合模拟与试验结果较为吻合,T+H+PFC在多场耦合下水合物开采引起的地层变形、出砂、海底滑坡等问题分析中具有良好的应用前景。     

川东红层原状滑带土饱水软化试验研究

四川东部由紫红色砂泥岩构成的红层斜坡属于地质灾害多发易发区。斜坡内的软弱夹层(尤其是泥化夹层)容易遇水软化导致其力学强度降低,形成潜在滑动面。选取川东红层岩质滑坡原状滑带土进行室内饱水软化试验,揭示滑带土软化后微观结构和力学性质的变化规律。试验结果表明:滑带土饱水后内部结构变得疏松,颗粒间连接方式由面–面接触转化为面–边、边–边接触;黏聚力和内摩擦角随饱水浸泡时间呈指数衰减,直至浸泡10 d左右才逐渐趋于稳定。以试验获得的滑带土力学参数为基础,采用极限平衡法分析滑带土软化效应对研究区内斜坡稳定性的影响。计算结果表明,随着滑带土饱水时间的延长,斜坡稳定性系数不断降低,某些斜坡即使无后缘静水压力和底滑面扬压力的作用,斜坡也可能失稳破坏。由此认为,滑带土饱水软化后力学强度的大幅降低是导致红层地区某些岩质滑坡的重要因素。研究成果为认识四川红层地区滑坡机制和灾害防治提供了重要依据。     

考虑固相分解的含水合物沉积物体积应变分析模型

水合物开采通过打破固相水合物相平衡状态使其分解为水和气体,含水合物沉积物（gas hydrate-bearing sediment,GHBS）固相组分减少使孔隙体积增大,土骨架间胶结作用弱化,产生的水和气显著改变孔隙压力,造成沉积物软化和体积收缩。基于GHBS三轴压缩试验,考虑水合物降压分解过程对GHBS变形特性的影响,将固相骨架分为惰性土骨架和可分解的水合物固相,引入随水合物饱和度变化的压缩参数,建立了能够描述GHBS应力和水合物分解耦合作用、体积应变随时间变化的分析模型。该模型能够描述降压速率、降压幅值及水合物分解速率对GHBS变形特性的影响,结果表明：降压速率增大,降压阶段体积应变速率增大,达到相平衡时间缩短,降压开采时应综合考虑开采过程中储层变形速率和开采效率间的关系;不同粒径组成的沉积物水合物分解速率存在差异,分解速率对储层变形速率影响明显;降压开采稳定孔压影响储层最终沉降量,降低稳定孔压可以提高开采效率,但最终变形量增大。     

用有限元强度折减法评价海底斜坡稳定性

采用基于ABAQUS的有限元强度折减法从三个失稳判据方面对相同有限元模型的陆地斜坡和海底斜坡的塑性应变、等效塑性应变、塑性区发展情况进行了研究,得出了海底斜坡失稳机理和稳定性评价的定量研究依据,为海底斜坡失稳机理和海底地质灾害风险评价提供了研究思路。     

Effects of gas hydrates dissociation on clays and submarine slope stability

Gas hydrate dissociation is often considered as a precursor or triggering factor for submarine slope failures occurring in relatively deep waters where the bulk of the gas hydrate is found in fine-grained sediments. However, there are actually relatively few studies that focus on the effect of gas hydrate dissociation on the behavior of clays, and very few on what physically happens to clay during and after the dissociation process and how gas hydrate dissociation affects the geotechnical properties of clays. In this paper, we illustrate the effects of hydrate dissociation in clays from laboratory strength tests (direct simple shear) combined with visualization including very-high-resolution 3D imaging (computed tomography), using R11 as the hydrate forming fluid in both laponite and Onsøy clay. The test results reveal that the hydrate dissociation creates bubbles in the surrounding clay matrix and around pipe/well models. In addition, we use CO₂-saturated water as the pore fluid in soft clay, and test results show that cracks may develop, allowing gas migration to take place after reducing back pressure in an oedometer cell. Direct simple shear tests show that the undrained shear strength decreases by up to ～15% due to this process. The test results were then implemented in a 2D finite element model to assess the influence of hydrate dissociation on submarine slope stability. We chose a slope segment west of Svalvard—an area where methane gas bubbles escape from the seabed. The gas bubbling in this area is likely due to climate-controlled hydrate-dissociation (warming of bottom water masses). In the finite-element model, we include the change of methane hydrate stability zone (MHSZ) with time as well as the hydrate-dissociation-induced failure zone, which may be a potential leakage pathway. The numerical study indicates that the hydrate dissociation caused by bottom water warming is unlikely to be the main cause generating a leakage pathway or failure plane. However, the hydrate dissociation causing the reduction in shear strength facilitates a potentially unstable condition. The results imply that the hydrate dissociation may contribute to slope failure as a secondary driver, but are unlikely the main driving force. The aim of this study was to improve our understanding of the physical processes of gas expansion, migration and effect of hydrate dissociation through visualization and a finite element model. In addition, this study discussed methods to detect gas hydrate through a case study, and it was found possible to predict average gas hydrate saturation at sites where the sulfate-methane transition depth is known.     

基于水合物技术的煤层气储运研究

利用静态的和带有搅拌装置的水合物实验系统研究了不同浓度煤层气的水合化过程,分析了水合物储存的稳定性,介绍了水合物的分解工艺和储运的经济可行性,指出了水合物技术在煤层气储运方面应加强研究的内容.     

Mechanical and dissociation properties of methane hydrate-bearing sand in deep seabed

A series of triaxial tests has been carried out on the mechanical properties and dissociation characteristics of sands containing methane hydrate using an innovative high pressure apparatus which has been developed to reproduce the in-situ conditions expected during proposed methane extraction methods. It was found that the strength of MH sand increased with MH saturation due to particle bonding. Dissociation by heating caused large axial strains for samples with an initial shear stress and total collapse for samples consolidated in the metastable zone. In the case of dissociation by de-pressurization, axial strains were generated by increasing effective stress until a stable equilibrium was reached. However, re-pressurization led to the collapse in the metastable zone.     

Rate effect on the stress-strain relations of synthetic carbon dioxide hydrate-bearing sand and dissociation tests by thermal stimulation

Methane hydrates (MHs) have been recognized as an important material for use as a new energy resource. Recently, not only MHs, but also carbon dioxide hydrates (CO₂-hydrates), have been attracting attention from the viewpoint of CO₂ storage in the form of CO₂-hydrates. It is essential, therefore, to investigate the mechanical behaviour of gas hydrate-bearing sediments in order to achieve safe MH extraction and to ensure the long-term stability of CO₂-hydrate-storaged submarine sediments. In order to gain further knowledge of CO₂-hydrate-bearing sediments, we carried out three kinds of laboratory experiments on synthetic CO₂-hydrate-bearing sand specimens: (1) undrained triaxial compression tests with a constant strain rate, (2) undrained triaxial compression tests with a step-changed strain rate, and (3) dissociation tests on CO₂-hydrate-bearing sand specimens using the thermal stimulation method.The main findings obtained from these three experiments are as follows: First, it was found that CO₂-hydrate-bearing sand shows larger strength and larger positive dilatancy than water-saturated sand without CO₂-hydrates under undrained conditions. Second, CO₂-hydrate-bearing sand clearly exhibits strain rate dependency with an increase in hydrate saturation. It is interesting to note that hydrate saturation’s dependency on strength does not appear in cases where the strain rate is quite slow. Third, a drastic increase in pore pressure and extensive tensile strain are observed simultaneously during the dissociation of CO₂-hydrates. The pore gas pressure of CO₂, produced by the hydrate dissociation, can exceed the liquefied boundary of CO₂-gas, and the increase in pore gas pressure can be limited by the liquefaction of CO₂-gas.     

水合物形成对含水合物砂土强度影响

采用非饱和成样法（A法）和饱和试样气体扩散制样法（B法）两种试验室方法,合成了含CO₂水合物的砂土试样,并采用改造过的三轴剪切试验仪完成了相应的三轴剪切试验。实验结果表明：A法制得试样强度和刚度随水合物饱和度增大而增大,且相当敏感;而B法制得试样在水合物饱和度为19.44%与纯砂土的力学特征差别很小,在较高饱和度（26.73%）时,含水合物砂土的强度和刚度就有了较为明显提高;由此可以得出含水合物砂土的强度特征是水合物含量和水合物于砂土中赋存状态联合决定的;同时也发现随着水合物饱和度的增大,试样的剪胀性越来越明显。最后,通过对A法制得试样的强度参数分析表明：含水合物砂土的黏聚力随饱和度的增大而提高,而摩擦角基本不变。     

水合物储存氢气技术和经济分析

氢气的储存有高压压缩、低温液化、金属氢化物等多种方式,利用水合物技术储存氢气是近年来发展起来的一项新技术。从水合物储氢的原理、技术性、经济性和安全性方面对水合物储氢技术进行了分析比较。水合物储氢技术的能耗与储能之比与高压压缩法相近,生产成本低于高压压缩法和低温液化法,而且安全性较高,是一种潜在的高效储气技术。     

一个深海能源土的温度-水压-力学二维微观胶结模型

天然气水合物以胶结形式赋存时,对深海能源土的强度和变形特性影响显著,且其影响程度与所处温度、水压与力学环境密切相关。旨在建立可考虑温（温度）-压（水压）-力（力-位移与胶结破坏准则）耦合影响的深海能源土微观胶结模型。首先,依据能源土中水合物胶结可发生于两种接触形式（直接接触与有间距）的土颗粒间,提出适用于两种胶结模式的力-位移准则和胶结破坏准则。其次,提出温压距离参数L（表示在无量纲化处理后的温度-水压坐标平面,土体所处温度与水压点到水合物相平衡线的最小距离）,并依据文献资料分析,建立水合物胶结强度、刚度与参数L间的关系。最后,建立由水合物饱和度确定的粒间水合物胶结尺寸计算方法,并据此进一步建立了胶结强度与刚度同水合物饱和度间的关系。该模型可以方便地植入离散元程序,从而用于深海能源土的宏微观力学分析。     

含水合物沉积物强度特性的三轴试验研究

针对含水合物沉积物基础力学试验数据相对缺乏的现状，分别采用通气法和预冻结法制备了含甲烷水合物和含四氢呋喃(THF)水合物的砂性沉积物试样，并通过低温高压三轴试验系统研究了含水合物沉积物的强度特性及其影响因素，重点分析了试样强度在不同水合物饱和度情况下的发展规律，并证实了试验反压的重要影响。结果表明：试样黏聚强度随水合物饱和度增加呈指数型增长。当水合物饱和度不高时(<50%)，试样内摩擦角变化不大；当饱和度较高时（>80%)，由于土颗粒咬合作用不能充分发挥，试样内摩擦角降低。另外，反压有助于提高水合物强度，从而提高含水合物沉积物的强度。     

深海能源土宏观力学性质离散元数值模拟分析

首先,引入笔者等^[16-17]所提出的微观胶结模型用以反映能源土颗粒之间水合物微观胶结接触力学特性;其次,采用C++语言将模型程序化,建立同商业软件PFC^2D的程序接口,将模型引入离散单元法中;然后,通过简化计算方法确定胶结宽度随水合物浓度的变化规律,进而确定水合物微观胶结参数;最后,根据所确定的胶结参数,针对不同水合物浓度试样进行能源土宏观力学特性离散元双轴试验模拟,并从应力应变、体积应变、水合物对能源土弹性模量的影响等方面与Masui等^[4]所进行的能源土室内三轴试验进行对比分析。结果表明：所选择胶结模型及微观胶结参数能有效反映深海能源土宏观力学规律;能源土峰值强度、弹性模量均随水合物浓度增加而增加,体积膨胀随水合物浓度的增加越来越显著。     

天然气长输管道中水化物生成的分析与控制

根据天然气的性质参数，对长输管道输送工况下水化物的生成进行了分析，获得了水化物的生成规律与界限参数，提出了通过控制天然气初始参数防止水化物生成的方法。