含甲烷水合物松散沉积物的力学特性

通过含甲烷水合物松散沉积物三轴测试,首次基于临界状态原理探讨水合物沉积物发生应变软化、硬化破坏形式的机制,重点分析各强度参数变化规律及其对破坏模式的敏感性。结果表明:三轴剪切试验过程中沉积物破坏模式受有效围压、水合物饱和度等因素共同控制;破坏模式对峰值强度、起始屈服强度、起始屈服模量、内聚力、内摩擦角等参数的影响较小;不同破坏模式条件下水合物沉积物切线模量、峰值剪切模量等参数变化规律完全不同,其计算模型须在不同破坏模式框架内分别分析,而不能忽略破坏模式的影响建立笼统的水合物沉积物强度参数计算模型。     

含甲烷水合物非固结沉积物三轴实验

利用自主研发的水合物合成与分解一体化三轴实验装置,以中细砂作为水合物赋存介质,在不同有效围压(1 MPa、2 MPa、4 MPa)条件下,对不同水合物饱和度(0%、13.3%、26.6%、39.9%)的松散沉积物进行三轴剪切实验,探讨了水合物饱和度和有效围压对沉积物应力应变曲线形态及不同抗剪强度指标的影响规律,得到不同强度参数的经验模型。结果表明:含甲烷水合物非固结沉积物的应力应变曲线形态是水合物饱和度和有效围压共同作用的结果;抗剪强度、起始屈服强度与水合物饱和度有关,而受温度和有效围压的影响较小;黏聚力和内摩擦角随水合物饱和度的增大而增大。     

含甲烷水合物沉积层渗透率特性实验与理论研究

含水合物沉积层的饱和度与渗透率关系研究,是深水油气及海洋水合物资源勘探开发的基础性工作.利用两种平均粒径分别为0.110和0.210mm的玻璃砂模拟沉积层环境,通过体积测量法确定其孔隙度分别为0.364和0.368.测量甲烷水合物在沉积层中渗透率随饱和度的变化,并将得到的结果与平行毛细管模型、Kozeny颗粒模型以及Masuda模型进行了比较.结果表明：模拟的沉积层可以近似认为是等径球体颗粒堆积物,其渗透率与孔隙度基本符合修正的Kozeny-Carman公式关系;沉积层中甲烷水合物的存在使其渗透率急剧下降;与多个模型比较后发现水合物占据孔隙中心的平行毛细管模型与实验结果吻合得较好,说明实验中甲烷水合物主要是在沉积层的孔隙中生成而不是对玻璃砂颗粒形成包络;甲烷水合物饱和度低于25%的沉积层渗透率与饱和度的关系成指数递减关系.     

含甲烷水合物的玻璃珠渗透率实验与簇状等径颗粒模型

为研究天然气水合物对沉积物渗透率的影响,首先,利用含甲烷水合物的多孔介质渗透率测量实验装置,在BZ-02型玻璃珠(平均粒径为228.4μm)中生成甲烷水合物;其次,采用稳态注水法测量不同甲烷水合物饱和度下多孔介质的水相有效渗透率;最后,根据多孔介质堆积模式与水合物的生成形态,提出了簇状等径颗粒模型.研究结果表明:采用多...     

含离子液体体系甲烷水合物形成特性实验研究

实验研究了新型水合物抑制剂1-己基-3-甲基咪唑氯盐对甲烷水合物形成的抑制作用。实验结果表明,1-己基-3-甲基咪唑氯盐水溶液中甲烷水合物分解相平衡压力随着温度的升高而增大。与纯水中甲烷水合物相平衡条件相比,添加离子液体使得甲烷水合物的相平衡边界向高压和低温方向偏移。     

含甲烷水合物多孔介质的复电阻率频散特性与模型研究

在获得3.5%Nacl溶液-海砂-甲烷水合物体系阻抗谱参数的基础下,通过计算得到了该体系的复电阻率数据,分析了复电阻率参数的频散特性以及水合物饱和度对其频散特性的影响,进而建立了复电阻率模型。结果表明：在0.1 Hz~1 MHz测试频率范围内,含甲烷水合物多孔介质的复电阻率存在明显频散现象;甲烷水合物饱和度与复电阻率频散特征参数密切相关,饱和度越小复电阻率频散特性越显著,当测试频率范围为0.1 Hz~10 Hz时,复电阻率幅值、实部和虚部与测试频率在双对数坐标系下成线性关系,其斜率的绝对值与水合物饱和度之间成递减的近似线性关系,而当测试频率范围为10 Hz~1 MHz时,复电阻率幅值和实部的频散度与水合物饱和度符合递减的近似线性关系;在本研究的测试条件下,含水合物多孔介质体系的阻抗谱可以用电阻和电容的串联等效电路模型来拟合,基于此建立的复电阻率模型可用来计算水合物饱和度。     

基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型

甲烷水合物沉积物的力学特性研究尚处于起步阶段,较系统的试验数据仍然不够充分,能够描述甲烷水合物沉积物力学特性的本构模型也不多.基于热力学原理和临界状态的概念的本构模型,可以自动满足热力学定律,其流动法则和屈服函数都可以很自然地从耗散函数中导出.首先介绍了基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型,并利用已有的甲烷水合物沉积物的三轴试验数据对模型进行了验证,进一步地应用该模型分析应力间距比对甲烷水合物沉积物力学特性的影响,强调应力间距比和屈服面形状在模型构造中的重要性.模型参数分析表明,应力间距比对甲烷水合物沉积物排水和不排水应力-应变关系、有效应力路径以及剪胀关系都有明显的影响.     

含水合物沉积物二维声学特性实验研究

在研制含水合物沉积物二维声学模拟实验装置基础上,获取水合物形成分布及其二维声响应特征。实验结果表明,水合物饱和度小于15%时,随着水合物形成,各层位声速增长较快;水合物饱和度大于15%后,声速增长变慢。水合物形成初期,粗粒沉积物声速稍大于细粒沉积物;水合物形成末期,不同层位声速差异不大,水合物接近均匀分布。水合物形成过程的二维分布与声响应特征为:纵向上离气源较近层位优先形成水合物、声速较大,横向上反应釜周边优先生成水合物,沉积物两侧声速大于内部声速。实验获得含水合物沉积物纵横波速间的经验公式及纵横波波速比与水合物饱和度间的关系。     

水合物沉积物试验岩样制备及力学性质研究

水合物沉积物现场取心及原位力学试验技术难度大、成本高,室内制备岩样是目前对其力学性质研究的主要手段。采用三轴压力室内直接合成和混合制样两种方法,分别以覆膜砂和膨润土为基质试验制备水合物沉积物岩样,并进行三轴压缩力学试验。结果表明:尽管沉积物中水合物对基质骨架颗粒存在一定胶结作用,但水合物沉积物的力学性质仍主要由基质的性质决定,覆膜砂基质水合物沉积物的力学性质明显好于膨润土沉积物;水合物沉积物的强度及弹性模量随着围压的增加而增加,但泊松比与围压无明显相关性。     

表面活性剂对甲烷水合物储气特性影响的实验研究

利用高压水合物形成实验装置测量了表面活性剂对水合物形成过程的影响。实验结果表明：微量的表面活性剂可使水合物在静止的系统中快速形成，提高了气体水合物的储气能力，并改变了水合物的形成机理。根据活性剂含量与水合物储气量的关系，确认十二烷基硫酸钠(SDS)和烷基多糖苷(APG)在水合物形成体系中的临界胶束质量分数分别为0．03％和0．05％。阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠对水合物储气的促进作用比非离子表面活性剂烷基多糖苷强。     

天然气水合物声学检测技术

讨论了天然气水合物在合成和分解过程中声学参数如声速、频率、声波幅度的一些变化规律 ,并利用这些参数的变化对纯水中天然气水合物形成和分解进行声学检测 ,找出声学参数与水合物形成和分解之间的变化规律 ,以达到判断和预测水合物形成和分解的目的 .     

环戊烷水合物作为氨基酸型促进剂初筛方法的实验研究

固态天然气水合物是一种潜力巨大、高效安全的储能方式,却一直受限于其苛刻的生成条件和缓慢的生成速率,因而近年来水合物促进剂成为人们关注的焦点。为此,通过对比测试了正缬氨酸、丙氨酸和组氨酸在常压环戊烷水合物体系和高压甲烷水合物体系中的效果,研究利用更为安全的环戊烷体系对水合物促进剂进行初筛的可行性。结果表明：同丙氨酸和组氨酸相比,环戊烷体系中正缬氨酸具有最高效的促进效果,显著提升了水合物生成速率,其最适浓度(质量分数)为0.5%,诱导时间和反应最高温度分别为9.5 min和4.5℃。另外,乳化剂Span 20对正缬氨酸有良好的协同增效作用;同时,正缬氨酸在甲烷水合物体系同样具有最佳的促进性能,有效提升了甲烷水合物的储气量,初始过冷度的增加可有效提高水合物生成速率与储气能力。因此,环戊烷水合物体系可以作为一种初步筛选高效氨基酸型促进剂的方法。     

气体水合物生成特性实验研究

实验研究了添加剂对甲烷气体水合物形成过程的影响。发现微量的表面活性剂降低了甲烷气体水合物在静止反应器中形成的诱导时间,并使水合物快速形成和生长,提高了水合物形成过程中的填充密度。阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠）对水合物生长的促进作用比非离子表面活性剂（烷基多糖苷）强。液态烃环戊烷降低了水合物形成的诱导时间,但环戊烷不能提高水合物的填充密度。     

孔隙填充型深海能源土的离散元成样

针对孔隙填充型水合物的赋存形态,提出了一种新的制备孔隙填充型能源土试样的数值成样方法.孔隙填充型水合物的砂性能源土试样是由砂粒和水合物颗粒混合而成的特殊的散粒体材料,具有明显的非连续特征.在土骨架的孔隙中,将水合物块体视为由颗粒通过强胶结作用凝聚而成的团簇整体,随机填充生成不同水合物饱和度的沉积物试样,开展能源土宏观力学特性的离散元固结排水三轴压缩试验模拟,并从应力应变、体变、接触组构等方面进行分析.结果表明,水合物饱和度的增大对低饱和度的孔隙填充型能源土试样的初始弹性模量和强度影响较小.有效围压相同时,孔隙填充型能源土试样的体积剪缩量随着水合物饱和度的增大而减小;而水合物饱和度相同时,能源土试样强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大.能源土试样的剪胀角随有效围压的增大而近似线性减少,随水合物饱和度的增大而趋于线性增大.颗粒间接触方向随着轴向应变的增大而朝竖直方向偏转.     

CO2置换法开采天然气水合物反应动力学研究*

针对CO2置换开采天然气水合物研究中存在的反应速率测定难等问题,设计了两组模拟实验分别研究多孔介质中CH4水合物的生成和CO2置换CH4的效率,两组模拟实验分别是：（1）多孔介质中CH4水合物的生成模拟实验;（2）CO2从水合物中置换CH4气体模拟实验。通过两组模拟实验,测定了参与生成水合物的CH4的物质的量和置换反应的置换率及反应速率,并分析了置换反应机理。结果表明：置换反应的置换率为70.63%,平均速率为0.0013 mol/d,且随着置换反应的进行置换速率快速下降。因此,CO2置换开采天然气水合物的反应在动力学上是可行的,其置换效率较高,但置换速率较慢。     

天然气水合物降压开采中海床沉降特征及其影响因素

为计算天然气水合物降压开采过程中的海床沉降量,考虑水合物分解、气水两相渗流、多孔介质导热和传质传热、沉积物变形等多物理场耦合作用,采用Duncan-Chang模型描述水合物层的变形破坏特征,建立天然气水合物降压开采过程中的渗流场-温度场-变形场三场耦合模型,并基于有限元法进行求解。研究结果表明：在地温梯度影响下,降压开采时水合物层下部的水合物分解速率较快,其分解范围大于上部的分解范围;水合物分解前缘处的垂向有效应力随分解后力学参数的改变发生突变;水合物降压开采时的海床沉降主要由水合物分解导致的水合物层切线弹性模量、强度以及孔隙压力降低诱发,地层最大沉降位于开采井附近水合物层与上覆地层的界面处,而海床面处的沉降最大值位于开采井处。海床沉降与井底压力、水合物层渗透率、初始切线弹性模量、水合物层厚度等因素有关;井底压力越小、水合物层厚度越大,海床沉降量越大;水合物层渗透率越高,地层孔隙压力耗散越快,海床沉降越明显;水合物层初始切线弹性模量越大,海床沉降量越小。