考虑超孔压影响的海底能源土斜坡稳定性数值模拟和评价

水合物分解极易引起海底能源土出现超孔压现象,进而导致能源土变形,引发海底滑坡等地质灾害。本文基于热力学基本理论,并考虑水合物最终分解状态下的相态演变,以及水合物分解过程中海水对甲烷气体的溶解,修正了孔隙气体非逃逸的Grozic超孔压模型,并将修正模型应用到海底能源土斜坡稳定性分析中。研究结果表明：考虑甲烷气体在海水中的溶解,采用修正模型计算的超孔压值相比于原模型减小约26%;水合物分解过程中,相比土体强度参数软化这一不利因素,超孔压积聚对斜坡稳定性影响更为明显,因此在海底能源土斜坡稳定性分析中,必须考虑超孔压积聚这一不利因素。     

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。     

南海沉积物中甲烷水合物定压分解特性

在定压条件下,实验研究了我国南海神狐海域沉积物中甲烷水合物的分解特性,所使用的沉积物平均孔径为12.178 nm,总孔容为4.997×10~(-2)mL/g,比表面积为16.412 m~2/g.所用沉积物样品含水量为40%,实验的温度范围为274.15–281.15 K,分解压力范围为3.0–5.0 MPa.实验结果表明,海底沉积物中甲烷水合物在降压过程中就开始迅速分解,分解过程造成体系温度迅速下降,最低温度远低于冰点温度.水合物的分解速率随着分解压力的降低而增大,总的分解产气量以及水合物分解率也随着分解压力的降低而增大.在不同温度的实验中,产气速率随着实验温度的升高而增大,总的分解产气量与初始的水合物量有关.当分解压力低于实验温度下纯水的甲烷水合物平衡分解压力时,水合物可以完全分解.     

含甲烷水合物松散沉积物超声波性质的实验研究

实验模拟海域含天然气水合物松散沉积物,并测量其声学性质变化规律,以期为天然气水合物地震勘探和资源评价提供科学依据。采用一套改进的水合物超声波速度测量装置,根据反应釜内部气体压力的变化,连续监测实验过程中甲烷水合物饱和度的变化,获得被水完全饱和的松散沉积物中甲烷水合物饱和度与声波速度的关系。模拟南海神狐海域SH-7钻孔的HY-3样品,进行多个轮次的甲烷水合物形成-分解实验,实测纵、横波的速度均落在水合物非胶结曲线与胶结曲线之间,表明甲烷水合物在沉积物孔隙中同时存在胶结和非胶结多种赋存形式,在分解和合成过程中均以呈悬浮状或作为支撑颗粒的水合物优先,但少量起胶结作用的水合物始终存在,并对沉积物声学性质有明显的提升作用。     

不排水条件下可燃冰分解对海底边坡稳定性的影响

近年来,可燃冰受到学界的广泛关注:一方面,可燃冰可以作为潜在的新型能源;另一方面,海底边坡中可燃冰的分解是引发海底地质灾害的重要原因.可燃冰分解将产生大量甲烷气体,当含可燃冰土层位于两个透水性较差的土层中间时,孔隙水和气体将无法与外界发生交换,可燃冰的分解过程可以看作不排水(气)过程.此时,沉积物中孔压升高,有效应力减小,抗剪强度下降,当含可燃冰土层位于边坡坡底附近时,边坡将更易沿可燃冰土层发生滑动破坏.因此,可燃冰分解将对海底边坡的不排水开挖造成不利影响.本文基于理想气体状态方程和摩尔库伦模型,提出了一种在任意应力状态下可燃冰分解的数值模拟方法,并在有限差分软件FLAC3D中实现该方法,进而从土单元层面将数值模拟结果和理论推导结果进行了对比,两者基本吻合.最后,本文利用该方法分析了可燃冰分解对海底边坡稳定性的影响,模拟了可燃冰不分解条件下直接进行不排水开挖、以及可燃冰分解后再进行不排水开挖.模拟结果显示,可燃冰分解会导致海底边坡在不排水开挖时发生失稳.     

水合物藏钻探中的环空多相流溢流特性研究

含天然气水合物相变的环空多相流动问题是天然气水合物藏钻探过程中井筒流体力学问题的一个关键．考虑天然气水合物的相变,建立了溢流期间环空各相流体的连续性方程、动量方程以及能量方程．模拟计算结果表明：溢流期间,天然气水合物的生成区域会随着循环流量的增大或抑制剂浓度的提高而减小,可通过增大流量和抑制剂浓度使水合物的生成区域脱离海底,减小防喷器管线被堵塞的危险;水合物的生成使环空中气体体积分数降低,泥浆池增量减小,给溢流检测带来延迟;当检测到有气侵发生时,水合物藏分解速率比较小时,井筒中生成水合物的可能性要比分解速率大的情况下更为严重;水合物相变对井底压力的影响较小,在工程中计算井底压力时可以忽略;由于天然气水合物的生成使得关井套压值不能真实反应气侵情况,而且随着时间的增加情况会更加严重．     

水合物开采引起的地层稳定性三场耦合分析

为防止水合物开采引起的地质灾害,采用有限元方法,对abaqus有限元软件进行二次开发,模拟水合物开采过程中的水、热、力三场耦问题,重点分析水合物开采过程中地层应力场和位移场变化规律.结果表明:降压与加热法联合开采水合物时,降低井口压力可以显著提高水合物的分解速率;水合物分解区附近地层孔压明显降低,土体有效应力增加.海床表面会产生较大的沉降和水平位移,并随水合物分解距离的增大而线性增加,当最大分解范围为30 m时,海床表面最大沉降达5 m,最大水平位移达1.6 m.该研究结果为水合物开采时地层及开采平台稳定性的安全评估提供理论指导.     

多孔介质及盐度对甲烷水合物相平衡影响

为模拟自然界天然气水合物的合成与分解条件,开发了研究多孔介质中甲烷水合物相平衡特性的实验装置,利用恒定容积法测定了孔隙尺寸、盐度等对甲烷水合物相平衡条件的影响.结果显示多孔介质中甲烷水合物容易生成,诱导时间短.随着孔隙尺寸的增加,甲烷水合物相平衡曲线右移;随着盐度的增加,甲烷水合物相平衡曲线左移;盐度水平和孔隙尺寸水平...     

温度场扰动对天然气水合物相态的影响机制

钻井液是保障钻井安全与井壁稳定的关键,但在天然气水合物钻探过程中存在钻井液侵入水合物储层,发生传质传热导致水合物储层升温失稳,因此深入了解此过程中温度场扰动对天然气水合物相态的影响规律,对天然气水合物资源钻井安全意义重大。基于分子模拟探究温度场对水合物相态的影响规律,阐明含热力学抑制剂体系在变温过程中的水合物生成与分解机制。结果表明：在压力一定的条件下,水合物不但具有强温度敏感性,而且水合物的稳定性还具有时间相关性;在低温区持续时间越长,水合物二次生成风险越大,在高温区持续时间越长,水合物分解量越大;尽管热力学抑制剂可以显著减小水合物二次生成量,但也会显著加快储层水合物的分解;合理控制钻井液体系的热力学抑制剂量及钻井液注入温度,对维持储层水合物相态稳定及防止水合物二次生成至关重要,为天然气水合物高性能钻井液体系构建提供了理论支撑。     

基于流固耦合的含水合物地层井壁稳定非稳态解析模型

针对深海水合物地层钻井过程中的井壁稳定问题,考虑水合物分解、热传导、力场-渗流场全耦合作用,建立了过压和欠压钻井下渗流、温度、力场随时间和空间变化的非稳态解析模型。解析结果与相同条件下的数值结果吻合良好,且与力场-渗流半耦合解析结果进行了对比。基于解析模型对井壁稳定的关键参数如钻井液压力、水合物分解引起的地层弹性模量劣化程度等进行了分析,结果表明：①与半耦合分析结果相比,考虑体变对渗流的影响后,过（欠）压钻井时孔压减小（增大）、应力增大（减小）,增量径向位移减小;②最危险位置在井壁处,过高或过低的钻井液压力均会导致井壁失稳,水合物分解引起的地层劣化将降低最安全钻井液压力;③水合物分解引起的地层刚度降低极易诱发井壁失稳。在通常条件下,过压钻井时分解域弹性模量降低50%即可导致井壁失稳。     

饱和粘土中静压桩挤土效应的离心模型试验研究

通过静压桩在不同粘土中贯入的离心模型试验,对桩体贯入饱和粘土时的土体位移和初始超孔压的空间分布情况进行了研究,研究结果表明土体径向位移在水平方面具有对数递减的规律,而在竖向２／３桩长范围内呈线形增加分布,约在２／３桩长处增加到最大值,在其下范围内逐渐减小,直至桩尖以下约５￣１０桩半径处衰减为零;试验结果同时表明,大部分桩长范围内,初始超孔压具有孔随计算点至桩轴水平距离的加大而呈对数减小、随深度的加     

游离气作用下的渗漏型甲烷水合物形成

为了准确评估海洋水合物的资源潜力,必须研究水合物在沉积层里的形成过程。渗漏体系里往上运移的甲烷气(游离)、原位孔隙水(包括溶解气及溶解盐)与固体骨架共同作用,在动态相平衡条件下形成甲烷水合物并在孔隙里沉淀胶结,形成含水合物藏。游离气迁移能改变沉积层的地质属性,根据规律建立了多相流模型,并以南海北部为背景,以反应开始和结束两个时刻演绎了水合物形成过程中,孔隙毛细压力、渗透率、各相饱和度和盐度的联动变化关系,表明游离气含量是渗漏型水合物成藏的控制性因素之一。     

波流共同作用下砂质海床动力响应

摘要：
基于饱和土两相混合u-p(土骨架变形-饱和土孔隙水压力)理论,采用基于上下负荷面和各向异性的砂土液化本构模型,建立一个多孔介质弹塑性海床模型,用于分析波流共同作用下砂质海床动力响应规律.计算分析了波流共同作用下,砂质海床瞬时振荡孔隙水压力与残余孔隙水压力累积的响应规律,并获得了海床液化深度的变化规律.此外,比较了采用弹性与弹塑性砂土本构模型时,海床在波流作用下的动态响应差异. 关键词：
两相混合理论; 波流; 砂性海床; 波浪参数; 液化深度; 弹塑性本构 中图分类号： TU 443
文献标志码： A     

波浪作用下管线-海床模型动态响应及液化

基于Biot动力方程,利用COMSOL多物理场有限元计算软件构建了波浪-海床-管线动力响应的计算模型,模拟了一阶斯托克斯波作用下管线周围土体孔压和有效应力分布情况,对海床土体的液化情况进行判断,研究了波浪诱发海床液化及管线失稳的机理.研究过程中采用Partly dynamic动力方程(u-p模式).在Partly dynamic模型中,将海床视为多孔弹性介质,并且将孔压和位移视为场变量,考虑土体位移加速度,忽略孔隙流体惯性项的作用.模型得到验证后的参数研究表明:土体渗透系数、饱和度以及管线埋深、波高等参数对海床的孔压和有效应力影响显著.     

波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床中孔隙水压力响应

利用波浪水槽试验,对波浪作用下抛石基床直立堤沙质底床的孔隙水压力响应进行了研究．试验中观测了在不同波高、周期、水深和泥沙粒径等条件下,自由底床和有抛石基床防波堤的土体孔隙水压力的变化．试验结果分析表明,随着波高和周期的增大,孔隙水压力幅值增大;随着水深的增大,孔隙水压力幅值减小．建堤后,底床中的孔隙水压力会增大,有效应力会降低,对防波堤的稳定性会造成严重影响．同时试验结果也表明,把基于Biot固结理论的多孔弹性介质模型用于研究波浪作用下海床的动力响应是合理的．     

基于SONIC软件的鄂霍次克海浅表陆坡可燃冰勘探研究

运用自主研发设计的SONIC软件,控制深海勘探设备Echo水声探测系统,对位于西北太平洋边缘的鄂霍次克海海底可燃冰甲烷释放情况进行勘探研究。重点对萨哈林岛东面浅表陆坡进行了大规模的水声测扫,通过采集回声信号,应用SONIC软件处理和成像后,实现了海底甲烷气体渗漏点（GF）、冷泉和海床的可视化。在发现甲烷气体渗漏点后,运用SONIC的成像功能,分析冷泉中甲烷气体浓度及形态的变化,运用GPS系统进行实时跟踪与定位,利用重力取样器等采样工具,在多个海域成功采集到了可燃冰岩心样本,并及时进行了分析,得到了该地区可燃冰中的甲烷排放速率和甲烷排放量等数据。另外,通过梳理本次考察的经验,对规范我国可燃冰资源调查方法也会产生积极影响。