【《天然气水合物沉积物力学特性研究进展文献综述》3300字】

天然气水合物沉积物力学特性研究进展文献综述在实验室研究方面，许多研究人员对水合物沉积物的力学性质进行了大量的实验研究。目前由于现场开采提取试样的技术限制，几乎所有的试验研究均基于实验室合成含天然气水合物沉积物试样。主要的制样方法有以下四种：冰种法、四氢呋喃法、气饱和法和溶解气法[29]。各种方法各有优缺点，研究人员们采用的制样方法也不尽相同。但在研究水合物沉积物力学特性方面，目前几乎所有学者均采用三轴剪切试验，得到应力应变曲线、体变曲线等数据来对含水合物沉积物力学特性进行研究。图为北京工业大学所使用的静态三轴仪实物图。Hyodo等人[30]最初在低温高压下于实验室中合成了甲烷水合物，应用三轴试验研究了纯甲烷水合物的三轴压缩强度。试验中改变了试样的围压和温度，通过多次对比实验结果发现当围压增大温度降低时，甲烷水合物的强度会随之增加。之后，Hyodo等人[31]又通过气饱和法原位生成含水合物沉积物试样，并进行了一系列的三轴压缩试验，较为全面地研究了气饱和的甲烷水合物沉积物力学特性。试验结果表明甲烷水合物的饱和度越大，破坏强度越大，剪切膨胀行为越明显；同时，试样的破坏强度和刚度会随着压缩过程中有效围压和孔隙压力的增大而增大，有效围压越大，试样的剪胀率越低；而在相同的有效应力条件下，低孔压下试样的刚度高于高孔压下试样的刚度。最后，温度对试样的力学特性也会有影响，温度越低，试样的刚度和断裂强度越高。初步证实了水合物对含天然气水合物沉积物的力学特性具有增强作用。Miyazaki等人[32]采用不同的砂颗粒作为水合物的宿主沉积物，通过排水三轴压缩试验，研究了人工合成的含甲烷水合物沉积物的力学特性，发现水合物砂试样的刚度与宿主砂的类型有关，强度和刚度随着甲烷水合物饱和度和有效围压的增大而增大，而正割泊松比随着有效围压的增大而减小。Yun等人[33]使用四氢呋喃生成水合物，采用粘土、石英砂和粉砂作为宿主沉积物，合成水合物沉积物试样。三轴压缩实验的结果表明，含水合物沉积物的颗粒大小，有效围压和水合物饱和度对其力学特性有影响。在水合物的饱和度较低（小于40％）条件下，沉积物中的宿主沉积物是水合物沉积物强度和刚度的主要影响因素。在水合物的饱和度较高（大于50％）的条件下，所含水合物的力学性质会对水合物沉积物的刚度和强度起影响作用。结果表明，水合物对土壤颗粒的胶结作用随土壤颗粒比表面积的增加而减小，这表明水合物对土壤颗粒的胶结作用降低，会导致沉积物强度降低，特别是在有效围压较低的情况下。同时，随着水合物饱和度的增加，试样会在剪切过程中出现剪胀现象，原因是沉积物的孔隙进一步充填，土壤颗粒之间产生胶结作用。但是近年来，研究人员普遍认为四氢呋喃分子与甲烷分子结构不同，会导致水合物沉积物呈现不同的力学特性[29]。Wu和Grozic等人[34]采用二氧化碳与砂在不同的温度和压力条件下合成了三组水合物沉积物，并使用专用的三轴仪实施了各向同性的不排水分解三轴试验，研究了二氧化碳水合物沉积物的应力和变形等性质。试验结果表明，试样中初始水合物含量越多，水合物分解后的有效应力降低越大；而且即使很小比例的水合物分解也会导致土壤强度急剧下降，并可能导致破坏。由于二氧化碳水合物可以用于二氧化碳置换开采方法，所以引来了部分学者的关注。Hyodo和Li等人[35]经过对二氧化碳水合物沉积物一系列的排水三轴压缩试验，将其与甲烷水合物沉积物的力学特性进行对比，包括应力-应变曲线、抗剪强度以及水合物饱和度、有效围压和温度等方面。试验结果确定了当甲烷分解时，新生成的二氧化碳水合物能够保持储层的力学稳定性，证实了二氧化碳置换开采方法的可行性。王磊等人[36]研究了南海地区覆盖层沉积物的物理性质和力学性质，包括粒度分布、比表面积、孔径分布、含水量、液塑限以及颗粒的矿物和化学组成，还有不排水三轴实验的强度和变形特性。实验结果表明，南海的覆盖层沉积物为级配良好的粘质粉土，具有内稳性和自滤性，颗粒形状主要为板状，孔隙多为狭缝状。而在力学特性方面，含甲烷水合物沉积物的破坏强度随水合物饱和度和初始有效平均应力的增加而增加。吴鹏等人[37]自主研发了CT三轴仪，将计算机断层扫描技术引入了含水合物沉积物的宏观力学性质研究，可从小尺度细观层面对水合物的生成、变形、破坏等形态进行可视化观察，从而可对应解释含水合物沉积物的宏观力学性质。他们首先在固定有效围压与饱和度下对含水合物的沉积物进行了固结排水三轴剪切试验，研究试样胶结结构破坏行为与其宏观力学性质的关系。结合应力应变曲线与采用计算机断层扫描技术得到的图像，发现在不同区域水合物的胶结结构破坏和形态变化都有各自的特点。在应力应变曲线的线性区域，水合物胶结团簇整体移动，小水合物颗粒会聚集到团簇的外围，无胶结的砂颗粒运动无序。局部变形完全呈现反对称分岔模式。在塑性区，试样开始出现内部剪切带。水合物开始从胶结结构的外围脱落，并在砂粒之间发生研磨作用。然而，脱落的水合物不会填充相邻的孔隙。在屈服区域，水合物胶结的团簇结构被完全破坏并碎裂成小块，并观察到了明显的剪切带。试验中观察到的水合物赋存型态主要为胶结型、裹覆型、预斑状团簇体和斑状团簇体。随后，吴鹏等人[38]又应用这套设备观察了含水合物沉积物在水合物分解过程中的微观结构演变，研究了水合物分解对含水合物沉积物力学特性的影响。结果表明，分解首先发生在砂粒表面覆盖的水合物，然后在砂粒间半月板处的水合物发生分解。水合物分解会导致含水合物砂土的组构变化。水合物分解会导致胶结结构的突然缺失，使试样的刚度和破坏强度下降。最近，他们[39]又基于x射线计算机层析成像图像，提出了一种新的孔隙尺度三维形态建模算法，该算法考虑了沉积物中水合物的各种饱和度和赋存状态(胶结和孔隙填充)。尽管很少，但依旧有部分学者获得了深海钻取的保压试样，并成功用其做了一系列实验。在2014年，Yoneda等人[40]使用从日本NankaiTrough海域钻取的含天然气水合物试样，在自主研发的三轴测试系统上进行了一系列三轴压缩试验。试样在钻取和保压过程中保持孔压不变，以防止天然气水合物相变分解。实验结果发现，含有天然气水合物的沉积物表现出脆性破坏，而无水合物的沉积物表现出韧性破坏。而且随着天然气水合物中水合物饱和度的增加，剪切强度随之增加，这与之前在实验室合成的水合物沉积物试样的三轴压缩试验数据一致，表明了实验室研究的真实性与适用性。同时，Suzuki等人[41]在日本的Daini-AtsumiKnoll海域提取了含天然气水合物的岩心样本，通过计算机断层扫描技术和声波探测技术对岩心进行了无损检测。对数据处理和分析后获得了岩心水合物饱和度和试样孔隙度等参数，研究了甲烷水合物储层及其沉积物的物理性质。在两者的研究中，从海底提取的岩心均体现了水合物的非均质性分布，即表明在自然界中，水合物在沉积物中是呈现非均质性分布的。这种特性引起了另一部分学者的关注。董林等人[42]将试样分层，使不同层的水合物饱和度不同，以此来模拟自然界中水合物的非均质性分布。成功制备试样后，他们进行了一系列三轴剪切试验，研究了在有效围压为1MPa的条件下，分层的含甲烷水合物沉积物的强度参数和变形特性，将其与常规试样的实验结果进行对比分析。实验结果表明：水合物的不同分布会明显影响试样三轴剪切实验的各种强度参数，两种试样的应力应变曲线也呈现出了显著的差异。该研究证实了水合物的非均质性分布是影响天然气水合物沉积物力学特性的一个重要因素。而Zhou等人[43]在考虑了自然界中天然气水合物分均质性的分布特性后，将这种各向异性地质特征纳入本构模型，改进了目前已经提出的描述均质含水合物沉积物的各向同性本构模型。应用改进的模型，通过数值模拟对应力-应变曲线进行曲线拟合，提升了原有模型的精度。通过整理总结相关研究领域的文献可以看出，目前国际上对于天然气水合物沉积物力学特性的研究已经有了一定积累，对其力学特性基本规律也有了一定共识。国内外的研究人员先后采用砂、粘土等各种不同的宿主沉积物制作试样，模拟不同地区的地质条件；又分别使用甲烷、二氧化碳、四氢呋喃等气