冻土区天然气水合物沉积物强度特性研究

【摘要】：天然气水合物因其巨大的碳储量已经成为缓解全球能源危机的一种极具商业开发价值新型能源。中国陆上冻土区面积广阔,是天然气水合物的总要潜在区。但多年冻土区天然气水合物的开采具有巨大的环境影响风险,水合物的开采会导致含水合物冻土层强度降低和变形；甚至会造成塌方和地陷等自然灾害。因此,研究甲烷水合物基础力学特性以及水合物开采对甲烷水合物强度特性的影响是甲烷水合物矿藏的商业开采的基础。 本文的主要实验研究如下： 首先,本研究利用大连理工大学自行研制的低温高压水合物三轴静力学实验仪,分析和比较了实验室合成的不同颗粒介质(石英砂、高岭土及砂土混合物)作为骨架的甲烷水合物沉积物的强度特性,结果表明甲烷水合物沉积物的破坏强度随着围压和含砂量的增加而增加,并且随着温度的降低而增加。摩尔库伦准则分析发现内聚力受含砂量的影响较小,内摩擦角随含砂量的增加而显著增加。 此外,本文还对比分析了不同砂颗粒直径对甲烷水合物石英砂沉积物力学特性的影响,实验结果表明砂颗粒越粗,甲烷水合物砂质沉积物的破坏强度越大。摩尔库伦准则分析发现内聚力受砂颗粒直径的影响较小,而砂颗粒越粗,内摩擦角越大。 最后比较了不同的开采方式对冻土层水合物沉积物力学特性的影响。本文首先采用降压、升温加热两种水合物分解方式,并对水合物分解前后的水合物沉积物进行三轴压缩实验,获得了水合物分解后排气剪切实验和不排气剪切实验下的强度和应力应变关系,以及水合物分解前的沉积物的力学特性。结果表明,两种分解方式下,水合物分解后的沉积物强度明显降低,排气、不排气剪切试验下的强度也有较大差异。另外,本文也结合了相同工况下CO2水合物沉积物与甲烷水合物沉积物的强度差异,来对降压开采、升温开采、C02置换开采三种开采方式对冻土区天然气水合物藏力学稳定性的影响进行初步分析。 【关键词】：天然气水合物沉积物 摩尔库伦准则 开采 破坏强度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P618.13
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 天然气水合物沉积物力学特性研究进展10-16
• 1.2.1 天然气水合物开采方式研究进展10-13
• 1.2.2 天然气水合物力学特性研究综述13-14
• 1.2.3 水合物的开采对天然气水合物沉积物强度特性的影响14-16
• 1.3 主要研究内容16-18
• 2 土质对天然气水合物沉积物强度特性的影响18-34
• 2.1 实验设备和实验方法18-24
• 2.1.1 实验设备18-20
• 2.1.2 实验材料20-22
• 2.1.3 实验方法与步骤22-23
• 2.1.4 实验内容23-24
• 2.2 甲烷水合物沉积物强度特性分析24-33
• 2.2.1 应力应变曲线特性分析24-27
• 2.2.2 温度和含砂量对甲烷水合物沉积物强度的影响27-28
• 2.2.3 围压和含砂量对甲烷水合物沉积物强度的影响28-30
• 2.2.4 摩尔-库伦破坏标准分析甲烷水合物沉积物的破坏强度30-33
• 2.3 本章小结33-34
• 3 颗粒直径对天然气水合物沉积物强度特性的影响34-43
• 3.1 实验设备和实验方法34-35
• 3.1.1 实验设备34
• 3.1.2 实验方法和实验步骤34
• 3.1.3 实验材料34-35
• 3.1.4 实验内容35
• 3.2 甲烷水合物石英砂沉积物强度特性分析35-41
• 3.2.1 甲烷水合物石英砂沉积物的应力应变曲线特性分析35-37
• 3.2.2 颗粒直径和温度对甲烷水合物石英砂沉积物强度特性的影响37-38
• 3.2.3 颗粒直径和围压对甲烷水合物石英砂沉积物强度特性的影响38-39
• 3.2.4 摩尔-库伦破坏标准分析甲烷水合物沉积物的破坏强度39-41
• 3.3 本章小结41-43
• 4 水合物开采对天然气水合物沉积物强度特性的影响43-55
• 4.1 实验设备和实验方法43-44
• 4.1.1 实验设备43
• 4.1.2 实验方法和实验步骤43-44
• 4.1.3 实验内容44
• 4.2 水合物开采对冻土区天然气水合物沉积物强度特性的影响分析44-53
• 4.2.1 应力应变曲线44-46
• 4.2.2 降压分解的影响46-49
• 4.2.3 升温分解的影响49-51
• 4.2.4 CO_2-CH_4置换开采的影响51-53
• 4.3 天然气水合物力学安全性的初步评价53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 结论55-57
• 参考文献57-62
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况62-63
• 致谢63-64

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