于彥江, 羅 強(qiáng), 寧伏龍, 陸紅鋒, 劉志輝,彭 力, 王冬冬, 史浩賢, 劉志超, 段隆臣

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北武漢 430074; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東廣州 510075;3.中國地質(zhì)調(diào)查局天然氣水合物工程技術(shù)中心,廣東廣州 510075)

籠形水合物是一類包合物,其中水作為主體分子將客體分子包絡(luò)在由氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成的水分子籠子中。在物理外觀上,籠形水合物類似于冰,但由于壓力和客體分子的性質(zhì)不同,籠形水合物可以在高于冰點(diǎn)的溫度形成[1]。自然界中存在大量以天然氣為客體分子的氣體籠型水合物,其中大部分為甲烷水合物。它們?cè)陉懮蟽鐾梁蜕詈Ｖ袕V泛分布,且儲(chǔ)量巨大,被公認(rèn)為未來潛在替代能源,成為全球能源競爭的戰(zhàn)略高地。但水合物開發(fā)產(chǎn)業(yè)化仍處于科研攻關(guān)起步階段,特別是海域水合物儲(chǔ)層埋藏淺、固結(jié)弱、沉積物顆粒特征明顯,儲(chǔ)層失穩(wěn)出砂成為水合物安全高效開采的瓶頸之一。目前水合物出砂研究還主要集中在宏觀尺度的出砂評(píng)價(jià)與防砂方法方面[2-9],對(duì)于揭示儲(chǔ)層失穩(wěn)出砂機(jī)制至關(guān)重要的孔隙尺度上顆粒間作用研究還十分缺乏。已有的顆粒間作用力測試方法主要是針對(duì)流動(dòng)保障方面的水合物顆粒間黏附力測試[10-22],且不能測試顆粒間摩擦力以及直接讀取顆粒間黏附力。據(jù)此,筆者在現(xiàn)有流動(dòng)保障水合物顆粒間黏附力微力測試裝置的基礎(chǔ)上,改用力傳感器進(jìn)行直接測量,并增加摩擦力測試功能,在此基礎(chǔ)上開展水合物顆粒間摩擦力的初步測試,獲取的黏附力和動(dòng)摩擦系數(shù)可用于基于離散元的水合物儲(chǔ)層失穩(wěn)和出砂分析預(yù)測模型,為揭示水合物儲(chǔ)層力學(xué)失穩(wěn)和出砂機(jī)制提供試驗(yàn)手段和測試方法。

1 測試裝置、材料和測試方法

1.1 儲(chǔ)層顆粒間微力測試裝置

圖1為儲(chǔ)層顆粒間微力測試裝置示意圖。其核心部件主要包括3個(gè)可編程線性電動(dòng)位移臺(tái)和2個(gè)高精度力傳感器。其中一個(gè)電動(dòng)位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)X方向的水平移動(dòng),另外兩個(gè)電動(dòng)位移臺(tái)疊加在一起實(shí)現(xiàn)Y、Z方向聯(lián)動(dòng)。電動(dòng)位移臺(tái)(PI公司)尺寸為19 cm×8 cm×4 cm,其運(yùn)動(dòng)定位精度為0.5 μm,最小速度為1 μm/s,最大速度為10 mm/s,可以給定步長或速度運(yùn)動(dòng),最大運(yùn)動(dòng)范圍為25 mm。高精度測力傳感器(FUTEK公司)尺寸為3 cm×0.5 cm×3 cm,測力精度為0.01 mN,可以實(shí)時(shí)測量拉伸(正值)和壓縮時(shí)的力值(負(fù)值)。力傳感器一端分別被裝配在X方向懸臂和Y、Z聯(lián)動(dòng)方向的懸臂上,另一端剛性連接不同直徑(10 μm～1 mm)的探針(毛細(xì)玻璃管、鎢鋼探針或玻璃纖維桿)。通過電動(dòng)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)探針上的顆粒樣品進(jìn)行垂直方向的拉壓和水平方向的推拉,從而進(jìn)行黏附力和摩擦力測試。此外,恒溫循環(huán)浴(優(yōu)博萊ZT4,控溫精度0.1 ℃)用來對(duì)反應(yīng)釜(內(nèi)置溫度傳感器,OMEGA SA1-RTD,精度0.1 ℃)進(jìn)行降溫,顯微鏡(奧林巴斯SZ61,65倍變焦,搭載CCD相機(jī))通過反應(yīng)釜上的視窗觀察被測顆粒。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus and physical

1.2 測試材料

冰顆粒和四氫呋喃(tetrahydrofuran, THF)水合物顆粒均在反應(yīng)釜內(nèi)由恒溫循環(huán)浴冷卻降溫形成。由于THF具有較大的揮發(fā)性,因此使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%的THF溶液(22%THF+78%去離子水,稍許超過19%的常規(guī)質(zhì)量分?jǐn)?shù))制備THF水合物樣品。試驗(yàn)所用THF試劑由阿拉丁公司生產(chǎn),純度大于等于99.9%。去離子水為實(shí)驗(yàn)室去離子水制備機(jī)自制,電阻率為18.25 MΩ·cm。砂顆粒為南海神狐區(qū)域巖心樣品(剔除了有孔蟲部分),靜水沉積后烘干,捏取樣品用環(huán)氧樹脂膠黏附在毛細(xì)玻璃管端部。首先設(shè)定恒溫循環(huán)浴溫度,確保反應(yīng)釜內(nèi)樣品可以形成并保存(冰顆粒-11～-3 ℃,THF顆粒1.9 ℃)。用微升進(jìn)樣器將樣品溶液滴定在探針端部后,迅速將浸泡在液氮的金屬桿靠近液滴,液滴將立刻凝固。隨后將釜內(nèi)溫度調(diào)整至1.9 ℃,以保證形成的樣品是THF水合物顆粒沒有冰存在。冰顆粒和THF水合物顆粒形成過程由具有110 mm觀測距離和65倍放大的SZ61顯微鏡進(jìn)行觀測,并實(shí)時(shí)記錄。

1.3 測試方法

1.3.1 黏附力測試方法

如圖2(a)所示,首先設(shè)定垂直(Z)方向電動(dòng)位移臺(tái)步長,將垂直方向探針端的顆粒下降到位于水平方向探針端顆粒上方約20 μm處;然后將垂直方向力傳感器歸零;接著微調(diào)(1 μm步長)X、Y、Z方向的位移,配合顯微鏡觀察,直到兩個(gè)顆粒建立接觸(力傳感器產(chǎn)生荷載),進(jìn)而通過繼續(xù)向下給定步長施加所需荷載。最后設(shè)置垂直方向速度(10 μm/s)將顆粒拉開,垂直方向力傳感器記錄的最大拉力為黏附力。圖2(b)所示為黏附力測試的實(shí)時(shí)曲線,其中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)某次兩個(gè)顆粒接觸時(shí)的荷載,A點(diǎn)對(duì)應(yīng)顆粒被拉開時(shí)的最大力值,定義為黏附力。

圖2 黏附力測試方法及典型力值曲線Fig.2 Adhesion force test method and typical force value graph

1.3.2 摩擦力測試方法

如圖3所示,首先設(shè)定垂直(Z)方向電動(dòng)位移臺(tái)步長,將垂直方向探針端的顆粒下降到位于水平方向探針端砂板上方約20 μm處;然后將垂直方向力傳感器歸零,微調(diào)(1 μm步長)X、Y、Z方向的位移,配合顯微鏡觀察,直到垂直探針端的顆粒與水平探針端的砂板建立接觸,進(jìn)而通過繼續(xù)向下給定步長施加所需荷載;最后設(shè)置水平方向速度(10 μm/s)將砂板向左勻速推動(dòng),水平方向力傳感器的力值為摩擦力。

圖3 摩擦力測試方法及典型力值曲線圖Fig.3 Friction force test method and typical force value graph

2 結(jié)果分析

2.1 對(duì)比測試

首先,對(duì)兩個(gè)水滴之間接觸張力進(jìn)行初步測試,測試環(huán)境溫度20 ℃,毛細(xì)玻璃管外徑為570 μm,結(jié)果如圖4所示。設(shè)定垂直向下步長為 1 μm,在兩個(gè)水滴相互靠近過程中,水滴接觸的瞬間(圖4(b))垂向的力傳感器感應(yīng)到一個(gè)拉力,緊接著兩顆水滴吸附在一起,然后以1 μm/s的速度將探針向上提拉,水滴被拉開,上下探針端部各有一顆水滴,此過程力傳感器的力值讀數(shù)保持在一個(gè)范圍(圖5,該次測試保持在(0.04±0.005) mN)。

由于每次測試過程中兩個(gè)水滴的尺寸發(fā)生改變,因此參考了Yang等[10]測試工作對(duì)水滴半徑進(jìn)行有效半徑處理:

(1)

式中,R*為有效半徑;R1和R2分別為兩個(gè)接觸顆粒的半徑。

圖4 水滴之間接觸—拉開測試Fig.4 Contact and pull off test between two water droplets

圖5 水滴之間接觸—拉開力傳感器實(shí)時(shí)力值Fig.5 Real-time force value graph of contact and pull off test between two water droplets

有效半徑處理后的力平均值為70.6 mN/m,該值與室溫常壓下水的表面張力(常壓20 ℃時(shí),水與空氣接觸時(shí)的表面張力為72.8 mN/m)的數(shù)量級(jí)較為符合。

隨后,進(jìn)行冰顆粒之間的黏附力測試,并根據(jù)Fan等[11]的線性回歸公式進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值估算:

F=0.44(±0.05)d+42(±4).

(2)

式中,F為兩個(gè)冰顆粒接觸拉開的黏附力估算值;d為兩個(gè)顆粒中小顆粒直徑。

將冰顆粒之間黏附力測試結(jié)果(玻璃纖維桿直徑為50 μm)與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,在相同條件下本測試裝置測得的冰顆粒之間的黏附力與目前微觀力學(xué)測試裝置的量級(jí)和數(shù)值均較為符合。

圖6 冰顆粒之間黏附力測試Fig.6 Adhesion force test between two ice particles

上述水滴接觸張力測試和冰顆粒黏附力對(duì)比測試結(jié)果,驗(yàn)證了本測試裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 水合物顆粒之間的黏附力測試

隨后進(jìn)行不同溫度下的THF水合物顆粒間的黏附力測試,顆粒接觸時(shí)間分別為1和2 s,預(yù)加荷載為0.4～2.8 mN,毛細(xì)玻璃管外徑為570 μm,測試結(jié)果如圖7所示。在接觸時(shí)間一定的條件下,隨著預(yù)加荷載的增加,THF水合物顆粒之間的黏附力增加。這與Taylor等[12]在溫度-3.2 ℃、預(yù)加荷載0～15 μN(yùn)、接觸時(shí)間5 s條件下測得的顆粒黏附力變化規(guī)律一致。該部分測試進(jìn)一步驗(yàn)證了本測試裝置的可靠性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)THF水合物顆粒間黏附力在小荷載(0～15 μN(yùn))和較大荷載(0.4～2.8 mN)下具有相似的變化規(guī)律。

圖7 THF水合物顆粒之間黏附力測試Fig.7 Adhesion force test between two THF hydrate particles

2.3 顆粒間摩擦力測試

在溫度-4.4 ℃條件下分別對(duì)單個(gè)冰顆粒、THF水合物顆粒與南海砂之間的摩擦力進(jìn)行測試,毛細(xì)玻璃管外徑為570 μm,結(jié)果如圖8所示。在測得不同荷載條件下的摩擦力后,其滑動(dòng)摩擦系數(shù)分布情況如圖9所示。

圖8 冰顆粒、THF水合物顆粒與南海砂摩擦力測試Fig.8 Friction force test between ice(THF hydrate) particles and South Sea sand deposition

冰顆粒和南海砂之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)與THF水合物顆粒與南海砂之間在荷載增大到一定值(約3 mN)時(shí)趨于相同,接近于0.6。但二者在小荷載情況下,滑動(dòng)摩擦系數(shù)有不同的變化情況,其中冰顆粒與南海砂滑動(dòng)摩擦系數(shù)由大逐漸變小,THF水合物顆粒與南海砂滑動(dòng)摩擦系數(shù)由小增大。

推測可能是由于兩種不同顆粒的表面性質(zhì)以及摩擦產(chǎn)生的冰和水合物相變導(dǎo)致上述現(xiàn)象。由于冰顆粒和THF水合物顆粒的表面粗糙度不一致,將導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦系數(shù)的變化。彭力等[23]利用原子力顯微鏡對(duì)THF水合物表面進(jìn)行了測試,其研究表明:在氣-液界面自由生長的多晶THF水合物,生長溫度越低,晶粒尺寸越小并更容易出現(xiàn)不定形水合物;且THF水合物與硅片接觸界面會(huì)存在一層很薄的過渡層,通常被稱為似液層,是既非水合物也非冰的狀態(tài),類似的過渡層也在氣體水合物與砂顆粒之間存在[24]。對(duì)此推測,THF水合物顆粒與南海砂之間在小荷載條件下,出現(xiàn)比冰顆粒更小的滑動(dòng)摩擦系數(shù)的原因有:THF水合物顆粒比冰顆粒的晶粒尺寸小,表面粗糙度大,導(dǎo)致低荷載條件下接觸面積小;THF水合物顆粒比冰顆粒的似液層厚度厚,加之摩擦產(chǎn)生的熱量可能導(dǎo)致THF水合物表面分解,進(jìn)而影響摩擦力大小。后續(xù)將利用原子力顯微鏡進(jìn)行水合物、冰表面形貌、液膜厚度和粗糙度的對(duì)比研究,深入揭示上述現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制。

圖9 冰顆粒、THF水合物顆粒與南海砂之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)(平均值)分布Fig.9 Distribution of sliding friction coefficient(mean value) between ice(THF hydrate) particles and South Sea sand deposition

3 結(jié) 論

(1)利用研制的測試裝置對(duì)水合物顆粒與儲(chǔ)層顆粒間的摩擦力進(jìn)行初步研究,在荷載增大到一定值(約3 mN)時(shí),冰顆粒和THF水合物顆粒與南海砂之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)趨于相同,約為0.6。而在小荷載范圍內(nèi),冰顆粒與南海砂滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨荷載增大逐漸降低,THF水合物顆粒則反之。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因可能是冰顆粒和THF水合物顆粒表面粗糙度以及冰和水合物相變條件不同。

(2)研制的測試裝置為模擬儲(chǔ)層內(nèi)水合物顆粒間的微觀力學(xué)行為和運(yùn)動(dòng)受力分析提供了新的試驗(yàn)手段和測試方法,測試結(jié)果可用來計(jì)算顆粒間內(nèi)聚力,分析顆粒間抗轉(zhuǎn)動(dòng)作用和摩擦角,并可為基于離散元的流固耦合水合物儲(chǔ)層出砂數(shù)值模擬提供細(xì)觀模擬參數(shù),使分析預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確。