朱一銘王嘉君徐源鴻應(yīng)展烽

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,南京 210094)

0 引言

隨著我國(guó)能源需求的不斷增加,能源安全、能源戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備及環(huán)境氣候變化等問(wèn)題日益突出,能源結(jié)構(gòu)調(diào)整迫在眉睫[1]。天然氣水合物作為一種新型油氣資源,引起了研究人員的廣泛關(guān)注[2],其在世界范圍內(nèi)廣泛分布于陸域凍土地區(qū)、島嶼斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境[3]。據(jù)估計(jì),全球天然氣水合物中甲烷的含量約為(1.8～2.1)×1016m3,即含碳量?jī)杀队谌蛞阎某Ｒ?guī)油氣資源[4]。由于其具有能量密度高、開(kāi)采規(guī)模大、分布范圍廣、埋藏深度淺等特點(diǎn),被世界各國(guó)的研究人員認(rèn)為是一種重要的新型戰(zhàn)略資源,開(kāi)發(fā)利用潛力巨大[5]。

在我國(guó),自1999年在南海初步發(fā)現(xiàn)天然氣水合物資源存在的證據(jù)以來(lái),已經(jīng)證明我國(guó)南海大陸坡等海域?yàn)槔硐氲奶烊粴馑衔锇l(fā)育場(chǎng)所。2007—2017年,我國(guó)科研人員經(jīng)過(guò)10年攻堅(jiān),相繼在南海神狐海域、陸域祁連山凍土區(qū)、珠江口盆地東部海域等地區(qū)成功鉆取出天然氣水合物巖心樣品,這標(biāo)志著我國(guó)繼美國(guó)、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家之后,在海域天然氣水合物資源、陸域凍土區(qū)天然氣水合物資源的勘探和保壓取芯研究方面取得了重要進(jìn)展[6-9]。尤其是在2017年5—7月,我國(guó)在南海神狐海域開(kāi)展了天然氣水合物試采工程,解決了泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層水合物開(kāi)采過(guò)程中的降壓、防砂、舉升乃至試采中期開(kāi)采平臺(tái)對(duì)抗臺(tái)風(fēng)等問(wèn)題,順利完成了試采60天的任務(wù)目標(biāo),取得了重要研究進(jìn)展[10]。綜上,在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員的共同努力下,我國(guó)的天然氣水合物資源經(jīng)歷了從勘探、取芯到試開(kāi)采的穩(wěn)步發(fā)展過(guò)程,為最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)天然氣水合物資源的高效安全工業(yè)化開(kāi)采、解決能源與環(huán)境問(wèn)題奠定了良好的基礎(chǔ)。

近年來(lái),CH4CO2置換開(kāi)采技術(shù)引起了研究人員的廣泛關(guān)注,利用該技術(shù)既可以從天然氣水合物儲(chǔ)層中開(kāi)采出天然氣資源,又可以將溫室氣體CO2封存于地下,具有環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)[11]。2012年,康菲石油公司等科研團(tuán)隊(duì)在美國(guó)阿拉斯加凍土地區(qū)開(kāi)展了陸域天然氣水合物試開(kāi)采工程,該試采過(guò)程采用CO2置換開(kāi)采法,完成了陸域天然氣水合物資源試開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[12]。開(kāi)采結(jié)果表明,CO2置換開(kāi)采方式可以成功置換出水合物晶體結(jié)構(gòu)中的甲烷分子,且沒(méi)有發(fā)生儲(chǔ)層失穩(wěn)的現(xiàn)象,從而證實(shí)了其作為一種極具發(fā)展前景的天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)的可行性。然而,置換開(kāi)采過(guò)程存在地層安全不確定因素,在天然氣水合物置換開(kāi)采商業(yè)化利用之前,必須對(duì)CO2置換過(guò)程中水合物沉積層的強(qiáng)度、模量、變形等力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究,從而結(jié)合研究成果,對(duì)沉積層可能存在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理規(guī)避。目前,已有學(xué)者對(duì)CO2水合物沉積物的力學(xué)特性開(kāi)展了相關(guān)研究工作,取得了初步研究成果。ORDONEZ等人[13]研究了CO2水合物對(duì)渥太華砂強(qiáng)度和縱波波速的影響,發(fā)現(xiàn)水合物的存在會(huì)導(dǎo)致試樣粘聚力、強(qiáng)度、剛度增加,而摩擦角基本不受影響。HYODO等人[14]研究了水合物飽和度及有效圍壓對(duì)CO2水合物沉積物強(qiáng)度及變形特性的影響,發(fā)現(xiàn)CO2水合物、CH4水合物沉積物的強(qiáng)度和初始剛度均隨著水合物飽和度及有效圍壓的增加而增大。WANG 等人[15]對(duì)CO2置換過(guò)程沉積物的剛度特性開(kāi)展研究,發(fā)現(xiàn)隨著置換反應(yīng)的進(jìn)行,水合物沉積物的P波波速與彈性模量均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。陳合龍等人[16]對(duì)氣飽和含CO2水合物砂開(kāi)展了三軸壓縮實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)含CO2水合物試樣的粘聚力隨水合物飽和度的增加而增加,但摩擦角并沒(méi)有明顯的變化。然而,上述研究工作對(duì)CO2水合物沉積物應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)仍然有限,缺乏圍壓、溫度等因素對(duì)沉積物力學(xué)特性的影響規(guī)律分析,對(duì)CH4水合物沉積物與CO2水合物沉積物力學(xué)特性的差異性認(rèn)識(shí)不足。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題,該研究以安全開(kāi)發(fā)利用天然氣水合物資源為研究背景,基于水合物三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展不同工況條件下CH4水合物沉積物與CO2水合物沉積物三軸剪切實(shí)驗(yàn),獲取沉積物宏觀力學(xué)參數(shù)(應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度、模量),分析圍壓、溫度對(duì)2種水合物沉積物力學(xué)特性的影響,對(duì)比研究CH4水合物沉積物與CO2水合物沉積物力學(xué)特性的差異性,最終為實(shí)現(xiàn)CO2置換開(kāi)采天然氣水合物技術(shù)的安全、穩(wěn)定、高效利用提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法

該研究采用混合制樣法生成水合物沉積物試樣[17]。在水合物形成過(guò)程中,首先用一定量的去離子水并加入SDS試劑(其質(zhì)量濃度為10 mg/L)制成冰塊,然后將其壓碎并采用60目濾網(wǎng)過(guò)濾,獲取最大平均粒徑小于250μm 的冰粉顆粒。將冰粉顆粒放入高壓反應(yīng)釜容器中,通入壓力為10 MPa的高純CH4氣體或CO2氣體,讓氣體與冰粉顆粒充分反應(yīng)48 h并形成含冰水合物,整個(gè)水合物生成過(guò)程均在冷庫(kù)中進(jìn)行(溫度為-10℃)。常壓條件下,根據(jù)水合物分解前后含冰水合物的質(zhì)量差異,計(jì)算得出水合物飽和度約為30%。

與先前研究過(guò)程保持一致[18],該研究采用高嶺土材料作為試樣骨架顆粒,其中值粒徑為3.696μm,比重為2.60 g/c m3,初始孔隙度為70.2%。在水合物沉積物試樣制備過(guò)程中,通過(guò)含冰水合物與骨架顆粒的體積比來(lái)控制和計(jì)算試樣的孔隙率。無(wú)論是CH4水合物沉積物試樣,還是CO2水合物沉積物試樣,其孔隙度均控制在40%,即沉積物骨架顆粒與含冰水合物的體積比約為6∶4,沉積物試樣的孔隙空間幾乎都被含冰水合物所填滿(mǎn)。

試樣制備過(guò)程如下:1)稱(chēng)量相應(yīng)的沉積物骨架顆粒和含冰水合物并充分均勻混合;2)將混合物放入壓力制樣裝置中并施加軸向壓力至30 k N;3)待充分壓實(shí)后最終形成直徑61.8 mm、高度125 mm的水合物沉積物樣品。整個(gè)試樣制備過(guò)程都在溫度為-10℃的冷庫(kù)中進(jìn)行。

圖1為水合物三軸實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)驗(yàn)裝置由三軸主機(jī)、數(shù)字控制系統(tǒng)、控制軟件、充液油泵、低溫控制系統(tǒng)配置而成。該研究中所有三軸剪切試驗(yàn)都依據(jù)巖土工程試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。水合物沉積物試樣的三軸實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:將制備成型的水合物沉積物試樣用橡皮膜包裹好后放在上下壓板上,保證上下壓板與試樣兩端面對(duì)齊平穩(wěn);將橡膠膜和端面壓板的接觸面進(jìn)行密封,之后將耐油乳膠套從上至下套在壓板和試樣上,并用卡環(huán)緊固;將固定在兩壓板間的試樣及壓板一同置于三軸實(shí)驗(yàn)儀器的壓力室內(nèi),同時(shí)注意把有定位孔的下壓板朝下放置以便定位孔能與定位銷(xiāo)重合,從而固定試樣并保證其不會(huì)傾斜;在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)操作下向壓力室內(nèi)注入液壓油,直至油從壓力室內(nèi)置排氣孔中溢出,表明壓力室內(nèi)部試樣周?chē)殉錆M(mǎn)抗磨液壓油;通過(guò)恒溫槽及實(shí)驗(yàn)冷卻裝置對(duì)三軸壓力室進(jìn)行降溫處理,維持實(shí)驗(yàn)所需溫度;施加實(shí)驗(yàn)所需圍壓值,并設(shè)置1.0 mm/min的軸向應(yīng)變速率,對(duì)軸向荷載和變形清零后開(kāi)始三軸壓縮實(shí)驗(yàn),記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力值,直至應(yīng)變達(dá)到21%時(shí)停止記錄,獲取水合物沉積物試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)并進(jìn)行力學(xué)分析。

圖1 水合物三軸實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Hydrate triaxial experi mental device

表1 水合物沉積物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)工況Table 1 The experimental conditions of mechanical properties of hydrate-bearing sediments

2 力學(xué)特性分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖2與圖3為CH4和CO2水合物沉積物在不同溫度和圍壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變速率為恒定值,均保持在1.0%/min。從應(yīng)力應(yīng)變圖中不難看出,在軸向應(yīng)變?cè)龃蟮某跏茧A段,偏應(yīng)力增長(zhǎng)得非常迅速,應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)斜率較大,在此初始應(yīng)力加載階段,CH4水合物沉積物和CO2水合物沉積物均呈現(xiàn)一定的彈性性狀。隨著力學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,沉積物試樣的軸向應(yīng)變繼續(xù)增大,但此時(shí)偏應(yīng)力增加的幅度逐漸趨于平緩,說(shuō)明此時(shí)沉積物試樣開(kāi)始進(jìn)入彈性變形與塑性變形共存的階段。當(dāng)試樣的軸向應(yīng)變繼續(xù)增大至一定程度時(shí),無(wú)論是CH4水合物沉積物還是CO2水合物沉積物,其偏應(yīng)力數(shù)值幾乎趨于穩(wěn)定,表明此時(shí)沉積物試樣完全進(jìn)入屈服變形階段。綜上,該實(shí)驗(yàn)中獲取的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系所呈現(xiàn)的曲線(xiàn)類(lèi)型均為應(yīng)變硬化型,即進(jìn)入屈服階段后,隨著試樣軸向應(yīng)變的增大,偏應(yīng)力略微增加。

圖2 不同圍壓條件下水合物沉積物應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 The stress-strain relationship of hydrate-bearing sediments under different confining pressures

圖3 不同溫度條件下水合物沉積物應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.3 The stress-strain relationship of hydrate-bearing sediments at different temperatures

如圖2和圖3所示,沉積物試樣在剪切過(guò)程中其偏應(yīng)力均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的峰值。從圖2可以看出,選取相同的應(yīng)變數(shù)值,2種水合物沉積物所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力均隨著圍壓的增大而增大;此外,圍壓一定時(shí),CO2水合物沉積物在相同軸向應(yīng)變處所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力高于CH4水合物沉積物試樣。在一定圍壓條件下,水合物的形成與分解和溫度有著密切關(guān)系,因此溫度也是影響應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)關(guān)系的重要因素之一。由圖3可以看出,不同溫度條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)中偏應(yīng)力也沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的峰值,沉積物試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系同樣呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型。不同溫度條件下,在應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)中選取相同的軸向應(yīng)變,其對(duì)應(yīng)的2種水合物沉積物的偏應(yīng)力均隨著溫度的減小而增大;相同溫度條件下,CO2水合物沉積物在相同軸向應(yīng)變處所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值高于CH4水合物沉積物試樣。

2.2 強(qiáng)度特性

破壞強(qiáng)度是指材料所能承受的極限狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力,記作qf,對(duì)于存在峰值的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)(即應(yīng)變軟化型曲線(xiàn)),可將坐標(biāo)軸上的峰值偏應(yīng)力作為破壞強(qiáng)度值,表征沉積物試樣的抗壓或抗剪切能力[19]。然而,從圖2和圖3中明顯可以看出,任意一條應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)均沒(méi)有明顯的峰值,所以取15%軸向應(yīng)變處所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為水合物沉積物的破壞強(qiáng)度值。首先分析不同圍壓條件下,CH4水合物沉積物和CO2水合物沉積物的破壞強(qiáng)度特性。圖4a所示為2種水合物沉積物的破壞強(qiáng)度隨圍壓的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?CH4水合物沉積物和CO2水合物沉積物的破壞強(qiáng)度在5 MPa以下時(shí)均隨著圍壓的增大而呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘蛧鷫簵l件下,圍壓越大,沉積物顆粒之間固結(jié)的越緊密,試樣結(jié)構(gòu)越不容易被破壞。而且無(wú)論是CH4水合物沉積物還是CO2水合物沉積物,試樣內(nèi)部顆粒間的膠結(jié)作用隨著圍壓的增加而顯著,為了破壞其顆粒間的膠結(jié)作用力從而達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn),需要更大的偏應(yīng)力。此外,在相同圍壓條件下,CO2水合物沉積物相較于CH4水合物沉積物擁有更高的破壞強(qiáng)度值,推測(cè)CO2水合物沉積物內(nèi)部顆粒間的膠結(jié)作用可能強(qiáng)于CH4水合物沉積物;另一方面,也可能是由于CO2水合物自身的剪切強(qiáng)度本就高于CH4水合物,從而最終導(dǎo)致了2種水合物沉積物破壞強(qiáng)度的差異。

圖4 水合物沉積物破壞強(qiáng)度曲線(xiàn)Fig.4 The failure strength of hydrate-bearing sediments

由圖4b破壞強(qiáng)度曲線(xiàn)可以看出,在不同溫度條件下,2種水合物沉積物的破壞強(qiáng)度均隨溫度的增大而呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。已有研究表明,水合物沉積物試樣內(nèi)部顆粒間的內(nèi)摩擦角和粘聚力會(huì)隨著溫度的增加而減小,且顆粒間的膠結(jié)作用也隨溫度的升高而減弱;此外,溫度越高,試樣中未凍水含量越多,沉積物試樣顆粒之間的潤(rùn)滑作用越明顯,使得試樣被破壞所需的剪切力也隨之減小,最終均表現(xiàn)為隨溫度升高,破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。與圖4a中所得結(jié)論類(lèi)似,在相同溫度條件下,CO2水合物沉積物的破壞強(qiáng)度高于CH4水合物沉積物;且溫度的上升對(duì)CO2水合物沉積物破壞強(qiáng)度的衰減作用更弱,可能是由于CO2水合物沉積物具有更高的粘聚力和內(nèi)摩擦角導(dǎo)致的。

2.3 剛度特性

宏觀范圍內(nèi),材料抵抗彈性變形的難易程度通常用剛度來(lái)衡量,基于三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該研究重點(diǎn)分析2種水合物沉積物的彈性模量特性,從而對(duì)其抵抗彈性變形的能力進(jìn)行對(duì)比分析[20]。起始屈服模量是指起始屈服強(qiáng)度與相應(yīng)的軸向應(yīng)變的比值,記作E0。從圖5a可以看出,CH4水合物沉積物和CO2水合物沉積物的起始屈服模量均與圍壓大致呈線(xiàn)性增加關(guān)系。CO2水合物沉積物的起始屈服模量均高于CH4水合物沉積物,而且圍壓越高,2種水合物沉積物起始屈服模量的差值越大。圖5b為不同溫度條件下2種水合物沉積物的起始屈服模量變化曲線(xiàn),可以看出,2種水合物沉積物起始屈服模量均隨溫度的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。CO2水合物沉積物的起始屈服模量與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系,但對(duì)于CH4水合物沉積物而言,隨著溫度的升高起始屈服模量下降的幅度會(huì)繼續(xù)增大。以上結(jié)果表明,CO2水合物沉積物的起始屈服模量均高于CH4水合物沉積物,利用CO2置換法開(kāi)采天然氣水合物過(guò)程中沉積層具有更高的抗彈性變形能力。

圖5 水合物沉積物起始屈服模量曲線(xiàn)Fig.5 The initial yield modulus of hydratebearing sedi ments

在應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)上取最大偏應(yīng)力的1/3處所對(duì)應(yīng)的點(diǎn),該點(diǎn)與原點(diǎn)連線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的斜率即為割線(xiàn)彈性模量,其計(jì)算方法是將此點(diǎn)的偏應(yīng)力除以所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變,單位為MPa。根據(jù)上述定義及計(jì)算方法,獲取2種水合物沉積物的割線(xiàn)彈性模量數(shù)據(jù)并繪制曲線(xiàn),如圖6所示。由圖6a可以看出,2種水合物沉積物的割線(xiàn)模量均隨圍壓的增大呈上升趨勢(shì),CH4水合物沉積物的割線(xiàn)模量與圍壓大致呈線(xiàn)性關(guān)系,CO2水合物沉積物割線(xiàn)模量的增加趨勢(shì)隨圍壓的增大有所減緩。割線(xiàn)模量表現(xiàn)為沉積物試樣的平均剛度,研究結(jié)果表明在圍壓增大的過(guò)程中,CO2水合物沉積物內(nèi)部顆粒間的固結(jié)程度有所增強(qiáng),表現(xiàn)為平均剛度的增加;但隨著圍壓進(jìn)一步增大,其割線(xiàn)模量數(shù)值增加的速率趨于平緩。和先前對(duì)CH4水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的研究結(jié)果相類(lèi)似,圍壓的增大可以抑制試樣內(nèi)部裂隙的發(fā)展,但當(dāng)圍壓超過(guò)一定臨界值時(shí),有可能對(duì)CO2沉積物試樣內(nèi)部顆粒產(chǎn)生壓融作用,高圍壓條件下顆粒的破碎反而會(huì)造成CO2沉積物試樣力學(xué)性質(zhì)的降低。

圖6 水合物沉積物割線(xiàn)模量曲線(xiàn)Fig.6 The secant modulus of hydrate-bearing sediments

圖6b所示為溫度對(duì)水合物沉積物割線(xiàn)模量的影響。對(duì)于CH4水合物沉積物而言,其割線(xiàn)模量值隨溫度的增大呈下降趨勢(shì),并且隨著溫度的進(jìn)一步升高,割線(xiàn)模量下降的趨勢(shì)越發(fā)顯著。CO2水合物沉積物的割線(xiàn)模量與溫度的變化關(guān)系并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的上升或下降趨勢(shì),這說(shuō)明溫度對(duì)CO2水合物沉積物試樣割線(xiàn)模量的影響并不顯著。研究結(jié)果表明在不同溫度條件下,相較于CH4水合物沉積物,CO2水合物沉積物的割線(xiàn)模量更為穩(wěn)定,進(jìn)一步驗(yàn)證了利用CO2置換技術(shù)開(kāi)采天然氣水合物過(guò)程中的地層安全可靠性。

3 力學(xué)特性差異性研究

由上述分析可知,在相同工況條件下CO2水合物沉積物的破壞強(qiáng)度、起始屈服模量、割線(xiàn)彈性模量均高于CH4水合物沉積物,并且溫度或圍壓的變化對(duì)CO2水合物沉積物強(qiáng)度及模量的影響程度弱于CH4水合物沉積物。因此,相較于CH4水合物沉積物,CO2水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定,表明CO2置換開(kāi)采技術(shù)對(duì)于天然氣水合物儲(chǔ)層的地層安全性有著較好的保障,置換開(kāi)采過(guò)程中水合物沉積層的力學(xué)穩(wěn)定性不會(huì)被破壞。為了進(jìn)一步探討CH4和CO2水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的差異性,利用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則,通過(guò)繪制3種圍壓(2.50 MPa,3.75 MPa,5.00 MPa)條件下CH4和CO2水合物沉積物試樣的摩爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn),并計(jì)算強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)的斜率和截距,研究獲取了2種水合物沉積物試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)(如表2所示),從內(nèi)部結(jié)構(gòu)角度分析CH4水合物、CO2水合物沉積物試樣產(chǎn)生強(qiáng)度差異的內(nèi)在原因。摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

表2 2種水合物沉積物的粘聚力和內(nèi)摩擦角Table 2 The cohesion and internal friction angle of the two kinds of hydrate-bearing sediments

式中:τ為剪切強(qiáng)度;c為粘聚力;σ為法向主應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角。

粘聚力反映了顆粒間的力學(xué)特性,內(nèi)摩擦角反映了材料的摩擦特性。由表2數(shù)據(jù)可知,CO2水合物沉積物的粘聚力和內(nèi)摩擦角均高于CH4水合物沉積物,說(shuō)明在置換過(guò)程中,水合物沉積物內(nèi)部的CO2水合物顆粒和骨架顆粒之間的膠結(jié)作用及內(nèi)摩擦力強(qiáng)于CH4水合物顆粒,由此驗(yàn)證了前文得出的CO2水合物沉積物具有更高強(qiáng)度及模量的結(jié)論。且相較于CH4水合物沉積物而言,CO2水合物沉積物內(nèi)摩擦角增加的幅度明顯大于粘聚力增加的幅度,說(shuō)明CO2水合物沉積物內(nèi)部顆粒受到剪切作用而相互滑動(dòng)時(shí)需要克服更大的摩擦阻力;據(jù)此可推斷,在CH4-CO2置換過(guò)程中,內(nèi)摩擦角對(duì)水合物沉積物抗剪切破壞能力的強(qiáng)弱起著更加重要的作用。實(shí)際上,水合物飽和度、粒徑尺寸、應(yīng)變速率等因素均對(duì)水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)有顯著影響,還需進(jìn)一步綜合分析多因素條件下2種水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的差異性。以上分析結(jié)果在一定程度上對(duì)置換開(kāi)采過(guò)程中天然氣水合物沉積層的力學(xué)穩(wěn)定性研究具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

該研究針對(duì)孔隙度40%、水合物飽和度30%的沉積物試樣,在應(yīng)變速率為1.0%/min條件下,開(kāi)展CH4水合物沉積物和CO2水合物沉積物的三軸剪切實(shí)驗(yàn),基于力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論:

1)CH4水合物沉積物和CO2水合物沉積物的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)均為應(yīng)變硬化型。在相同圍壓條件下,2種水合物沉積物的偏應(yīng)力均隨圍壓的增大而增大,并且在相同軸向應(yīng)變處CO2水合物沉積物試樣所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值高于CH4水合物沉積物。

2)圍壓越大,沉積物顆粒間固結(jié)的越緊密,且由于圍壓對(duì)水合物顆粒膠結(jié)作用的增強(qiáng),最終表現(xiàn)為2種水合物沉積物的破壞強(qiáng)度均隨圍壓的增大而增加;溫度越高,顆粒間內(nèi)摩擦角和粘聚力隨之減小,且由于顆粒間的潤(rùn)滑作用,導(dǎo)致2種水合物沉積物的破壞強(qiáng)度均隨溫度升高而下降。

3)CH4水合物沉積物、CO2水合物沉積物的起始屈服模量與圍壓及溫度的變化關(guān)系與破壞強(qiáng)度基本保持一致,大致都表現(xiàn)為線(xiàn)性關(guān)系。且在相同圍壓與溫度條件下,CO2水合物沉積物的起始屈服模量均高于CH4水合物沉積物。

4)2種水合物沉積物的割線(xiàn)模量均隨圍壓的增大呈上升趨勢(shì)。相同圍壓條件下,CH4水合物沉積物的割線(xiàn)模量值隨溫度的增大呈下降趨勢(shì),且隨著溫度的進(jìn)一步增加,升高溫度對(duì)割線(xiàn)模量的減弱效應(yīng)越發(fā)明顯,而CO2水合物沉積物的割線(xiàn)模量與溫度的變化關(guān)系并不顯著。

5)相較于CH4水合物沉積物,CO2水合物沉積物內(nèi)部顆粒間的粘聚力和內(nèi)摩擦角更大,因此其具有更高的強(qiáng)度和剛度值;且隨著圍壓和溫度的變化,CO2水合物沉積物比CH4水合物沉積物具有更好的力學(xué)穩(wěn)定性,從而進(jìn)一步證明了CO2置換開(kāi)采天然氣水合物技術(shù)的安全可靠性。