含水合物沉积物三轴剪切试验与损伤统计分析

天然气水合物开采诱发水合物分解,削弱水合物地层强度,可能导致地层滑动和生产平台倒塌等工程地质灾害,对水合物开采安全性构成严重威胁.深入理解含水合物沉积物力学性质并建立合理的本构关系模型是水合物开采安全性评价的前提条件.在自主研发的含水合物沉积物力学性质测试实验装置上,采用饱和水海砂沉积物气体扩散法制备了含水合物沉积物样品,并开展了系列的排水三轴剪切试验,通过时域反射技术实现了样品中水合物饱和度的实时在线测量;基于复合材料的罗伊斯(Reuss)应力串联模型和沃伊特(Voigt)应变并联模型提出了含水合物沉积物等效弹性模量的细观力学混合律模型,结合损伤统计理论和摩尔-库伦破坏准则改进了含水合物沉积物的本构关系模型.结果表明:随着水合物饱和度的增加和有效围压的减小,应力-应变曲线由应变硬化型变为应变软化型,割线模量和峰值强度均随水合物饱和度与有效围压的增加而提高,黏聚力受水合物饱和度影响明显,而内摩擦角基本不变;提出的等效弹性模量细观力学混合律模型与改进的本构关系模型均具有良好的适用性,模型参数少且物理意义明确.      

含水合物黏土的力学性质试验研究

基于含四氢呋喃水合物黏土样品在不同水合物饱和度、围压及水合物分解前后的高压三轴剪切试验和超声波测量数据,分析了含水合物黏土的应力-应变关系和强度特性。试验结果表明:(1)含水合物黏土的应力-应变曲线展现出弹性、塑性变形以及应变硬化三个阶段(在应变低于1.5%时近似为弹性,在应变2%~6%范围内表现为塑性,在大于6%后呈现明显的应变硬化特性),与不含水合物黏土的应力-应变关系有明显不同;(2)含水合物黏土在水合物分解前后的应力-应变关系存在明显的不同,水合物分解后比水合物分解前的不排水强度值降低程度最大为50%;(3)含水合物黏土的不排水抗剪强度随水合物饱和度和围压的增加而增大,并比不含水合物黏土的强度提高1~6倍。上述结果表明水合物的存在增强了黏土颗粒之间的连结或胶结作用。     

南海水合物黏土沉积物力学特性试验模拟研究

利用自行研制的含水合物沉积物合成、分解与力学性质测量一体化试验设备,以南海水合物区域的海底粉质黏土作为骨架,制备含水合物沉积物样品,并对其进行了三轴压缩试验研究,获得了水合物分解前后的应力应变曲线和抗剪强度特性. 结果表明:在水合物饱和度0%~45% 的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线均表现为弹塑性变形,存在明显的应变硬化现象;抗剪强度、内摩擦角和黏聚力随水合物饱和度的增加而增加. 相对而言,内摩擦角随饱和度增加幅度较小,其他参数在水合物饱和度超过25% 时,呈陡然增高趋势;水合物分解后导致抗剪强度最大可降低为初始的1/4,不同初始饱和度条件下水合物完全分解后沉积物的抗剪强度基本相等,并大于同等围压条件下初始不含水合物的沉积物抗剪强度.      

水合物沉积物力学性质的研究现状

天然气水合物(简称水合物)是一些具有相对较低分子质量的气体如甲烷,二氧化碳、氮气等在一定温度和压力条件下与水形成的内含笼形孔隙的冰状晶体.天然气水合物沉积物(简称水合物沉积物)是指蕴含水合物的砂、黏土以及混和土等土质的沉积物质.主要从现场调查、室内试验和理论模型分析3个方面对甲烷水合物沉积物力学性质的研究现状做了介绍.在现场调查方面着重介绍水合物沉积物原位和调查船上的物性试验,并对原位带孔压测量的圆锥静力触探试验在水合物沉积物力学性质现场调查中的应用前景进行了阐述;在室内试验方面主要介绍了原状和人工合成的水合物沉积物的三轴试验结果,测定弹性参数的声波测试试验结果,天然气和水的含量及沉积物特性对水合物沉积物强度影响的试验结果,以及与水合物开采有关的水合物分解对水合物沉积物强度影响的室内试验和结果;在理论模型方面着重介绍了目前经常采用的几个模型的特点及应用范围.最后提出了今后在水合物沉积物力学性质研究方面应开展的工作重点及发展方向.      

沉积物中甲烷水合物饱和度测定及其力学特性研究

在自主研制的实验装置上合成甲烷水合物,采用时域反射技术(TDR)实时监测甲烷水合物生成过程中饱和度的变化,并与系统的压力降法计算的饱和度进行了对比。结果表明TDR法简单易行,结果可靠。对含甲烷水合物沉积物进行了一系列不排水三轴压缩实验,结果表明,含甲烷水合物沉积物的抗剪强度随着有效围压的增加和水合物饱和度的增加而增大;粘聚力随着甲烷水合物饱和度的增加而明显增加,但内摩擦角变化并不显著。在此基础上,提出了抗剪强度与有效围压和水合物饱和度的关系模型。     

沉积方向和粒径组成对砂土力学特性的影响

运用砂土毛细效应所形成的假凝聚力制备具有不同沉积方向的试样,开展三轴固结排水剪切试验,研究粒径组成对初始各向异性砂土力学特性的影响,分析了粒径组成、沉积方向、强度特性和体积变化之间的相互关系。研究结论表明,试样剪切带的形成受到颗粒级配的影响,它是应力应变关系中陡降阶段的产生原因。沉积方向对粗砂和细砂的偏应力峰值强度均有影响,对残余强度的影响受制于颗粒级配。沉积方向与试样破坏面接近时,试样强度低、剪胀变形小且更容易破坏,粒径组成对砂土三轴剪切力学特性的影响更显著。     

有效应力升降过程中不同饱和度水合物沉积物渗透率实验研究

为了研究天然气水合物开采过程中水合物饱和度和有效应力变化对含水合物沉积层渗透率变化规律的影响,利用自主研制的水合物沉积物合成与三轴渗流实验一体化装置,进行了有效应力升降过程中不同饱和度水合物沉积物渗透性实验。结果表明:有效应力升降过程中,不同饱和度水合物沉积物的渗透率与有效应力均呈负指数规律变化,并表现出在低有效应力阶段渗透率变化的幅度大于高有效应力阶段;有效应力升降过程中,试样产生的不可恢复变形使渗透率不能完全恢复,造成渗透率永久损失;有效应力不变时,水合物沉积物的渗透率与水合物饱和度呈负指数规律变化,且曲线的斜率随饱和度增加由大变小;水合物的饱和度越大,最大渗透率损害率越大,渗透率恢复的程度越差。     

含水合物沉积物的弹塑性本构模型

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.     

含水合物沉积物的弹塑性本构模型

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.      

恒定主应力偏转角下黏土不排水剪切特性分析

天然土的结构性、各向异性对其强度有影响.进行固结压力100kPa、主应力轴恒定偏转角为0°,15°,30°,45°,60°的恒定主应力轴偏转角的固结不排水剪切试验,分析了不同恒定主应力轴偏转角对饱和软黏土固结不排水剪切强度影响;推导了总应力控制恒定主应力轴偏转角剪切试验总应力路径,编制了总应力控制剪切三维点积分程序,对比恒定主应力轴偏转角饱和软黏土固结不排水剪切强度计算值与试验结果,表明程序能很好地反应各向异性对土剪切强度影响.     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时, 试样强度迅速上升, 呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用. 粉质黏土沉积物粒径细小, 渗透性差,难以通过渗透作用传递压力, 提高了沉积层的破裂压力. 此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响. 适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触, 会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.      

THE VARIATIONS OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF REMODELING AND UNDISTURBED EXPANSIVE ROCKS OF DIFFERENT PARTICLE SIZES 1)

以南宁盆地膨胀岩为研究对象,通过室内试验测定原状样与不同颗粒粒径重塑样的膨胀力、抗剪强度及热特性,研究其性质差异。结果表明：重塑后不同粒径范围膨胀岩土样的无荷膨胀率较原状样明显升高,而主应力差峰值、抗剪强度和热物理指标较原状样均有降低。因此,应选择合适粒径范围的土颗粒重塑代替原状样进行室内试验：无荷膨胀率和膨胀力试验应选择粒径范围1 mm≤d<2 mm的土颗粒;三轴试验和热物理指标测试应尽量选择粒径较小的土颗粒。     

Meso-level simulation of gas hydrate dissociation inlow-permeability sediments

This paper presents a meso-level simulation of gas hydrate dissociation in low-permeability marine sediments. Interstitial pores are defined to describe fluid flow and particle movement. The proposed model couples multiphase fluid flow with particle movement to simulate the thermodynamics of gas hydrate dissociation triggered by sharp temperature rises. Hydrates respond quickly to temperature rise in low-permeability sediments. Dissociation causes pore pressure to rise rapidly to equilibrium then steadily increase above equilibrium pressure. Lower permeability sediment builds up greater excess pore pressure as the dissipation of pore pressure is constrained.     

Determining a representative element volume for DEM simulations of samples with non-circular particles

Numerical studies on the number of particles or system size required to attain a representative element volume (REV) for discrete element method (DEM) simulations of granular materials have almost always considered samples with spherical or circular particles. This study considers how many particles are needed to attain a REV for 2D samples of 2-disc cluster particles where the particle aspect ratio (AR) was systematically varied. Dense and loose assemblies of particles were simulated. The minimum REV was assessed both by considering the repeatability of static packing characteristics and the shearing behaviour in biaxial compression tests, and by investigating the effect of sample size on the measured characteristics and observed shearing behaviour. The repeatability of the data considered generally improved with increasing sample size. The packing characteristics of the dense samples were more repeatable suggesting that the minimum REV reduces with increasing packing density. The minimum REV was observed to be sensitive to the characteristic measured. Although the overall responses of the samples during shear deformation were similar irrespective of the sample sizes, the smaller the sample size, the higher the fluctuations observed in the responses. Analysis of the coefficient of variation of the fluctuations around the critical state stress ratio can provide insight as to whether a REV is attained. The particle AR influences the effect of sample size on shearing characteristics and thus the minimum number of particles required to attain a REV; this can be explained by the influence of AR on the number of contacts within the samples.     

Investigation of influence of coal properties on dense-phase pneumatic conveying at high pressure

Experiments of dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal using nitrogen were carried out in a test facility at pressures of up to 3.7 MPa to study the effects of coal type, particle size and moisture content on flow characteristics. The Jenike shear test and scanning electron microscopy (SEM) were employed to provide a better understanding of effects of the material properties on flow characteristics. Two kinds of pulverized coals, Yanzhou and Datong, with similar particle size, moisture content and density, were used in the test. Pressure drop increases with increasing the particle size at similar solid–gas ratio, superficial velocity and pressure in the receiving hopper, and pressure drops through different test sections decrease firstly and then rise with increasing the conveying velocity for the same particle size, mass flow rate and pressure in the receiving hopper. The flowability of pulverized coal decreases with increasing the moisture content in the range from 3.24% to 8.18%. Unconfined yield strength (UYS) increases and flow function (FF) decreases with increasing the moisture content. Results of the shearing tests are consistent with the results of the conveying study. Pressure drops through different test sections are discussed and analyzed.     

Particle dispersion in a single-sided backward-facing step flow

The paper describes the particle dispersion in a single-sided backward-facing step flow. Particles of well-known sizes in the diameter range from 1 to 70 μm were suspended in an air flow and the particle motion over a step was measured by mean of a laser-Doppler anemometer. Thus, the local and integral flow quantities, i.e. the mean and turbulent velocity data could be measured precisely. In the experiments, monodispersed particle size distributions were used to exclude particle size related information ambiguity, known as triggering effects or size bias. The results of this study show qualitatively and quantitatively the difference in time-averaged particle dynamics for selected particle sizes in a backward-facing step flow. The experiments show, for different sizes, the changes in the particle velocity field in comparison with the velocity field of the continuous phase deduced from the 1 μm particles, and also imply the strong influences which different particle sizes have on flow data evaluation when size effects are not taken into account with particle-related optical measuring techniques.     

含天然气水合物土微观力学特性研究进展

天然气水合物作为一种资源储量大、分布范围广、能量密度高的清洁能源, 受到了国内外的广泛关注, 竞相研究安全高效、持续可控的开采方法. 充分掌握含天然气水合物土的力学特性并厘清其在开采过程中的动态演化规律, 是实现天然气水合物资源产业化开发的重要前提. 含天然气水合物土的力学响应行为本质上是其内部结构演化的宏观反映, 相关的微观力学特性研究对于深化含天然气水合物土力学特性认识具有重要的意义. 本文从天然气水合物晶体、天然气水合物与土颗粒界面、含天然气水合物土3个尺度对含天然气水合物土微观力学特性的研究现状进行了总结, 系统归纳了天然气水合物的晶体结构类型及天然气水合物的孔隙微观赋存模式; 重点介绍了计算机断层扫描、扫描电子显微镜、X射线衍射及原子力显微镜等微观测试技术原理与特点; 简述了与计算机断层扫描联用的三轴剪切实验、颗粒流程序模拟及分子动力学模拟在天然气水合物微观力学特性研究方面的最新进展; 综合现有研究结果对含天然气水合物土内颗粒界面剪切机理及微观力学理论模型进行了概述分析; 最后探讨了含天然气水合物土微观力学研究目前仍存在的不足与挑战, 并给出了针对性的建议以期促进含天然气水合物土的力学特性研究发展.      

竖直管道中固—液两相流动流态化实验探讨

主要探讨竖直管道中不同颗粒级配、流体流速条件下的固-液两相流动的流态化规律.首先通过量纲分析获得关键控制参数,然后以玻璃珠(粒径:0.25 mm～2.0 mm)、粉细砂(d10=0.044 mm)两种固体和水为实验介质,开展了两相流动流态化实验,考虑流体流速(相对于管道雷诺数介于640～3 300之间)和颗粒级配的影响.通过分析发现:具有均匀粒径分布的玻璃珠床,床层膨胀高度随流速的增加而增加,流速与浓度的对数呈线性关系,与Richardson--Zaki公式一致;具有较宽粒径分布的粉细砂,细颗粒随水流逐渐流出管道,剩余颗粒质量与雷诺数呈指数递减趋势.     

漂珠颗粒材料静动态力学性能与破碎机理研究

为考察脆性空心颗粒材料冲击载荷下的力学特性，以具有不同粒径分布的粉煤灰漂珠为研究对象，对其静动态力学性能进行实验研究。通过限制颗粒材料压缩应变为50%，分析颗粒破碎率和破碎机理与材料宏观应变率效应的关系。结果表明:（1）不同粒径的漂珠颗粒材料在动态压缩下较准静态压缩下颗粒材料的强度均有明显的增强，在0.001和150 s?1大小颗粒的强度分别提高200%和195%，在150和300 s?1大小颗粒的强度分别提高39%和51.5%，在300和800 s?1大小颗粒的强度并未发生明显的变化；（2）在相同加载速度下粒径较小的颗粒比大粒径颗粒的强度和吸能效果分别提高35%～40%和35%～48%；（3）对破碎后颗粒粒径分布曲线分析可知，随着加载速度的增加，大小颗粒的破碎率和破碎程度都会增大，且在相同加载速度下大颗粒的破碎率较小颗粒的破碎率高；（4）Hardin破碎势分析表明，单位输入能量下颗粒的相对破碎势随冲击速度增大而减小，动态冲击下用于颗粒破碎的能量利用率降低，从而导致材料在相同压缩量下产生更高的能量耗散和应力水平，即表现为宏观的应变率效应。