水平井降压法和热激法水合物开采对海底边坡稳定性的影响

天然气水合物广泛赋存在深海沉积物孔隙中, 被认为是具有巨大开发潜力的未来绿色能源之一, 引起全球的关注. 深海水合物开采将造成含水合物储层的强度劣化, 可能产生孔压积聚, 诱发海床失稳. 本文基于边坡稳定极限平衡分析框架, 引入考虑水合物开采热-流-化学耦合过程的数值分析模型, 研究水合物开采对海底边坡稳定性的影响. 采用TOUGH+HYDRATE热-流-化学耦合分析程序, 模拟了采用水平井降压法和热激法开采深海水合物的过程, 分析了水合物分解锋面扩展和瞬态孔压演变的规律, 并通过SLOPE/W程序采用极限平衡分析方法计算水合物开采过程及停采后的海底边坡安全系数, 分析开采井位置和开采方法对海底边坡稳定性的影响. 研究表明, 对于存在致密盖层的细砂储层陡坡, 单水平井降压开采过程中, 由于孔压降低, 土体有效应力增加, 边坡稳定性显著提高, 当开采井布设在坡体中部时, 边坡稳定性提高最为明显; 停采后, 由于水合物分解导致土体黏聚强度降低, 且孔压逐渐回升到静水压状态, 导致边坡稳定性下降, 最危险滑弧通过水合物分解区. 若采用双水平井热激法开采, 开采过程与停采后的最危险滑弧始终通过水合物分解区, 由于开采过程中温度升高, 井周孔压显著上升, 导致边坡安全系数明显下降, 存在诱发滑坡的风险.      

海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变, 同时降低沉积物的胶结程度, 使地层的抗剪强度和承载能力降低, 从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题. 为此, 在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内, 基于扩展的三维Biot固结理论, 考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用, 建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型, 并开发有限元程序对其进行数值求解. 以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象, 构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型, 预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律, 揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势. 结果表明: 储层降压导致地层有效应力增大, 进而引起井周地层发生沉降, 且地层的沉降主要发生在降压开采前期, 最大沉降位置位于井壁周围, 向储层内部延伸地层沉降量快速减小; 水合物分解导致井周地层力学强度降低, 加剧了储层的沉降; 井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显, 从而造成井壁破坏的潜在风险, 这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.      

海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变,同时降低沉积物的胶结程度,使地层的抗剪强度和承载能力降低,从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题.为此,在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内,基于扩展的三维Biot固结理论,考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用,建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型,并开发有限元程序对其进行数值求解.以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象,构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型,预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律,揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势.结果表明:储层降压导致地层有效应力增大,进而引起井周地层发生沉降,且地层的沉降主要发生在降压开采前期,最大沉降位置位于井壁周围,向储层内部延伸地层沉降量快速减小;水合物分解导致井周地层力学强度降低,加剧了储层的沉降;井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显,从而造成井壁破坏的潜在风险,这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.     

天然气水合物降压开采沉积物压缩效应数值模拟研究

深海天然气水合物降压开采过程中,沉积物的压缩会改变储层的物理力学特性,进而对天然气的开采效果产生显著影响.为揭示沉积物压缩效应下井周围储层物理力学特性演化规律,本文建立了考虑沉积物压缩效应的理论模型,通过COMSOL模拟研究了不同初始固有渗透率、初始水合物饱和度和井底压力条件下的降压开采中生产井周围储层的物理力学特性演化规律以及开采效果.结果表明:受沉积物压缩的影响,水合物分解区的渗透率随着与井筒距离的增加先增加后减少;产气与产水速率由零立即上升至峰值,然后迅速下降,并且考虑沉积物压缩时的产气与产水速率比不考虑时低;在水合物完全分解区,渗透率的大小与有效应力成负相关关系,未分解区渗透率的大小与水合物饱和度成负相关关系;井底压力越小,有效应力越大,生产井周围储层的渗透率下降越明显;初始水合物饱和度对产气与产水的影响存在拐点,饱和度拐点位于0.25与0.35之间,高水合物饱和度并不代表储层开采效果好,产气速率的高低还与储层的渗透率有关,高水合物饱和度储层的渗透率较低,产气速率较低;储层初始固有渗透率较高时显著促进了开采效果,但储层变形量较大增加了储层的不稳定性.     

边坡稳定分析的虚功率法

基于有限元计算所得应力场的改进极限平衡法,对渗流与有效应力耦合作用强烈的边坡或地基的稳定性分析具有优势.本文提出了边坡稳定分析的虚功率法,即基于极限分析的上限定理,利用机动许可的组合刚体滑动机构和有限元应力场,用滑动机构的速度间断面上的抗滑力功率与滑动力功率的比值计算安全系数.通过分步优化方法,获得边坡给定滑动机制的稳定安全系数.对2个典型折线滑动机构的边坡案例进行了分析,比较了采用静力平衡应力场和静力许可应力场对安全系数的影响.指出基于土体线弹性本构模型所得的有效应力场计算的稳定安全系数,也是边坡稳定安全性的一个不错的度量.算例中本文计算所得的边坡稳定安全系数,与文献中推荐的答案很接近,其滑动机制与有限元强度折减法分析所得的滑动机制基本一致,安全系数也接近,表明本文提出的方法是合理的边坡稳定分析新方法,为边坡和地基的稳定性分析提供了新的选择.     

含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注. 近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测.2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.      

含水合物沉积物多相渗流特性研究进展

天然气水合物作为一种储量大、无污染的清洁能源近些年受到了广泛关注.近20年来,中国进行了较大范围的陆海域天然气水合物储层勘探与储量预测. 2017年,中国地质调查局牵头对南海神狐海域的天然气水合物进行了基于降压渗流原理的试验性开采.国内外已进行的水合物试采工程面临着气体产量低、出砂较多等问题,其最主要的原因之一是开发过程中沉积物内复杂多相渗流机理尚不明晰.本文综述了平行毛细管模型、Kozeny模型等广泛应用于天然气水合物开发渗流分析的理论模型,对比分析了水合物开发多尺度渗流过程模拟方法,简述了国内外含水合物沉积物渗透率测试、渗流过程中沉积物物性演变以及水合物开采室内模拟等方面的渗流实验进展,总结了矿场尺度的天然气水合物储层开采过程中产气数值模拟手段,展望了多相渗流模型、储层原位含水合物样品室内测试及结构与物性演化、矿场尺度数值模拟与水平井压裂技术等应用研究的未来方向与挑战.     

昆明绕城高速公路杨林隧道出口的边坡稳定性研究

针对严格Janbu法不易收敛的缺点,采用Matlab曲线拟合工具箱里的三次样条函数csapi拟合条间力矩,简化了计算程序;采用改进的严格Janbu法等极限平衡方法和考虑地震动荷载时程分析的拟静力法对昆明绕城高速公路杨林隧道出口段某滑坡体的抗滑稳定性进行了系统地分析和研究,计算了该边坡在自然工况和地震工况条件下的抗滑稳定安全系数值。结果表明:在自然工况下边坡抗滑稳定安全系数在1.447～1.452之间,边坡是稳定的;在地震工况下,通过综合计算分析所得到的边坡抗滑稳定安全系数在0.55～1.017之间,边坡存在失稳风险。     

一种新的海洋浅层水合物开采法——机械-热联合法

天然气水合物是国家的战略能源之一.天然气水合物分解相变使其开采难度高于常规化石能源.国际天然气水合物试验性开采表明通过降压、注热等方法难以满足商业化开采的需求,尤其在水合物位于浅层、软土情况下,持续稳定且高效率的热量供给是其瓶颈.天然气水合物机械-热联合开采是一种新概念模式,即通过粉碎水合物沉积物通过管道输运并在内部分解,这样既增加了传热的表面积,又利用海水热量和对流传热提高了能量供给效率.分析表明:利用该方法开采时水温过高会导致水合物分解过快而产生不稳定流,温度过低又导致水合物二次生成或结冰;水流流速既要能使被粉碎的水合物沉积物颗粒悬浮和流动,又不能导致流动失稳.为了实现高效安全的机械-热水合物开采,经过初步分析提出原位水合物地层粉碎的颗粒直径设定在0.1~1.0 cm之间,控制水流速度为0.22~0.67m/s,温差保证在5K以上,混合物中水的体积分数大于0.85.      

边坡稳定分析的虚功率法

基于有限元计算所得应力场的改进极限平衡法, 对渗流与有效应力耦合作用强烈的边坡或地基的稳定性分析具有优势. 本文提出了边坡稳定分析的虚功率法, 即基于极限分析的上限定理, 利用机动许可的组合刚体滑动机构和有限元应力场, 用滑动机构的速度间断面上的抗滑力功率与滑动力功率的比值计算安全系数. 通过分步优化方法, 获得边坡给定滑动机制的稳定安全系数. 对2个典型折线滑动机构的边坡案例进行了分析, 比较了采用静力平衡应力场和静力许可应力场对安全系数的影响. 指出基于土体线弹性本构模型所得的有效应力场计算的稳定安全系数, 也是边坡稳定安全性的一个不错的度量. 算例中本文计算所得的边坡稳定安全系数, 与文献中推荐的答案很接近, 其滑动机制与有限元强度折减法分析所得的滑动机制基本一致, 安全系数也接近, 表明本文提出的方法是合理的边坡稳定分析新方法, 为边坡和地基的稳定性分析提供了新的选择.      

框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析方法及其 应用

以边坡极限平衡理论及框架预应力锚杆边坡支护结构的圆弧滑动破坏模式为基础,在考虑框架、锚杆对土体边坡稳定性影响的情况下,基于圆弧滑动条分法的思想利用积分法建立了内部稳定性安全系数计算模型和最危险滑移面搜索模型。确定滑移面圆心坐标为几何控制参数,推导了安全系数计算模型中各变量与滑移面圆心坐标之间的函数关系式,从而获得了滑移面几何控制参数与内部稳定性安全系数之间的函数关系。利用网格法对框架预应力锚杆支护结构最危险滑移面的圆心坐标进行动态搜索和求解。最后采用Matlab语言编制了框架预应力锚杆边坡支护结构的稳定性分析程序,并结合工程实例进行了验算,讨论了此种方法的适用条件,结果表明该方法简明适用,较传统的经验分析方法更加合理。     

深海天然气水合物机械?热联合开采方法研究综述

天然气水合物由于储量大、污染低等优点, 已成为我国非常重要的战略能源, 世界各国也加快了天然气水合物的勘探和开发工作. 经济高效的开采方法以及相关的灾害控制和环境保护是对天然气水合物进行商业化开采必须要解决好的两个关键问题. 目前, 注热法和降压法的联合使用被认为是最为有效的天然气水合物开采方法. 在降压法和注热法中, 天然气水合物开采涉及传热、相变、渗流和变形等物理过程和效应, 而传热最慢且相变会消耗大量的热量, 无法直接采用常规的单纯依靠渗流原理的油气开采方案来开采天然气水合物. 我国南海的天然气水合物主要赋存于粉砂质黏土和粉细砂等类型的沉积物中, 胶结性差且埋深较浅. 常规的开采方法还不适合我国南海的水合物开采, 需要考虑新型的开采方式, 这其中提高沉积层中的热传导效率是天然气水合物开采的关键. 郑哲敏提出了机械?热联合开采的新概念方法, 利用无穷无尽表层海水的热量, 基于对流传热的原理和管道输送技术, 并兼顾类似采煤挖掘可能导致的深海浅软地层安全问题. 天然气水合物机械?热联合开采法是一种新的概念模式, 具有开采可控、高效且能有效降低地层安全性风险的优点. 本文针对该新方法的能量、装备、经济可行性进行综合评估, 阐述了针对核心问题管道含相变气液固多相流动、地层安全方面的研究进展, 展望了未来推广应用的空间.      

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或"牵引式滑坡"。     

基于等效加速度的岩质边坡爆破动力稳定性

基于刚体极限平衡法及等效加速度计算方法,根据爆破振动峰值速度衰减规律和振动速度时程曲 线,以一定时间步长进行整个爆破过程不同时刻边坡稳定系数的分析,得到了相应爆破振动作用下的边坡动 力稳定性安全系数时程曲线。结果表明,基于等效加速度的边坡爆破动力稳定性分析,对稳定性较好的边坡, 爆破振动荷载作用下,稳定性安全系数一般降低2%~4%,振动主频率越高,则边坡稳定性系数越大,而常规 的折减系数法可能放大爆破振动对边坡稳定性的危害。     

不同水合物饱和度下注热水开采实验研究

为研究不同水合物藏饱和度对注热开采动态的影响,采用自制的一维天然气水合物(NGH)开采模拟实验装置,模拟地层多孔介质的条件,首先在填砂模型中生成不同饱和度的NGH,然后进行注热盐水分解实验。结果表明:不同饱和度的NGH注热分解产气都可划分为三个阶段,不同的是NGH饱和度越高,水合物分解阶段的产气速率越大,且该阶段持续的时间越长;NGH饱和度越高,注热分解阶段电阻率增大的幅度越大,系统各测点温度升高的幅度越小。注热分解过程中产水速率围绕注水速率而上下波动,且NGH饱和度越高,产水速率波动幅度越大;在实验研究范围内,随初始水合物饱和度的升高,注热开采的能量效率逐渐升高。因此,从能量效率来说,高饱和度的水合物藏更适宜于注热开采。     

沉积物中导热体周围水合物分解范围研究

沉积物水合物在热源周围的分解范围是水合物热开采以及相关灾害分析的重要基础数据.该文针对平面内边界有恒温热源的水合物热分解范围问题进行了理论分析和四氢呋喃水合物沉积物模型实验,并将两者结果进行了对比.结果表明:沉积物水合物最大分解范围主要取决于热源与环境温度的温差;热源周围水合物热分解最大范围的理论值与实验值接近,误差小于5%.     

山区公路开挖边坡的稳定性研究及其工程治理──以大甘坪路堑边坡为例

针对山区修筑公路常遇开挖自然斜坡坡脚而诱发边坡失稳的情况,以大甘坪路堑边坡为例,对大甘坪粘土进行卸荷路径下的三轴试验,以获得边坡稳定分析的计算参数。对边坡开挖作非线性有限元分析,探讨边坡塑性区形态和确定滑移面位置。现场监测边坡在渗流期的地下水位变化,采用极限平衡法计算边坡的安全系数,并对其稳定性进行评价。根据有限元分析结果,提出了利用抗滑挡土墙支挡和树枝笼排水沟构成排水系统的边坡治理方法。     

爆破振动作用下顺层岩质边坡稳定性分析

基于对顺层岩质边坡的受力分析,在极限平衡理论的基础上,应用Mohr-Column准则,按照Bishop关于边坡稳定性安全系数的定义,推导出在爆破振动作用下顺层岩质边坡稳定性安全系数的计算方法。通过算例分析,证实了计算方法的可行性,说明了爆破振动拟静力系数同顺层边坡安全系数的关系。研究结果表明,垂直向下、水平指向坡外的爆破振动荷载以及两者的联合爆破荷载对边坡稳定性安全系数的影响最大;爆破荷载拟静力系数从0起每增加0.05,爆破振动水平指向坡外和垂直向下时,层裂长度为12.76 m的顺层边坡安全系数分别减少7.801%～10.665%、1.366%～1.978%,无层裂的顺层边坡安全系数分别减少7.61%～10.546%、1.473%～2.289%。同时,爆破振动产生的层裂长度、边坡长度以及联合爆破荷载的方向对边坡稳定性也有影响。     

层状基岩上坝体抗滑稳定性的塑性理论极限平衡法

关于坝体抗滑稳定性计算,现在通用的极限平衡法指的是双斜滑动法.它把滑动体和阻滑体看作刚体来分析.对于坝体沿倾向下游的夹泥层产生深层滑动的情形,石膏模型试验表明失稳前坝趾处出现塑性区.本文用塑性力学原理分析失稳前的塑性区,得出了夹泥层上均质岩基及层状岩基安全系数与极限抗力的计算公式.文末给出大坝典型剖面抗滑稳定安全系数计算实例及与刚体分析法的比较.     

海底边坡稳定分析方法综述

本文指出海底边坡与陆上边坡的不同点,对一个完整的海底边坡稳定问题从几何形状和载荷情况两个方面进行了描述。由于波浪影响是海底边坡问题的最大特点,因此回顾了计算海底压力的各种方法以及在海底压力作用下海底土层产生的瞬态和残余孔隙压力。然后对极限平衡、静态变形分析和动力分析三大类边坡稳定分析方法进行了评述,并指出各自的适用范围。海底边坡破坏后的行为尤其复杂,指出用流变模型预测泥流性质的可能性。最后提出了海底边坡稳定性课题的当前致力方向。