可燃冰沉积物宏细观力学特性真三轴试验离散元模拟

为了研究孔隙填充型可燃冰沉积物在复杂应力状态下的力学特性,采用三维离散元法对孔隙填充型可燃冰沉积物试样进行在不同平均应力、不同中主应力系数下的真三轴压缩模拟试验,研究平均应力和中主应力系数对宏、细观力学性质的影响以及细观力学机制的演化与宏观力学特性的联系。结果表明:平均应力的取值主要影响可燃冰沉积物的峰值强度;大、中、小主应力以及大、中、小主应变受到中主应力系数的取值影响较大,其变化趋势与颗粒接触的强接触组构主值表现出良好的相似性;在三向应力不等的情况下,可燃冰沉积物的破坏强度符合Lade-Duncan准则;随着中主应力系数逐渐增大,XY平面上的法向接触力更倾向于朝着中主应力方向发展。

可燃冰沉积物制备、分解及力学特性测试装置

研制了含可燃冰沉积物室内制备、分解及力学特性测试装置。该装置由低温-高压三轴压力室系统、甲烷气体注入-控制系统、甲烷气体监测预警系统与数据采集系统4部分组成,可物理模拟可燃冰赋存的低温、高流体压力和高应力的复杂地质耦合环境,采用原位生成法成功制备胶结型含可燃冰沉积物,并通过可燃冰生成过程中甲烷气体的消耗量完成可燃冰饱和度的精准计算;以黏质粉砂和甲烷为材料制作了含可燃冰沉积物三轴压缩试样和剪切试样,结合升温开采技术实现可燃冰分解,由此开展分解前后含可燃冰沉积物压缩和剪切力学特性测试,验证了仪器的可靠性。该装置实现了含可燃冰沉积物室内制备、分解及压缩、剪切力学特性测试,为科研辅助教学提供了良好的测试平台。

可燃冰沉积物力学特性的离散元模拟分析

孔隙填充型可燃冰沉积物可作为由砂粒与可燃冰颗粒组成的混合散体材料,其力学行为研究属于典型的非连续问题。针对该非连续问题,本文基于颗粒流软件PFC3D提出一种制备混合散体材料离散元试样的新方法。利用此方法制备了可燃冰沉积物DEM试样,对不同围压下的可燃冰沉积物试样,进行了一系列三轴压缩试验的数值模拟计算,分析了在不同围压和不同饱和度下可燃冰沉积物的力学特性。研究结果表明:本文提出的DEM模拟方法能够较好地反映可燃冰沉积物的力学特性。在相同饱和度下,可燃冰沉积物的初始弹性模量、峰值强度、峰值应变和残余强度均随着围压增大而增大,不同围压下的应力-应变曲线变化趋势基本相同;在同一饱和度下,可燃冰沉积物的峰值应变随着围压的增大而增大。在不同饱和度下,可燃冰沉积物的峰值应变基本都有随着围压增大而线性增长的趋势,围压的增加有助于改善可燃冰沉积物的受压变形能力。

可燃冰沉积物三轴压缩模拟仿真试验分析

利用颗粒流软件PFC3D制备了在不同可燃冰饱和度情况下可燃冰沉积物的数值仿真试样,对不同可燃冰饱和度下的可燃冰沉积物进行了三轴压缩模拟仿真试验,分析了可燃冰饱和度对可燃冰沉积物力学特性的影响。研究结果表明:可燃冰沉积物的初始弹性模量、峰值应力和残余强度均随可燃冰饱和度的增加而增大;在应力超过峰值应力后可燃冰沉积物出现明显的应变软化现象,在可燃冰饱和度小于20%时,应变软化开始时的轴向应变随饱和度增加而增大,在可燃冰饱和度大于20%时,应变软化开始时的轴向应变随饱和度的增加而减小;可燃冰沉积物表现出先剪缩后剪胀的趋势,并且剪胀现象随着可燃冰饱和度的增加而愈发明显。本文工作可为燃冰的安全开采,提供必要的力学基础与技术参考。