含气水合物沉积物弹塑性损伤本构模型探讨

天然气水合物的开采会带来一系列的岩土工程问题,为了保障相关工程设施的安全,有必要建立一个合理的水合物沉积物本构模型。通过深入分析水合物沉积物力学特点,从颗粒间的作用机制出发,认为水合物沉积物的力学响应是沉积物中土体颗粒间摩擦与水合物胶结二者共同作用的结果;考虑到摩擦与接触特性不同的力学机制,分别采用修正剑桥模型和弹性损伤模型对土体骨架及水合物胶结的应力-应变关系进行描述;通过假定水合物胶结的损伤演化规律,并认为在受力变形过程中二者的应变始终相等,初步建立了一个水合物沉积物的弹塑性损伤本构模型。不同水合物饱和度沉积物应力-应变曲线的模型预测结果与室内三轴排水试验结果吻合良好,表明了所建模型的可行性和合理性。

含气水合物沉积物速度的Biot-Gassmann理论

高弹性速度是含气水合物沉积物的一个显著物理性质。一些速度模型和方程(例如，孔隙-填充模型、胶结模型、有效介质理论、加权方程和时间-平均方程)已被用于描述这种效果。尤其是加权方程和有效介质理论十分合理地预测疏松含气水合物沉积物的弹性性质。加权方程的缺点就是用时间-平均方程的经验关系式作为方程的一个部分。有效介质理论的一个缺点就是在高孔隙地层预测的横波速度不合理地高，这样预测的速度比不能与所观察到的速度比很好地一致。为克服这些缺点，我们提出一种方法，就是根据Biot-Gassmann理论和假设疏松沉积地层速度比(横波与纵波的速度比)是与地层基质的速度比和地层孔隙度有关。所提出的方法使用加权方程或有效介质理论计算的Biot系数，准确地预测富集天然气水合物或没有气水合物的疏松沉积物的弹性性质。将这种方法用于加拿大Mackenzie Delta的Mallik 2L-38井所观察到的速度。