含水合物土一维压缩特性

含水合物土体的一维压缩特性对分析含水合物地层变形特性具有重要意义。基于南海神狐海域SH3钻孔的沉积物物理性质,人工配制了细粒土作为水合物赋存介质制作了含水合物土试样,并开展一维压缩试验,研究了水合物饱和度与环境温度对含水合物土压缩变形的影响规律。结果表明:随着水合物饱和度增大与环境温度降低,含水合物土越难被压缩,可压缩性变小;水合物饱和度与环境温度对屈服后压缩指数和回弹指数影响趋势不明显,但水合物饱和度的提高与环境温度的降低会明显减小屈服前压缩指数和增大先期固结压力;水合物的形成填充了孔隙空间并胶结土体颗粒,而环境温度降低使得胶结作用更为显著,土体颗粒及水合物颗粒难以发生移动重排,导致土体难以被压缩,也使其整体结构性越来越强,先期固结压力增加。根据分析结果,提出了先期固结压力随水合物饱和度变化的经验关系式,给出了一维压缩曲线的数学表达式。

含水合物土抗拉强度特性

含水合物土的抗拉强度特性对含水合物地层的稳定评估具有重要意义。以黏质粉土为赋存介质,利用四氢呋喃(THF)合成含水合物土试样,在冷冻库中利用改进后的单轴拉伸装置研究了含水合物土单轴抗拉强度特性。试验结果表明水合物饱和度、试样干密度、细粒含量对含水合物土的抗拉强度存在明显影响。随着水合物饱和度的增加,抗拉强度呈现指数函数的增长趋势。干密度和细粒含量对抗拉强度的影响在不同的水合物饱和度情况下影响不同,在低水合物饱和度情况下,干密度和细粒含量的增加会使抗拉强度增强;而在较高的水合物饱和度情况下,抗拉强度则随着干密度和细粒含量增加而降低。此外,通过分析含水合物土的波速特性,建立抗拉强度与波速之间的经验关系式。这一关系式对采用声波来估算含水合物土试样的抗拉特性具有重要的参考意义。

基于扰动状态概念的含水合物土弹塑性模型

含水合物土是由水合物赋存在土体中形成的特殊土,其力学特性不仅与饱和度有关,和赋存模式也有很大的关系。不同赋存模式的水合物胶结结构不同,其力学特点也不尽相同。考虑含水合物土在荷载作用下胶结结构会发生破坏,采用扰动状态概念,建立含水合物土的应力-应变模型来描述胶结结构受载破坏的全过程。同时,采用水合物的有效饱和度表示的伤变量来描述含水合物土的内部结构的在受载条件下的发展规律。根据含水合物土的力学行为,采用理想弹塑性模型和摩尔-库仑模型来描述两个参考状态,形式相对简单,参数易于确定。最后通过三轴剪切试验对模型进行了检验,结果表明该模型能较为合理的模拟含水合物土在扰动过程中的变形特点。

基于均匀化理论的含水合物土弹塑性本构模型

将含水合物土视为由土颗粒、孔隙流体及水合物晶体构成的复合材料,其中水合物晶体视为复合材料的夹杂相,其余部分为基质项。分别采用砂土状态相关的临界状态弹塑性模型和弹脆性模型描述基质相和夹杂相的本构关系,同时引入水合物活度因子表示变形过程中可有效承担荷载的水合物的比例。在基质相和夹杂相各自力学性质的基础上,基于细观力学理论中的Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka均匀化方法,推导了含水合物土的等效弹塑性刚度矩阵,建立了在不同围压、不同水合物含量及赋存模式等条件下,可考虑含水合物土的赋存模式、强度、应变软化、剪胀等特性的弹塑性本构模型。模型物理意义明确、形式简单且参数易通过简单的室内试验获取。通过已有试验数据对模型进行了验证,结果表明,模型可较好地描述不同试验条件下含水合物土的力学特性。

盐分对含二氧化碳水合物泥质粉细砂力学特性的影响规律

影响含水合物沉积物力学性质的因素较多,深海海床地层处于含盐环境,而目前盐分变化对含水合物沉积物力学性质的影响报道较少,其规律尚未厘清。为此,通过含不同浓度氯化钠盐溶液试样制备含二氧化碳水合物泥质粉细砂土,并在不同围压条件下进行三轴剪切试验,揭示了盐分对应力—应变关系、强度、刚度、剪胀性的影响规律。研究结果表明:(1)盐分使含水合物土的相平衡线发生偏移,在相同初始含水率下,盐分导致土中水合物饱和度降低,未合水含量增加;(2)合成相同水合物饱和度,含盐分水合物土的初始含水率要高于不含盐分水合物土,导致含盐分水合物土的抗剪强度低于不含盐分水合物土;(3)盐分对含水合物土的黏聚力有较大影响,随着水合物饱和度的增加,含盐水合物土的黏聚力略有增加,而不含盐水合物土的黏聚力明显增加。结论认为:(1)盐分对含水合物泥质粉细砂抗剪强度特性的影响是通过改变未合水含量产生的,未合水越多,土的强度越低,割线模量越小,剪胀性越不明显;(2)含水合物土的强度特性不仅与水合物的饱和度有关,还与未合水含量密切相关,传统上仅考虑水合物饱和度对含水合物土抗剪强度的影响,不能准确描述物理—化学作用下含水合物土强度特性的演化。

含水合物细粒土的渗透特性

含水合物储层的渗透率是影响开采水合物效率的重要物理参数。为了研究水合物赋存对赋存沉积物渗透性的影响规律,参照南海神狐海域水合物赋存区的沉积物的颗粒级配,配制了试验土体,并合成了含四氢呋喃水合物细粒土,并且基于稳态法测试了含不同水合物饱和度沉积物试样的渗透率。试验结果表明,该试验含水合物细粒土的渗透率介于11.41mD和61.63mD之间;随着水合物饱和度增加,含水合物细粒土的相对渗透率明显下降,主要是由于水合物的形成填充了沉积物孔隙,减小了孔隙率,此外,水合物还有可能阻塞流体渗流关键通道,从而减小了渗流率;采用现有渗流模型对试验结果进行了对比,发现与Masuda模型(N=3)最为近似。