天然气水合物三轴压缩试验研究进展.pdf

第 3 3 卷第 2 期 天 然 气 勘 探 与 开 发 天然气 水合 物三轴压缩试验研 究进展 术 李洋辉宋永 臣刘卫国 “ 海洋能源利用 与节能 ” 教育部重点实验室 大连理工大学 摘要天然气水合物强度试验对我国天然气水合物的安全开采具有重要的意义。针对天然气水合物三轴 强度试验研究， 对国内外进展和现状进行了综述， 介绍了相关试验装置 ， 总结了目前主要的几种实验方法 ， 分析了 其优点与不足， 并介绍了大连理工大学的一些相关研究工作。图5参 2 1 关键词 天然气水合物三轴试验机械强度研究进展 0 引言 天然气水合物作为一种未来极具潜质的清洁能 源， 其开采技术已经成 为石油天然气工业新 的研究 热点。现阶段提出的天然气水合物开采方法主要有 热激发法、 降压法 、 化学试剂法等 ， 其基本思路都是 首先考虑如何使蕴藏在沉积物 中的水合物分解 ， 然 后采集至地面⋯。一般来说 ， 人 为地 打破天然气水 合物稳定存在的温度压力条件 ， 即相平衡条件 ， 造成 其分解， 是目前开采天然气水合物中天然气资源的 主要方法。天然气水合物经常以固态胶结物形式赋 存于沉积物孔隙中 ， 天然气水合物 的分解会使海底 沉积物强度降低面 ； 同时因天然气水合物分解所 释放沉积物的孔隙空间， 会使沉积物中孔隙流体 主要是孑 L 隙水 增加 和沉 积物 的 内摩擦 力降 低。 在开采过程中， 由于在地震波、 风暴波或人为扰动下 孔隙流体压力急剧增加 ， 岩石强度降低 ， 一旦发生井 喷 ， 或者在海底天然气水合物稳定带 内的岩层 中形 成统一的破裂面， 就会造成灾难性的地质塌陷， 发生 海啸、 海底滑坡和海水毒化等灾害以及生命财产损 失面 】 。所以研究地层水合物分解 时强度 的变化 及分解率、 骨骼构造与机械强度的关系， 确立地层水 合物分解时各种参数对海底地层变形的影响以及地 层水合物层的机械特性就显得尤为重要。 1 天然气水合物三轴试验装置 天然气水合物既有土的重要特性 ， 又有别于土， 正确认识这种差异， 可借用土力学的手段对天然气 水合物机械特性 的进行研究 。如有效应力原理、 固 结理论以及相应的一些实验方法 。三轴仪是研究土 样机械特性较为理想的设备 ， 虽其实测值 比平面应 变仪和真三 轴仪偏 低 ， 对 于 工程应 用是偏 于安 全 的 ] ， 且因其试验原理和操作方法相对简单而得到 广泛应用。但由于天然气水合物易受其生成条件 低温、 高压 及稳定性的影响， 必须对三轴仪做一 些必要的改进 ， 以适合实验 的需要 以下简称低 温 三轴仪 。 由于 天然 气水 合物对 温度 的强烈敏 感 性， 低温三轴仪不仅要满足水合物的力学试验要求， 同时还要具备高精度的温度恒定维持系统。一般来 说低温三轴仪由加载系统、 围压系统与恒温系统三 部分组成。 目前 ， 加载系统 和围压系统的设计方法 已相当成熟 ， 关键技术是在恒温系统的设计方面， 主 要表现在如何 实现加载 系统 与恒温 系统 的有机结 合、 如何提高恒温系统的控温精确性、 如何降低设计 成本、 如何提高试验精度 等几个方面。依据 目前 常 规土工三轴试验设备的应用现状， 许多学者认为仅 对土工常规三轴试验机进行适当改造使其与恒温系 统有机结合 即可 。 国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X 5 0 2 6 0 0 4 、 国家“ 8 6 3 ” 计划重大项目 2 0 0 6 0 9 2 0 9 及国家“ 9 7 3 ” 计划项目 2 0 0 9 C B 2 1 9 5 0 7 联合资助 作者简介李洋辉， 男。 1 9 8 5 年出生， 浙江台州人， 大连理工大学在读硕士； 现主要从事能源技术、 天然气水合物、 资源环境技术、 c o 2 减排 及其资源化等研究。地址 1 1 6 0 2 4 辽宁省大连市大连理工大学能源与动力学院。电话 0 4 1 1 8 4 7 0 8 4 6 4 。E m a i l h e r c u l e s 1 9 1 4 1 2 6 ． t o m 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年 4月出版 目前低温三轴试验机的保持试样恒温方式主要 有两种。 1 冷浴循环制冷 冷浴循环制冷是指通过恒温液体在压力室局部 不断进行循环从而保持压力室温度场恒定的方法。 在压力室内部、 试样周围安装制冷筒或热交换管 ， 并 与低温槽连接， 使管内液体与压力室内液体充分热 交换 ， 通过控制低温槽液体的温度来实现压力室内 液体的控温。目前 ， 大连理工大学、 日本产业技术综 合研究所、 日 本长崎大学 图 1 、 中国科学院兰州寒 区旱区环境与工程研究所冻土国家重点实验室的低 温三轴材料试验机都采用这种方式 。 图1 低温高压三轴仪 长崎大学 这种方法循环液体热容相对较大， 有利于快速 降温过程与循环液体温度的恒定， 能精确控温， 噪音 小。但由于恒温液体要流经管路、 循环泵体、 阀门等 散热点， 易加大实验设计温度与实际实验温度之间 的误差， 引起实验温度振幅增大。循环液体充满压 力室需要一定时间， 成本高。 2 局部封闭空气制冷 局部封闭空气制冷是将压力室局部密封， 在压 力室外部创建一个相对于外界独立的绝热环境 放 在冷冻室内 ， 通过某种方式保持这个独立空间内 空气温度恒定 ， 间接维持压力室内试样恒温的方法 。 压力室内液体的温度通过压力室壁的热传导来实 现 ， 要求压力室壁有较好的导热系数。 日本 山口大 学用于天然气水合物强度试验的三轴试验机就采用 这种降温方式 图 2 这种方式 以空气作为制冷过程 的导热介质 ， 空 气在封闭空间内相对静止， 其导热系数小， 对低温压 力室起到一定的隔热作用 ， 环境降温速度快 ， 便于试 验操作。但由于空气的比热容较小， 绝热空问内部 温度场不均匀， 难于做到精确的恒温控制。压力室 5 2 内降温过程缓慢， 且在试验安装过程中， 封闭空间内 不能保持低温， 不适合用于水合物试验。 图2 低温高压三轴仪 山口大学 由上述分析可以知道， 如果能减小冷浴循环过 程中热损失带来的实验误差， 冷浴循环方式较空气 制冷方式更适合用于天然气水合物三轴试验。 2 试样 制备 天然气水合物是强度介于岩石和土壤之间的物 质 ， 用于岩土三轴试验的制样方法对 于天然气水合 物并不完全适用， 需考虑到天然气水合物稳定存在 条件 的限制 。目前国内外 尚未有统一的试样制备方 法及标准， 获取天然气水合物沉积层样品困难， 我国 也只是 2 0 0 7年5月在南海第一次开采到了水合物 沉积物样本。目 前国内外天然气水合物三轴试验研 究的重点均集中在实验室合成水合物沉积物上。由 于冰和水合物物理性质相似面 】 ， 且冰在制样过程 中没有严格的条件限制 ， 利于实验的进行 ， 有的实验 室就以冰粉代替天然气水合物进行相关试验。 2 0 0 3年， 日本清水建设技术研究所 的 T o h r u A b e 等人 在研究深海底盘变形特性的过程中， 用 冰试样代替水合物沉积层测定其剪断特性， 提出了 两种制备试样的方案 图3 ①在 一 2 0 ℃的冷库内， 利用超声波加湿器喷雾速冻制备微冰粉末， 然后与 一 定量的丰浦砂混合压实成型 ， 最后在 一 2 0 ℃的冷 库内保存； ②将干燥的丰浦砂放人制样模具中， 然后 在模具底部按含水率要求通人一定量的水， 模具上 部接 1 0 K P a 低压， 然后冻结制成试样。 对比两种试样制备方案， 方案①制备的试样， 不 冻水主要包裹在颗粒砂表面， 冰在各个间隙之间； 方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第 2期 天 然 气 勘 探 与 开 发 方案① 图 3 水 合物试 样制备方案 案②制备的试样冰主要在颗粒砂表面， 少许不冻水 包含在间隙中。 含天然气水合物的沉积层试样的制备相对于冰 试样难度较大 ， 条件控制更为严格。2 O O 2年 ， 日本 山 口大学 M ． H y o d o 等人 将水和天然气在低温高压 1 O ℃、 1 0 M P a 条件下混合生成水合物 水在反应过 程中保持液态 ， 多余的水分在压力晶析装置中， 在 1 6 MP a的压力作用下析 出， 水合物 沉积物被压实成 型 ， 然后放入冷库内保存 。同年， 山 口大学上野俊幸 等人也采用了类似的制样方案。其示意过程如图4 。 水合物粉末 匦 置人 飚 冷 图 4 水合物试样制备过程 山口大学 豳 匈 取出 2 0 0 4年， 青木一男等人【 1叫将水合物粉末与规 定粒径的丰浦砂在 一1 5 cI 气浴环境中混合， 并在 5 0 M P a 压力下在晶析装置中固结成型。日 本水合物 研究实验室的 A k i r a M a s u i 【 1 1 ] 等人 直接将成型 的含 水丰浦砂放人压力室 内， 在一定的温压条件下 ， 通人 甲烷气生成天然气水合物 图5 。 总结国内外的制样制备方法 ， 总体来说可以分 为两类 1 混合制样法 方案② 混合制样法是将天然气水合物粉末与特定规格 石英砂在一定温度压力条 件下混合压缩 固结成型。 此种方法操作简便 ， 相应的试验参数容易控制 ， 目前 在 国内外应用 比较普遍 。 2 原位生成法 原位生成法是在压力容器中将水和甲烷气在一 定的温压条件下混合， 生成天然气水合物， 然后直接 压缩固结成型 。目前也有很多实验室采用这种制样 方法。 图 5 日本水 合物研究实验 室水合物制样 混合制样 法具有操作 简便、 相 关参数 饱和度 等 容易控制、 水合物在试样中的分布更均匀、 减少 无效压缩等优点。但是， 因为制样过程中会有少量 的水合物损失 ， 影响实验精度， 且要求迅速制样。同 时还不能很好地模拟水合物生成过程， 并且制样须 在冷库内进行 ， 实验环境相对较差。 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年 4月出版 原位生成法因为与海底水合物沉积物的形成过 程类似， 数据更接近实际， 可减少实验过程中的水合 物损失。试样安装过程可以在常温下进行。但由于 相关参数不容易控制， 试样容易存在缺陷， 使无效实 验增多 ， 而且存在水合物分布不均匀现象 。 3 试验方法及结果分析 水合物沉积层的力学特性受水合物饱和度、 分 布、 颗粒尺寸、 孔隙压力 、 胶结特性 以及 沉积层矿物 成分的影响[ 1 引， 目前国内外学者研究最多的是水 合物饱 和度、 试验砂粒径、 沉 积物矿物学、 温度、 围 压、 加载速率等对水合物沉积物强度的影响。通过 控制其中一个变量 ， 进行压缩破坏 ； 通过应力应变曲 线分析相关参数， 计算得到在不同条件下的强度值、 泊松比、 黏聚力等参数。 日本、 美国、 加拿大以及俄罗斯在这方面的技术 已经 比较成熟 ， 取得 了大量水合物机械特性方面的 数据。美国地质调查局进行 了广泛的实验 ， 用于确 定含天然水合物和人工水合物的沉积层样品的地质 物理特性 ， 并就沉积层矿物学对这些特性 的影响进 行 了研究面 - 1 8 ] 。 J ．C a r l o s S a n t a ma r i n a等人 研究 了水合物饱 和度对水合物沉载砂、 淤泥及粘土的力学特性的影 响。通过大量的数据分析得 出如下结论 ①在低水 合物饱和度时， 沉积层 的不排水强度由有效应力 摩擦强度 决定； ②在高水合物饱和度时， 水合物 强度呈非线性的增加； ③在泥土粒径较小时， 水合物 对低孔隙度沉积层强度的影响更加显著 。 Ma s a m i Ha t o 等人 L 如 研究 了水合物沉积层的地 质力学特性。采用三轴压缩试验测量了水合物沉积 物岩心的地质力学强度， 通过对低水合物饱和度、 高 水合物饱和度及分解后水合物岩芯应力应变数据的 对比， 得 出了下列结论 水合物沉积层的地质力学强 度总体上高于非水合物沉积层， 且在同样的有效压 力下， 水合物沉积层岩心的粘性是水合 物分解岩心 的4 倍 机械强度为2 倍 。 A k ir a M a s u i 等人 分别研究了天然气水合物 沉积层和人工天然气水合物沉积层的机械特性。在 不同尺寸分布下， 研究了人工合成的天然气水合物 沉积层的三轴强度， 并将结果与 日本南海海槽区域 钻探出的天然沉积物进行了比较， 得出天然的水合 物沉积层的机械强度类似于人工合成的水合物沉积 层 ， 但其弹性模量 E 5 0小 于人工合成 的沉积物 ， 且 其大小取决于颗粒的尺寸分布和主组分的均匀性。 54 产业技术综合研究所青木一男等人也对其进行 了比较系统的研究， 得到大量的实验数据， 并对试样 进行多阶段压缩， 分析了单个参数对水合物沉积物 强度的影响。实验数据分析表明， 温度越低 ， 围压越 大 ， 砂配合率越大水合物沉积物强度越高 ， 砂粒径大 小对水合物沉积物强度也有一定影响。 4 大连理工学院所做相关研究 目前大连理工大学正在进行相关方面的研究， 主要致力于开发一套地层水合物机械强度测试系 统、 建立围压下地层水合物三轴强度试验方法； 研究 温度、 水合物饱和率及砂质对地层水合物强度的影 响； 进行地层水合物压密实验， 确定分解过程中的压 密系数及渗透率的变化； 研究地层水合物分解时强 度的时间变化及分解率、 骨骼构造与机械强度的关 系； 确立地层水化合物分解时各种参数对海底地层 变形的影响； 阐明地层水合物层的力学特性 ； 建立、 开发一套地层水合物层变形预测模型等。 5 结束语 综上所述， 国外已经开始比较系统地研究天然 气水合物三轴强度试验 ， 而 国内在这方面尚处于起 步阶段 。 目前尚没有一套三轴水合物试验相关的试验规 程及标准， 如选砂、 试样大小规格、 橡皮膜厚度、 固结 压力等， 实验得到的数据不具有对比性。考虑到天 然气水合物沉积物强度在开采过程中的重要性， 国 内急需制定一套相关的试验规程和标准。研究天然 气水合物沉积物机械特性对我国的水合物的安全开 采具有重要意义。 参考文献 1 李栋梁， 樊栓狮． 天然气水合物资源开采方法研究[ J ] ． 化 工学报． 2 0 0 3 ， 5 4 增刊 1 0 8 一l 1 2 ． 2 彭晓彤， 周怀阳， 陈光谦 ， 等． 论天然气水合物与海底地质 灾害、 气象灾害和生物灾害的关系[ J ] ． 自然灾害学报． 2 0 0 2 ， 1 1 4 1 8 2 2 ． 3 y r Ho u g h t o n，Y Di n g ，D J Gfi g g s ，e t a 1 ．C l i ma t e Ch a n g e 2 0 0 1 T h e S c i e n t i fi cBa s i s C o n t r i b u t i o n o fWo r k i n gG r o u pI t o t h e T h i r d As s e s s me n t Re p o r t o f t h e I n t e r g o v e r n me n t d P a n e l o n C l i m a t e C h ang e [ M] ．N e w Y o r k C i t y C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s ，2 0 01 ． 4 D i c k e n s ，G e r a l d R．0Ne i l ， J a me s R．R e a ，e t a 1 ．D i s s o c i a ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3 卷第2 期 天 然 气 勘 探 与 开 发 tio n o f o c e a n i c me t h 8 h e h y d r a t e a s a c a u s e o f t h e c a r b o n i s o - t o p e e x c u r s i o n a t t h e e n d o f t h e P a l e o c e n e [ J ] ．P a l eec e a n o g ． r a p h y 1 9 9 5；1 09 6 59 9 7 ． 5 刘萌成， 高玉峰 ， 刘汉龙 ， 等． 粗粒料大三轴试验研究进展 [ M] ． 岩土力学． 2 0 0 2， 2 3 2 2 1 7 2 2 1 ． 6 于基宁． 低温三轴试验机研制及粉质粘土冻融循环力学 效应试验研究 博士学位论文 ． 武汉 中国科学院武汉 岩土力学研究所， 2 0 0 7 ． 7 史斗， 孙成权， 朱岳年． 国外天然气水合物研究进展 [ M] ． 兰州 兰州大学 出版社 ， 1 9 9 2 ． 8 安部 透， 西尾 伸也 ， 若林 成榭 ， 等． 夕5 ／ ／ 、 ／ f 一 卜资源朗凳 伴弓海底地盘 变形予测 一 3 少、／ 八／ f I -“ 一 卜老模凝 L允水斌料 世 断特性 一[ c ] ． 第 3 8回地盘工学研究凳表会． 2 0 0 3 ． 9 M． Hy o d o， A． F． L ． Hy d e ， Y． Na k a t a ，e t a 1 ．Tri a x i al Ge m- p r e s s i v e S t r e n g t h o f Me tha n e Hy d r a t e ． P r o c e e d i n g s of T h e T w e l f t h f 2 0 0 2 I n t e rna t i o n al O ff s h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r i n g C o n f e ren c e [ J ] ．K i t a k y u s h u ， J a p a n ， Ma y 2 63 1 ， 2 0 0 2 ． 1 0 青木一男， 绪方雄二， 蒋 宇静．模凝 少、／八／ f 一 卜 供斌体 压缩强度挡 土 变形特性 实骏 俩[ J ] ． 资源之素材 S h i g e n t o S o z a i V o 1 ． 1 2 0 6 4 5 6 5 2 2 0 0 4 ． 1 1 Ak i r a Ma s u i ，Ku n i y u k i Mi y a z a k i ，Hi r o n o r i Ha n ed a ． Me e h a n i e al Ch a r a c t e ri s t i c s O f Na t u r al An d Ar t i fi c i a l Ga s Hy d r a t e B e a r i n g S e d i me n t s ．P r o c e e d i n g s o f t h e 6 t h I n t e rna t i o n a l C o nfe r e n c e o n G as H y d r a t e s I C G H 2 0 0 8 [ J ] ， V a n c o u v e r ， B ri t i s h C o l u mb i a，C ANADA， J u l y 61 0， 2 0 0 8 ． 1 2 E c k e r C ．，Dv o r k i n J ． ，a n d Nu r A． S e dime n t s t l l g a s h y - d r a t e s I n t e r n a l s t r u c t u r e f r o m s e i s m i c A V O[ J ] ．G e o p h y s i c s 1 9 9 8 ；6 31 6 5 9 1 6 6 9 ． 1 3 He l g e r u dM． B ．，D v o r k i n J ．，Nu rA． ，e t a1． E l ast i cwa v e v e l o c i t yi nma r i n e s ed i me n t sw i t h g as h y d r a t e s E ff e c ti v eme di u m m o d e l l i n g[ J ] ，Geo p h ， s i e a l R e s e a r c h L e t t e r s 1 9 9 9 ； 2 6 2 0 2 12 0 2 4 ． 1 4 Wi n t e r s ，WJ ，Wa i t e，e t a1． E ff e c t of 试n s i z e and p o r e p res s u r e o n a c o u s c a n d s t ren g t h b e h a v i o r of s e d i me n t s c o n - t 8 i I l i n g me t h an e g as h y d r a t e， ．P r oc ．of t h e 5 t h I n t e r n a t i o n a l C o nfe r e n c e o n G as H y d r a t e s [ J ] ；2 0 0 5 ，T m n d h e i m，N o r - w a y ， V o 1 ． 2 5 0 75 1 6 ． 1 5 Wi n t e r s W． J ． ，P e e h e r I ． A． ，B o o th J ． S ．，e t a1．P r o p e r - ti e s o f s a mp l e s c o n t a i n i n g n a t u r a l g as h y d r a t e f r o m the J AP E X ／ J NOC ／ GS C Mall i k 2 L 一3 8 g as h y d r a t e r e s e a r c h we l l ，d e t e r mi n e d u s i n g Ga s Hy dra t e An d Se d i me n t T e s t L a - 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