甲烷及二氧化碳水合物沉积物力学特性研究

【摘要】：因其巨大的资源储量,天然气水合物被公认为最具潜力缓解世界能源危机的一种新型能源,然而其开采可能会引发海底地质灾害,加剧全球温室效应以及破坏海洋生态平衡。因此,本研究利用大连理工大学自行研制的低温高压水合物三轴仪,研究了水合物的分解对天然气水合物沉积物三轴压缩强度和蠕变压缩强度的影响,为天然气水合物的安全开采提供一些具有指导意义的变形数据。结果表明,水合物的分解对CH4水合物沉积物三轴压缩强度和蠕变压缩强度的影响因分解温度而异。当分解温度低于且不是非常靠近对应压力下冰的融点时,水合物的分解并未对CH4水合物沉积物的三轴压缩强度和蠕变变形量产生明显的影响；当分解温度接近于对应压力下冰的融点时,水合物的分解极大地降低了水合物沉积物的三轴压缩强度,同时极大地增加了水合物沉积物的蠕变变形量。然而,在较小的恒定荷载作用下,水合物的分解并未对CH4水合物沉积物的蠕变速率造成明显的影响,沉积物的蠕变速率最终都趋于零。 此外,因其在开采出天然气水合物的同时能够将温室气体CO2封存于海底,并且有望于能够维持水合物沉积物的力学稳定性,CH4-CO2置换开采法引起了人们的极大关注。因此,本研究又对CO2水合物沉积物进行了三轴压缩实验,然后将实验结果与我们前期工作中CH4水合物沉积物的三轴压缩结果进行比较,以此对CH4-CO2置换开采法的力学安全性进行初步的评价,为后期的工作奠定一个坚实的基础。结果表明,CH4和CO2水合物沉积物的强度都受到温度、围压、应变速率和孔隙度的影响,且强度随影响因素的变化趋势基本一致：随着温度的降低,强度明显增加,而强度增长速率却逐渐减小；当围压小于5MPa时,强度随着围压的增加呈现出近线性增长趋势,然而,随着围压的进一步升高,强度却反而呈现出下降趋势；随着应变速率的提高,沉积物的强度也明显增大；沉积物的强度随着孔隙度的减小而增加,且强度与孔隙度之间呈现出近线性关系。然而,在同样的条件下,CO2水合物沉积物的强度略微大于CH4水合物沉积物的强度,由生成条件差异或客体分子特性差异而导致的水合物物理性质的差异,很可能是引起这种强度差异的原因；根据强度比较结果可以做出初步推断：利用CH4-CO2置换法从天然气水合物沉积层中开采出天然气之后依旧能够维持沉积层的力学稳定性。 【关键词】：水合物 CH_4-CO_2置换 力学特性 强度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 CO_2置换开采天然气水合物研究进展10-12
• 1.3 天然气水合物力学特性研究进展12-20
• 1.3.1 水合物试样的制备方法12-15
• 1.3.2 CH_4水合物的形成对水合物沉积物力学特性的影响15-17
• 1.3.3 CH_4水合物的分解对水合物沉积物力学特性的影响17-20
• 1.4 本文的主要研究内容20-21
• 2 水合物分解对CH_4水合物沉积物力学特性的影响研究21-37
• 2.1 实验设备和实验方法21-24
• 2.1.1 实验设备21-22
• 2.1.2 实验方法与实验步骤22-24
• 2.2 实验内容24-25
• 2.3 水合物分解对CH_4水合物沉积物力学特性的影响25-35
• 2.3.1 CH_4水合物沉积物的三轴压缩实验应力应变曲线特性分析25-26
• 2.3.2 水合物分解对CH_4水合物沉积物三轴压缩强度的影响26-31
• 2.3.3 水合物分解对CH_4水合物沉积物蠕变压缩强度的影响31-35
• 2.4 本章小结35-37
• 3 CO_2水合物沉积物力学特性的研究37-49
• 3.1 实验设备和实验方法37
• 3.1.1 实验设备37
• 3.1.2 实验方法和实验步骤37
• 3.2 实验内容37-38
• 3.3 CO_2水合物沉积物力学特性分析38-48
• 3.3.1 CO_2水合物沉积物的应力应变曲线特性分析38
• 3.3.2 温度对CO_2水合物沉积物力学特性的影响38-41
• 3.3.3 围压对CO_2水合物沉积物力学特性的影响41-44
• 3.3.4 应变速率对CO_2水合物沉积物力学特性的影响44-46
• 3.3.5 孔隙度对CO_2水合物沉积物力学特性的影响46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 4 CO_2与CH_4水合物沉积物力学特性对比49-57
• 4.1 CO_2与CH_4水合物沉积物三轴压缩结果比较49-53
• 4.2 CO_2与CH_4水合物沉积物强度差异原因分析53-55
• 4.3 CH_4-CO_2置换法力学安全性的初步评价55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-64
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况64-65
• 致谢65-66

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