天然氣水合物具有能量密度高、儲量豐富、清潔無污染等優(yōu)點,被視為未來替代傳統(tǒng)化石能源的新型能源,已經(jīng)成為各國學(xué)者研究的重要對象。我國南海、東海的近海大陸架邊緣和青藏高原、祁連山、大興安嶺一帶的永久凍土區(qū)均有大量天然氣水合物資源分布。然而,在天然氣水合物開采過程中,溫度、壓力等微小的擾動均會破壞其相平衡狀態(tài),進而導(dǎo)致其分解,不受控制的水合物分解會引發(fā)一系列地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題。因此,在天然氣水合物商業(yè)化開采之前,需對其力學(xué)特性進行充分的研究。天然氣水合物賦存形式多種多樣,有的存在于沉積物裂隙中,呈現(xiàn)塊狀、層狀;有的存在于細粉砂沉積物孔隙中,呈現(xiàn)浸染的形式;有的以薄層狀與沉積物互層等。本文主要針對水合物和沉積物互層這一賦存形態(tài)開展研究,利用大連理工大學(xué)自主研制的TAW-60型低溫、高壓水合物三軸儀對其進行了三個系列的三軸剪切實驗,以期對未來水合物現(xiàn)場開采提供實驗數(shù)據(jù)和理論參考。本文首先研究了不同圍壓、不同水合物層傾角對互層型甲烷水合物沉積物力學(xué)特性的影響。實驗結(jié)果表明:不同圍壓、不同傾角試樣的三軸剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)大致相同,均可分為近似彈性變形、應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化和二次硬化四個階段,試樣偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增大先增大后減小再增大,在約3%軸向應(yīng)變處出現(xiàn)偏應(yīng)力峰值,約7%軸向應(yīng)變處出現(xiàn)谷值。同一傾角時,在低圍壓下(約5 MPa以下)試樣的破壞強度與圍壓正相關(guān),而在較高圍壓時(約5 MPa以上)則為負相關(guān)。通過摩爾-庫倫破壞準則繪制試樣的摩爾應(yīng)力圓及其包絡(luò)線,并計算得到其粘聚力和內(nèi)摩擦角,發(fā)現(xiàn)內(nèi)摩擦角變化不大,均在10°至11°之間,10°傾角的試樣粘聚力最小,這與10°傾角試樣抗剪強度最小一致。其次,研究了水合物層厚度對互層型甲烷水合物沉積物力學(xué)特性的影響,給出了三種圍壓下試樣強度與水合物層厚度的擬合公式,并通過計算試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角,給出了粘聚力與水合物層厚度的數(shù)學(xué)關(guān)系式。實驗結(jié)果表明:試樣強度隨水合物層厚度的增大而減小。最后,研究了物層排列順序?qū)有图淄樗衔锍练e物力學(xué)特性的影響,發(fā)現(xiàn)純甲烷水合物層位于試樣中部時,試樣的抗剪強度最大,初步分析是因為此時甲烷水合物與土顆粒之間形成膠結(jié)結(jié)構(gòu)的幾率最大,所以試樣也就更穩(wěn)定不易被破壞。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE31
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 天然氣水合物相關(guān)介紹
        1.2.1 天然氣水合物介紹
        1.2.2 天然氣水合物賦存類型介紹
        1.2.3 實驗室水合物沉積物試樣制備方法
    1.3 天然氣水合物沉積物開采相關(guān)研究進展
        1.3.1 天然氣水合物開采方式研究進展
        1.3.2 天然氣水合物力學(xué)特性研究進展
    1.4 本文的主要研究內(nèi)容
2 實驗設(shè)備和實驗方法
    2.1 實驗設(shè)備
    2.2 實驗材料
    2.3 實驗方法
3 圍壓、傾角對互層型甲烷水合物沉積物強度特性的影響
    3.1 試樣制備和實驗內(nèi)容
        3.1.1 試樣制備
        3.1.2 實驗內(nèi)容
    3.2 互層型甲烷水合物沉積物強度特性分析
        3.2.1 三軸剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線分析
        3.2.2 圍壓對互層型甲烷水合物沉積物強度的影響
        3.2.3 摩爾-庫倫強度理論分析互層型甲烷水合物沉積物的破壞強度
        3.2.4 傾角對互層型甲烷水合物沉積物強度的影響
    3.3 本章小結(jié)
4 水合物層厚度對互層型甲烷水合物沉積物強度特性的影響
    4.1 試樣制備和實驗內(nèi)容
        4.1.1 試樣制備
        4.1.2 實驗內(nèi)容
    4.2 水合物層厚度對甲烷水合物沉積物強度特性的影響分析
        4.2.1 三軸剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線分析
        4.2.2 水合物層厚度和圍壓對互層型甲烷水合物沉積物強度的影響
        4.2.3 水合物層厚度對水合物沉積物內(nèi)摩擦角和粘聚力的影響
    4.3 本章小結(jié)
5 物層順序?qū)有图淄樗衔锍练e物強度特性的影響
    5.1 試樣制備和實驗內(nèi)容
        5.1.1 試樣制備
        5.1.2 實驗內(nèi)容
    5.2 物層順序?qū)淄樗衔锍练e物強度特性的影響分析
        5.2.1 三軸剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線分析
        5.2.2 物層順序?qū)有图淄樗衔锍练e物強度的影響
    5.3 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

【參考文獻】

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本文編號：2878707