温度和应变速率对水合物沉积物强度影响试验研究*

李洋辉 宋永臣 刘卫国 于 锋

(“海洋能源利用与节能”教育部重点实验·大连理工大学室)

0 前言

天然气水合物作为一种极具潜质的清洁能源，具有储量大、能量密度高、分布广等特点，其安全开采已成为石油天然气工业新的研究热点[1，2]。从冻土或海底含天然气水合物沉积层中采收天然气会使沉积层强度降低，增加地层的不稳定性，可能引起地质塌陷，海底滑坡等灾害。溢出的甲烷气体具有很强的温室效应，是全球气候变暖的潜在影响因素[3-5]。在勘探与开采过程中，钻井作业会扰动含水合物沉积层的地质结构，这可能导致水合物的分解并削弱沉积层的地质力学强度，造成钻探设备、海底管道等基础设施的破坏及生命财产损失。研究含水合物沉积层的机械力学强度对天然气水合物的安全开采具有重要意义。

目前有关水合物沉积物力学性质的研究很少有报道。Parameswaran等[5]和Cameron等[7]用四氢呋喃水合物代替天然气水合物研究了应变速率对沉积物机械强度的影响。Winters等[8,9]通过声波测量、三轴压缩试验得到水合物沉积物原状试样和实验室人工试样的应力-应变曲线和强度等的初步认识。Hyodo等[10]和Vanoudheusden等[3]分别对天然气水合物砂样和非饱和海洋沉积土进行了一系列的室内三轴压缩试验，分析了水合物沉积物的力学性质与饱和度、温度、围压、孔隙压力的关系。但由于之前的研究一般采用砂土作为水合物沉积物骨架，与冻土区域或海底含水合物沉积物的粒径分布及成份组成有很大不同。且四氢呋喃水合物与天然气水合物相平衡条件差异较大，不适合用来研究温度对其力学性质的影响。为了更好的模拟含水合物沉积层，评估地层的稳定性，本文采用与天然含水合物沉积物参数更接近的高岭土和天然气水合物混合制备试样。通过在实验室人工合成天然气水合物岩芯来模拟含水合物沉积层进行三轴压缩试验，分析了温度、应变速率对沉积物强度的影响。

1 实验设备及实验方法

试验采用TAW-60低温高压三轴试验机(图1)。本试验机能够模拟水合物沉积层原位的压力和温度环境。温度控制范围-20℃～25℃，最大围压30MPa，最大轴向载荷60KN，试样尺寸Φ50×100mm。压缩实验过程中的围压维持和轴向载荷由两个扩展数字控制器(EDC，德国DOLI公司)分别自动控制。恒温槽通过热交换器控制液压油的温度，进而调节试样温度。通过在压力室内布置热电偶(精度±0.5℃)和压力传感器(精度0.1MPa)分别测量和反馈试验过程中的试样温度和压力参数。

原状水合物沉积物岩芯获取难度较大、成本高，而实验室人工合成水合物沉积物试样具有参数可控性、成本低[11]。研究表明合成样和原状样力学特性的不同主要是由于初始孔隙比和颗粒级配的不同造成的[12]，所以只要控制合成样的初始孔隙比和颗粒级配，可以得到与原状样接近的实验结果。我国青藏高原冻土区沉积层成分主要为粘土，粒径较小，且颗粒级配良好[13,14]。本实验采用烘干后的高岭土模拟冻土区含水合物沉积层骨架。所选高岭土与目标沉积物具有相似的粒径分布及级配，且在一定压力下成型可以得到与目标沉积物接近的初始孔隙比。将冰粉和纯甲烷气体在高压反应釜内混合，控制温度、压力条件(-5℃, 13MPa)，维持足够长的时间，生成天然气水合物。然后将其与高岭土按一定比例混合，在压力成型装置中压缩成圆柱试样(直径为50mm，高度为100mm)，控制温度-10℃，轴向载荷10MPa。本实验沉积物试样水合物饱和度为30%，为水合物矿藏饱和度的平均值。采用高岭土体积比为40%，试样密度1.63g/cm3,干密度1.03g/cm3。在试样表面套厚度为0.5mm的橡皮膜，用以隔绝孔隙压力和围压。剪切试验开始前，试样固结2h，使试样内部温度分布均匀。试验采用UU剪切，根据SL 237-017-1999土工试验规程，选取试验参数(表1)。

图1 TAW-60低温高压三轴试验机

表1 天然气水合物三轴压缩试验参数选取

2 结果和讨论

三轴压缩试验过程中，水合物沉积物试样都表现出明显的塑性变形现象，圆柱试样中部凸起呈鼓状，没有出现断面现象(破坏面)。本文主要分析温度和应变速率对沉积物试样力学性质的影响。

2.1 温度对天然气水合物沉积物力学性质的影响

天然气水合物在自然界处于亚稳定状态，对温度变化比较敏感。在一定压力下，温度的变化不仅能决定天然气水合物的生成与分解，还能改变沉积物的胶结状态、含水量、孔隙结构等，从而改变其力学性质。

从沉积物试样在围压5MPa，不同温度条件下的应力应变曲线(图2)。可以看到偏应力随着轴向应变的增大而增大，并逐渐趋于稳定，期间并未出现明显峰值。在压缩试验初期，不同温度条件下的应力应变曲线基本重合，说明试样在小应变阶段的变形特性受温度影响不大。在压缩试验的末段，试样有明显的硬化现象。此外，温度对试样的破坏强度有显著的影响，温度越低，试样强度越大。

图2 不同温度条件下水合物沉积物试样应力应变曲线

最大偏应力定义为轴向应变到达15%之前偏应力的峰值，从试样最大偏应力随温度发生变化的关系曲线(图3)，可以看到最大偏应力随着温度的降低而增大，在一定温度范围内可用线性表示。随着温度的进一步降低，最大偏应力的增加趋势有所减小，在温度足够低时，将趋于定值。Hyodo[10]等利用粒径较大的丰浦砂模拟含水合物沉积层，研究了5℃、-10℃、-30℃条件下的破坏强度，得到了类似的实验结果。在0℃以下时，含水合物沉积层强度随着温度的降低线性增加，且在实验过程中，试样应力应变曲线未出现明显峰值。本文通过增加实验组，进一步分析了温度对沉积层破坏强度及变形特性的影响。

刚度是材料抵抗变形的能力，一般可用初始弹性模量E0表示材料的刚度。但是由于E0比较难测定，且受实验误差的影响较大，试样在变形过程中的切线模量也不是定值，因此一般用割线模量E50作为试样的平均刚度。从温度与沉积物割线模量的关系曲线(图4)，可以看到割线模量随着温度的降低线性增大。

大量的实验研究结果显示，冻土中的液态水在冻结过程中并没有全部转化为固态冰，始终保持一定数量的未冻水[15]。且由于压融现象的存在，在高压下固结时，颗粒间的冰粒会出现部分融化，导致冰点以下仍可能存在液态水。这种现象同样在水合物沉积物试样中存在。研究表明未冻水含量与负温绝对值呈幂函数关系，未冻水含量随着温度的降低而减小。当温度低于-15℃时，未冻水含量随温度的减小速率减慢，并逐渐趋于定值[16]。液态水在颗粒间能起到润滑的作用，降低剪切过程中的摩擦阻力，进而使沉积物试样强度降低。固态冰能够增加颗粒间的胶结作用力，且固态冰作为试样骨架能够承受外部载荷，固态冰的存在，能够增加试样强度。温度对水合物沉积物强度的影响主要是由于温度变化改变了试样中的未冻水含量及固态冰含量。当温度降低时，含水量降低，降低了水在土颗粒间的润滑作用，增加了摩擦阻力。同时，含水量的减少增加了冰与土颗粒的胶结面积，增加了试样颗粒与冰粒间的胶结作用力。且冰的结构也随着温度的降低向更紧密坚硬的有序结构发展，增大了试样抵抗变形的能力。正是由于未冻水含量与温度的幂函数关系，造成了图4曲线斜率随着温度的降低而逐渐减小的现象，在-15℃时斜率变化尤其明显。

图3 温度对水合物沉积物强度的影响

图4 温度对水合物沉积物割线模量的影响

刚度受颗粒间相互作用、颗粒接触面积以及摩擦阻力的影响。温度的降低增加了土颗粒、冰、水合物之间的胶结作用力，增加了颗粒间的胶结面积以及摩擦阻力，因此割线模量E50随着温度的降低而增大。

2.2 应变速率对天然气水合物沉积物力学性质的影响

应变速率会影响材料的屈服强度和失效模式(图5、图6)，试样的强度随应变速率的增加有较明显的增加趋势，而在轴向应变达到0.5%之前，试样的应力应变曲线几乎重合。另外，应变速率可明显的改变材料的塑性性能。当应变速率为1.0%/min和0.5%/min时，偏应力随着应变的增大而增大，期间没有峰值出现，呈现明显的硬化趋势。当应变速率为0.1%/min时，偏应力随着应变先增大后减小，并逐渐趋于定值，表现出软化现象。这种现象与Baker[17]、马巍等[18]在冰和冻土方面的实验研究结果一致。Parameswaran等[6]和Cameron等[7]用四氢呋喃水合物代替天然气水合物研究应变速率对沉积物破坏强度的影响，也得到类似的实验结果。但是含四氢呋喃水合物沉积物的应力应变曲线呈现明显的峰值，存在软化和屈服现象，这可能是四氢呋喃水合物和天然气水合物自身物理性质的不同造成的。

图5 应变速率对合物沉积物应力应变曲线的影响

图6 应变速率对水合物沉积物强度的影响

Grady[19]基于岩石动态力学特性的实验研究，认为材料内部存在的裂纹扩展和聚合是材料破坏的主要原因。应变速率较低时，只有那些能在低应力水平下被激活的裂纹发生扩展，这些裂纹的扩展和聚合使得材料在应力水平达到能使其他裂纹扩展之前已经发生破坏，因此材料具有较低的强度。而在高应变速率下，在低应力水平下被激活的裂纹聚合之前，应力已经达到一个较高的水平，这时需要更多的裂纹参与扩展，消耗外力功，从而导致材料强度的增加。

3 结论

(1)温度对水合物沉积物试样的破坏强度有显著影响，温度越低，试样强度越大，在一定温度范围内可用线性表示。随着温度的进一步降低，破坏强度的增加趋势有所减小，在温度足够低时，将趋于定值。

(2)水合物沉积物试样的破坏强度随着应变速率的增大而增大。另外，应变速率可明显的改变材料的塑性性能。当应变速率为0.5%/min和1.0%/min时，试样的应力应变曲线有明显的硬化现象，而当应变速率为0.1%/min时，存在软化现象。

(3)割线模量E50随着温度的降低线性增加。

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