天然气水合物沉积物力学性质测试与评价

储层力学参数的评价及预测是天然气水合物安全高效开发的关键。笔者从力学试验、本构模型以及离散元数值模拟等方面介绍了含水合物沉积物力学性质测试及数值计算研究新进展,分析总结了力学参数评价及预测的主要方法及其特点,探究了目前含水合物储层力学性质测试及评价研究存在的问题及其主要原因。为了更好的解决相关工程技术问题,笔者建议通过结合室内试验与数值模拟的方法对水合物储层力学特性及破坏机制进行分析,针对不同工况条件及储层特征建立更加准确的力学参数计算模型。     

用地震AVO方法研究含气体水合物沉积物的内部结构

采用岩石物理合成地震模型，我们解释了弗罗里达近海BSR振幅随炮检距变化，现场地震资料的AVO分析和以往得出的速度结果对比显示：BSR将含游离甲烷的沉积物与含水合物沉积物分隔开来，BSR振幅随偏移跨增大呈负增长，这种特性说明BSR之上的P波速度比BSR之下的P波速度要大，BSR之上的S波速比BSR之下的波速度小。由此可见，用AVO和速度结果可帮助推断水合物沉积物内部结构。为了达到这个目的，建立两种微力学模型，对应于孔隙空间内水合物沉积的两种特殊情况：（1）水合物胶结颗粒接触，并增强了沉积物强度；（2）水合物远离颗粒接触部位，并未影响沉积积物骨架的硬度。仅第二种模型能定量化形成所观察到AVO响应。因此，推断含水合物沉积物内部结构意味着：（1）BSR之上的沉积物未胶结，故机械强度关弱；（2）其渗透率低，因为水合物阻塞了孔隙空间孔道。后者解释了为什么游离气圈闭在BSR之下，地震资料也暗示水合物层顶部缺少强反射，这一事实建议恰恰在BSR之上的沉积物内水合物浓度高，随深度减少逐渐降低，这种影响与BSR之上的低渗透水合物沉积物阻止游离甲烷上运移一致。     

基于Mohr-Coulomb准则的黏弹-塑性海冰动力学本构模型

针对中小尺度下海冰动力作用过程中的漂移、重叠和堆积特征,在连续介质力学基础上建立了一个黏弹塑性海冰动力学本构模型.该模型主要包括四部分,即海冰在屈服前的Kelvin Vogit黏弹模型、海冰塑性屈服的Mohr Coulomb准则、屈服后相关联的正交流动法则和影响海冰强度的静水压力.采用黏弹塑性本构模型对规则海域内的海冰堆积过程进行了数值试验,其结果与传统黏塑性模型、改进的黏塑性模型和经典冰坝理论的解析解相符,可合理地模拟海冰堆积的动力过程.为进一步检验该黏弹塑性本构模型的适用性,对渤海海冰的动力过程进行了48h的数值模拟,计算结果与海冰卫星遥感现场观测资料一致.通过与传统的黏塑性和改进的黏塑性模型结果的对比分析,进一步验证了黏弹塑性模型在中小尺度海冰动力学模拟中的可靠性.在以上海冰堆积的数值试验和渤海海冰动力学模拟中均采用了光滑质点流体动力学(SPH)方法.     

海洋天然气水合物储层蠕变行为的主控因素与研究展望

蠕变是指沉积物在特定应力状态下变形与时间的关系,属于沉积物的固有力学属性。厘清海洋天然气水合物开采过程中储层蠕变的主控因素及其控制机理,对量化评价潜在工程地质风险的发生和演变规律具有重要意义。本文将在综述海洋天然气水合物储层破坏特征的基础上,梳理海洋天然气水合物储层蠕变特征及主控因素,厘清关键科学问题;结合最新研究成果,阐述天然气水合物储层蠕变特征多尺度表征与探测技术体系的基本内涵,简要探讨该领域的未来研究方向。初步分析认为,海洋天然气水合物开采过程中储层蠕变行为是水合物本身及其分解产出过程中的应力、温度、渗流等动态因素综合作用的结果,现有蠕变本构模型无法完全反映上述相变-传热-渗流-应力多场多相多组分耦合过程。为建立适合南海北部水合物储层的蠕变本构,进而为后续开采工程安全设计提供理论支撑,建议从天然气水合物储层的力学性能弱化特征及蠕变各阶段的时效参数两方面入手,从分子尺度、纳微尺度、岩心尺度、中试尺度、矿藏尺度5个层面,建立天然气水合物储层蠕变行为的跨尺度研究方法体系;以南海实际储层样品为研究对象,剖析天然气水合物开采过程中储层蠕变行为的主控因素。     

压缩加载条件下含水合物沉积物蠕变特性分析

水合物开采可能诱发海底滑坡或其他工程地质灾害。实现水合物商业化开采需要中长期稳定产气，长期荷载下储层的蠕变特性是地层稳定性评价的基础力学参数。利用南海水合物储层粉黏土为试验介质在压缩加载条件下的系列固结排水蠕变测量试验结果，对粉黏土的蠕变特性进行了分析。结果表明，加载过程中，含水合物沉积物经历瞬时变形、固结变形和蠕变变形3个阶段；随着加载应力和水合物饱和度的提高，蠕变应变不断增加；修正的Singh-Mitchell蠕变模型可以较好预测不同应力水平和水合物饱和度下粉黏土的蠕变特性。     

黏土水合物沉积物力学特性及应力应变关系

以中国近海某天然气水合物(水合物)区的海底粉质黏土制备水合物沉积物样品,并在土工三轴仪上进行实验,分析其应力应变曲线和破坏应力特性。结果表明:力学常数如破坏应力(应变为15%对应的偏应力)随水合物饱和度的增加而增加,在饱和度约25%时破坏应力产生跳跃,即破坏应力随水合物饱和度的变化可分为两部分,饱和度小于25%时水合物的存在对沉积物破坏应力影响较小,大于25%时影响较大。在水合物饱和度小于45%的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线可分为弹性段、屈服段和强化段。文中给出了描述其应力应变曲线的分段函数。     

含水合物沉积物声学特性的实验研究

天然气水合物沉积层声学特性的研究对于水合物的勘探及资源评价均有重要意义.目前,对纯水合物已有较多的岩石物性数据,但对含水合物沉积物的声学参数则研究较少.关于沉积物中水合物饱和度对声学性质的影响已有一些研究,但还不足以验证前人提出的理论模型,从而修正原有模型或建立新的模型.青岛海洋地质研究所取得了人工岩心中水合物饱和度与声速关系的初步研究成果,建议对系列人工岩心进行深入实验研究,建立一套水合物饱和度与声学特性关系的实验模型.     

天然气水合物生成数值模拟的DAVIE模型和意义

天然气水合物生成数值模拟是以水合物热力学理论为基础,结合计算机方法来模拟水合物在海底环境下生成和分解、分布和富集的热力学、动力学过程。Davie模型是首个能够预测海洋沉积物中天然气水合物体积和分布的定量模型,它系统地模拟了海底天然气水合物的海洋环境和质量平衡,并将其应用到已知水合物分布地区进行对比,取得了很好的效果。     

天然气水合物的声学探测模拟实验

在人工岩心中进行天然气水合物的生成和分解实验,同时获取了体系的温度、压力、声学特性(Vp和Vs、幅度和频率)及含水量等参数。经研究发现,温压法、超声探测法和TDR探测法都能灵敏探测沉积物中天然气水合物的形成和分解过程。分析认为,本次实验中水合物形成速率过快,只能宏观研究水合物对沉积物声学特性的影响,建议采用长岩心进一步研究沉积物中水合物的声学特性。     

膨胀式自应力灌浆卡箍灌浆本构关系模型的研究

膨胀式自应力灌浆卡箍是一种典型的钢/灌浆组合结构,由于膨胀受限灌浆处于三向受压状态,在这种结构的强度校核中采用合适的灌浆本构模型是影响设计结果的重要因素。采用ABAQUS建模这种卡箍,构筑了三种灌浆本构关系模型,主要测试了莫尔库仑模型和塑性损伤模型的相关材料参数,然后通过一个节点灌浆卡箍的设计算例,比较和分析了三种灌浆本构模型的计算结果。仿真分析发现对于卡箍的灌浆强度校核,线弹性模型最保守,容易校核不合格,而塑性损伤模型最不保守。建议采用能反映灌浆的压碎和开裂行为的塑性损伤模型作为膨胀式灌浆卡箍强度校核分析的本构关系。研究结果可以为自应力灌浆卡箍的有限元强度校核方法提供有益的借鉴和指导。     

海岸地貌建模方法研究--以长江口九段沙、芦潮港附近边滩为例

河口、海岸是陆海相互作用及人类活动最频繁的地区之一,了解和把握海岸地貌的变迁及发育模式对于海岸资源的开发和保护至关重要。模型是对客观事物的概括和抽象,本文对海岸滩地和水下三角洲地形演变的研究总结了4种方法,重点讨论了模型的构建,并根据作者的研究实例给出了模型的具体应用。在剖面模型的应用中通过不同年代剖面的对比分析可了解海岸地貌的动态变化,平面模型则通过等深线的退缩、扩张及形态变化来研究岸滩的动态冲淤及海岸地形的宏观变化,而冲淤速率分布平面图是分析大范围海域冲淤趋势和局部变化的有效手段。测点统计模型是一种静态分析方法,用来建立测量点的高程和坡度与岸滩冲淤的关系。     

海洋动床物理模型试验地形制作技术

试验模型地形制作是物模试验的一个基本工作,模型制作的好坏直接关系到实验的精度.模型试验之前,需要根据相似理论,选取合适的材料,按照一定的几何比尺进行模型的制作.通过2个具体工程作为实例说明了模型制作的过程、制作的技术性问题和制作经验.     

内潮模拟的数值模式

提出根据内潮数值模式所要解决的主要问题进行分类的方法,将现有内潮数值模式分为三 种类型：生成模式、传播模式和统一模式。生成模式主要研究在表面潮与地形的相互作用下内 潮在层化海水中的产生过程,传播模式研究内潮生成后的传播过程,统一模式则将生成和传播 过程一起研究。分别介绍了近年来最新的各类模式和大部分早期模式的主要组成部分和特征, 指出内潮模式发展需要解决的问题和发展方向。     

建立高程异常内插计算综合模型的研究

大地测量中数值逼近模型可分为两类:函数模型与统计模型,两种类型各有优、缺点。函数模型逼近一般求定逼近场的系统性或某种规律性趋势。统计模型逼近的主要特点是计算灵活,尤其对稳态随机过程的逼近效果较好。试图将二者有机地结合起来,以便充分利用函数模型逼近的规律性和统计模型逼近的灵活性,从而提高待求量的精度和可靠性。并通过实际算例证明将两者结合起来可有效改善拟合效果。     

A Preliminary Study on the Calculating Method for the Evolution of Siltation and Erosion of Tidal Flat Based on GIS

The estuary and coast is an area where the land and the sea interact and a place in which human beings frequently move about so that understanding and controlling the change and development modes of the coastal landform plays a vital part in exploiting and protecting coastal resources. A model is the generalization and abstraction of objective things. This paper summarizes four methods for the landform development of the tidal shore and underwater delta, mainly discusses the model‘s structural elements, and presents their specific application on the basis of the authors‘ case study. With the application of the profile model, the dynamic change of coastal landform can be clearly seen by contrasting the different profiles of different years. Through the shrinking, expanding and transformation of the isobath, plane model is used to study the macro-change of the shoal and the coastal landform. Speed model is an efficient means to analyze the trend of erosion and deposition and the local change in a great area of the sea. Statistical survey model is a static analysis, which can be used to establish the relationship between the erosion and deposition of the shoal and the altitude and slope of survey spot.     

水工复合模型的接口技术

复合模型实现的关键在于把物理模型和数学模型两种不同的模拟方法实时连接起来，本文对连接过程中变量的选择，数模部分与接口的匹配、物模部分与接口的匹配以及接口实时性实现的几个问题进行了分析，讨论了复合模型的实时耦合。     

GIS中模型的表达

从表达现实世界的方式和解决具体问题的方法这两方面出发,论述了GIS逻辑数据模型和物理数据模型的设计与表达。根据数据的使用方式决定地理数据模型的选取,以建立面向对象的地理要素模型为例来说明建模的过程,提高模型的实用性。     

海洋动床物理模型试验布置模型沙的相似条件

动床模型试验布置模型沙是模拟泥沙运动试验中的关键。模型布置模型沙之前,依据相似理论,按照一定的几何比尺选择适当的模型沙,这对于确保试验的可靠性、稳定性和提高试验精度尤为重要。本文以一港口物理模型试验为实例说明模型沙选择和布置模型沙对模拟泥沙运动的重要性。     

大洋环流的刚盖模式与自由表面模式的比较(英文)

首先从海洋原始方程组出发，讨论了刚盖模式（RL）与自由表面模式（FF）的闭合方程组的异同；在包括海底地形的同一模式海盆中，在相同外力──定常的海面风应力和加热场──强迫下，使用这两种模式分别进行了大洋环流的数值模拟。由于选用了适当的初值、运用了时间步长调整技术等，从而加快了模拟速度，节省了CPU时间。对此两模式的结果本文进行了详细比较，尤以流函数、水位、上层温度及垂直速度作为讨论的重点。比较结果证实：使用这两个模式模拟出的大洋环流的各种物理量是一致的。另外，又从大洋环流形成机制上对此一致性作了进一步讨论。最后对这两种模式进行了评价。     

国外渔具选择性研究进展

为了保护和可持续利用渔业资源 ,渔具选择性的研究在国际上倍受重视。该文以比较作业法中渔具选择性曲线的推导 ,特别是利用扩张 SEL ECT模型推导渔具选择性曲线为例 ,介绍国外渔具选择性研究的最新进展 ,以期作为我国开展这方面研究工作的参考