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。     

天然气水合物赋存地层的地震波场模拟及对比

通过分析天然气水合物在海洋中的6种主要赋存状态类型,总结了每种赋存状态之间的相互转化关系及其物性参数计算方法,并应用到地震波场的正演模拟中.对比研究了声波模型、弹性波模型和双相介质模型对各种水合物赋存地层的响应特征,结果表明:1)当地层中存在孔隙充填型水合物且下伏地层不含游离气时,双相介质模拟的含水合物层底界表现负极性...     

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。     

世界热点地区高饱和度天然气水合物有利沉积储集条件

天然气水合物是全球未来能源的接替资源，高饱和度(S_h>50%)水合物储层是未来面向工业化开采的首要选择。截止到目前，高饱和度天然气水合物有利沉积相带与储层条件之间的关系仍缺乏系统研究。根据公开发表的文献资料，系统总结了墨西哥湾、日本南海海槽、韩国郁陵盆地、印度Krishna-Godavari盆地以及南海神狐海域等全球5个天然气水合物热点钻探区64口井取芯及井-震联合资料，对含水合物储层岩性、沉积环境、水合物饱和度等参数进行的详细总结分析表明：在必要的温压环境和气源条件下，深海平原区块体搬运沉积和浊流等高沉积速率的深水砂质沉积物赋存孔隙型水合物，水合物可分布在砂岩、极细砂岩、粉砂岩、粉砂质黏土和泥等粒级沉积物中，但高饱和度水合物主要赋存于粉砂-细砂岩中，储层孔隙度与饱和度具有一定的正相关性。中国南海神狐海域发现含有孔虫黏土质粉砂或粉砂质黏土这种特殊的细粒沉积物，其水合物饱和度可达到中高水平(20%～76%)。上述研究成果及认识奠定了下一步寻找优质天然气水合物储层的地质基础，也可为高饱和度水合物商业化勘探开发提供理论依据。     

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。     

应用改进的Biot-Gassmann模型估算天然气水合物的饱和度

针对南海神狐海区含天然气水合物的高孔隙度、以粉砂质黏土为主的未固结的深水沉积地层,采用Lee提出的改进的Biot-Gassmann(BGTL)模型,利用纵波速度数据估算了A井天然气水合物的饱和度。BGTL模型假设非固结沉积地层的横波速度与纵波速度比与地层骨架的横波速度与纵波速度比与地层孔隙度有关。模型中参数的选择与天然气水合物在沉积物中的赋存方式、沉积物的矿物组成、地层压差、孔隙度及微观孔隙结构等参数密切相关。A井中天然气水合物在沉积物中赋存模式接近于颗粒骨架支撑模式。根据岩心分析资料将A井的矿物骨架简化为黏土矿物、碳酸盐、陆源碎屑3类,根据各矿物组分的理论弹性参数和体积百分比可以计算得到地层骨架的弹性模量和密度。应用BGTL理论估算得到的A井天然气水合物主要赋存于海底以下195～220mbsf井段,饱和度多数为20%～40%,最大饱和度为47%左右,与实测结果吻合。     

含甲烷水合物多孔介质的复电阻率模型对比

在获得含甲烷水合物多孔介质体系阻抗谱参数的基础上,通过计算得到了复电阻率数据,分析了复电阻率参数的频散规律;讨论了3种常用的复电阻率模型(Dias模型、Warburg模型、Cole-Cole模型),并采用实验数据对3种复电阻率模型的参数进行了拟合,进而对各模型的适用性进行了对比和评价。结果表明:Warburg模型对含甲烷水合物多孔介质的复电阻率数据拟合效果最好,该模型可应用于含水合物多孔介质电学特性的进一步研究;Warburg模型的参数与水合物饱和度之间存在明显的对应关系,随着水合物饱和度的增大,模型参数中的零频电阻率和时间常数均单调减小,这为下一步建立基于复电阻率模型参数的水合物饱和度计算模型提供了基础。     

天然气水合物降压开采过程中储层应力规律分析

为了研究天然气水合物降压开采过程的储层应力及其稳定性,运用线性多孔弹性力学和岩石力学知识,考虑水合物储层原始应力、孔隙压力、渗流附加应力及降压开采水合物过程中水合物饱和度的变化,建立了降压开采天然气水合物储层的力学模型,结合墨西哥湾某处水合物藏的基本参数,对降压开采水合物储层应力变化和开采过程的储层稳定性进行研究。结果表明：井底压力是影响水合物储层应力变化的关键因素之一;渗流附加应力在一定程度上减小了储层的应力;水合物分解储层应力发生变化,储层应力在井壁处的波动最大,井壁处是整个储层所受轴向偏应力最大的位置,因此井壁处是优先发生剪切破坏的位置;为了储层的稳定性,降压开采水合物生产压差应小于2.19 MPa。     

天然气水合物开采区内海床不均匀沉降对管道力学性能的影响

海底管道是天然气水合物大规模开采和集输的关键装备。天然气水合物的开采过程会扰动沉积层的结构,改变沉积层的强度和力学特性,诱发海床发生不均匀沉降,并对水合物开采区内海底管道的力学特性产生影响,如引起管道发生大变形、悬跨、屈曲、断裂等。基于ABAQUS有限元软件,建立天然气水合物开采区内“海床-管道”耦合作用模型,模拟了天然气水合物开采过程中海床沉降变形及其对管道应力、应变、弯矩、悬跨等力学行为的影响。研究结果表明,在天然气水合物开采过程中,海床的不均匀沉降将引起管道发生显著位移并发生弯曲,管道的应力、应变随着变形的增大而增大。当海床沉降量达到某一程度时,管道将脱离海床,产生悬跨,并引发涡激振动风险。     

含水合物粉细砂的三轴试验及模拟

利用水饱和法制备含天然气水合物试样,进行等向压缩试验和不排水三轴试验.采用天然气水合物临界状态(M HCS)模型同时预测排水条件和不排水条件下的三轴试验,并进行变动参数分析.不排水条件下,密实纯砂发生应变硬化,而相近密实度的含水合物试样出现应变软化,峰值偏应力随水合物饱和度和围压增大.通过与排水和不排水三轴试验结果的对...     

南海北部神狐海域水合物赋存层位古环境和古生产率

天然气水合物作为一种新型的清洁能源,其形成需要稳定的有机质供应。南海北部神狐海域为天然气水合物成藏的有利区域,2017年中国地质调查局在神狐海域水合物试采获得突破性成功。为了进一步了解古环境和古生产率对形成水合物有机质供应的影响,对南海北部神狐海域水合物钻探区SH3站位180～215mbsf(meters below the sea floor)层位,尤其是水合物主要赋存层位190～200mbsf的古环境、古生产率以及陆源碎屑物质的地球化学指标进行分析研究。研究表明水合物主要赋存层位陆源碎屑物质(TDM)输入增加,较高的陆源碎屑物质输入和次氧化的沉积环境共同造就了比较好的有机质的外部保存条件;同时较强的水动力条件,有利于藻类生物的繁殖,因此,生物成因有机质比较丰富,再加上神狐海域有比较良好的热解气的形成条件,这3个层面共同保证了神狐海域具有比较充足的有机质供应。     

神狐海域W18/19区块水合物上覆层水平渗透系数分布

水合物储层上覆地层水平渗透系数是水合物试采工程设计的关键参数之一。以我国南海北部神狐海域W18/19区块水合物上覆钙质黏土层孔压静力触探数据为依托,在剖析基于位错理论的地层水平渗透系数预测模型基本原理的基础上,进行W18/19区块水合物层上覆钙质黏土层水平渗透系数纵向分布规律预测。结果表明,Elsworth方法不适用于W18/19区块水合物层上覆钙质黏土层水平渗透系数评价;W18/19区块水合物层上覆钙质黏土层水平渗透系数为0.1×10^-8～4×10^-8 m/s,且随着深度的增大而减小;30mbsf以浅地层预测结果受扰动较大,30mbsf以深地层的水平渗透率系数为0.1×10^-8～0.6×10^-8 m/s,且不同模型预测结果间的差异较小;孔压扩散模型和初始孔压分布函数的差异是导致不同模型预测结果差异的根本因素。     

西菲律宾海26万年来古生产力变化的颗石藻证据

基于国际海洋古全球变化研究项目(IMAGES)在西菲律宾海本哈姆海台获取的高质量柱状沉积物岩芯MD06-3047(17°00.44′N、124°47.93′E),利用颗石藻下透光带属种Florisphaera profunda的相对丰度以及初级生产力转换函数,恢复了260 ka以来西菲律宾海上部水体营养跃层以及初级生产力的变化历史。发现该区域26万年以来初级生产力冰期-间冰期变化特征较不明显,冰期生产力平均值略高于间冰期。通过与前人已发表的指示东亚冬季风强弱的伊利石/蒙脱石记录和热带太平洋纬向表层海水温度梯度记录的对比,提出MIS 8期以来,热带西菲律宾海古生产力变化的主要受控因素在MIS 5a左右发生明显转变。在MIS 8后期至MIS 5a之间,初级生产力受到长期类ENSO过程的影响较为显著,当热带东西太平洋海水表层温度梯度较小的时期,认为热带太平洋处于类El Niňo状态,此时西菲律宾海营养跃层相对较浅,生产力较高,反之则相反。而在MIS 5末期至末次冰消期时段,生产力受东亚冬季风的影响相对于长期ENSO过程更强,可能掩盖了后者的古生产力信号。冰期东亚冬季风加强,一方面,可以引起上部水体混合加强,增加下部营养物质向上的输送,另一方面大量风尘物质的输入可以刺激颗石藻的生长;反之在冰消期,水体混合较弱,风尘输入显著减少,生产力也随之降低。     

鸭绿江端元粒度分级样品常量元素控制因素分析及物源识别

对鸭绿江河口表层沉积物陆源组分进行了水动力敏感粒度分级,以消弱"粒度效应"对沉积物地球化学组成的影响。通过多元统计方法,对不同粒级样品内常量元素含量特征、控制因素、源区特征等内容进行了探讨,并与全样测试结果进行对比分析。结果表明:源区化学风化程度是控制常量元素分布的主要因素,"粒度效应"和表生环境下的自生作用对常量元素的分布也有一定的控制作用,但"粒度效应"主要控制8μm以下样品内元素分布;源区目前处于以斜长石风化为主的中等化学风化程度阶段,风化产物未遭受钾交代影响;Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO、TiO2、P2O5六种元素在>63μm、32~63μm和8~32μm 3个粒级内含量相近,8μm以下样品随粒级减小元素含量显著增加,CaO、Na2O两种元素在各粒级内含量分布特征与上述6种元素相反,高K2O含量且未受"粒度效应"控制,可作为鸭绿江端元的指示性元素。根据流域岩性特征分析,>2μm粒级样品可能主要来自鸭绿江中下游地区变质基底和花岗质侵入体的风化产物;而<2μm粒级样品则可能主要来自鸭绿江上游地区基性侵入体的风化产物。此外,对比分析还表明,全样测试结果仅相当于分粒级样品的均值水平,极大地掩盖了不同粒级内元素地球化学特征的差异性和规律性。因此,在利用全样地球化学特征进行物源示踪时需综合考虑。     

地震资料中柱状流体运移通道形态参数及其地质意义

深部流体在向上运移的过程中,能够形成垂直-近似垂直的柱状通道,如气烟囱构造、流体逸散管道等。利用高分辨率地震资料,能够直观地对这些柱状地球物理异常进行精细的描述与刻画,从而统计其形态参数。综合不同海域的研究成果,本次研究系统总结归纳了柱状流体运移通道的8个重要参数,分别是发育层位、终止层位、平面形状、直径、高度和宽高比、反射偏移、椭圆率、拟合椭圆方位角。形态参数分别与通道群在平面上的展布方位、特殊的海底异常地貌(如海底麻坑、丘状体等)、深部构造发育与分布(如底辟、断层等)等进行耦合关联,能够进一步揭示柱状流体运移通道的地质含义。可将形态参数分为:(1)从形态学上对柱状通道进行直接分类的参数;(2)指示柱状通道形成诱发因素或形成过程的参数;(3)划分柱状通道幕式流体活动及期次的参数;(4)定义柱状通道中流体活动时间区间的参数;(5)间接反映柱状通道中流体通量相对大小的参数。实际研究过程中,单一形态参数难以准确反映出复杂地质背景下柱状通道的真实地质含义,多参数组合、相互对比验证,能够更好地对柱状流体通道的地质含义做出综合分析。     

台湾东黑潮主流区近千年来沉积物稀土元素的变化特征与来源

基于沉积物AMS14 C定年,研究了近千年来台湾以东黑潮主流区沉积物的稀土元素组成变化特征及赋存形态,探讨了该区近千年来稀土来源。台湾东黑潮主流区近千年来沉积物中稀土元素总量平均为119.82μg/g,低于上陆壳和中国黄土的稀土元素平均含量,与冲绳海槽较为接近;轻重稀土元素比值平均为11.30,明显富集轻稀土,具有明显的陆源属性。研究区沉积物稀土元素对球粒陨石和上地壳标准化配分模式均表现为轻稀土富集重稀土相对亏损,且具有弱的Ce正异常。根据定年结果及稀土元素变化特征趋势将柱状沉积物分为3层:0～8.5、8.5～21.5和21.5～30cm,随深度增加稀土元素总量的平均值逐渐增大,轻重稀土元素比值逐渐减小,Ce正异常程度逐渐减弱。稀土元素赋存形态分析表明,La、Ce、Pr、Nd 4种轻稀土元素主要为天然陆源,其他稀土元素受氧化还原环境影响相对较大。稀土元素主要存在于残渣态中,其次为铁锰氧化物结合态,残渣态对台湾以东黑潮主流区沉积物中总稀土元素的配分模式起决定性作用,也是造成Ce正异常的关键赋存形态。近千年来沉积物中稀土元素变化与沉积物粒度关系不大,物质来源较为稳定,台湾东部河流输入是研究区沉积物中稀土元素的最重要来源,亚洲大陆风尘输送对稀土元素的贡献较小。     

近千年来台湾以东黑潮主流区沉积物来源及其对气候波动的响应

基于AMS¹⁴C定年结果,对近千年来台湾以东黑潮主流区沉积物的粒度、黏土矿物组成及结晶学特征等进行研究,分析该区沉积特征、物质来源及近千年来环境演化的沉积记录。结果表明,台湾以东黑潮主流区沉积物主要为细粒的粉砂和黏土,沉积速率平均为34.44 cm/ka,低于东海陆架和冲绳海槽南部,高于开阔大洋,具有从陆架向大洋过渡的沉积特征。黏土矿物组成的分析结果表明,台湾以东黑潮主流区沉积物黏土矿物组成以伊利石(平均57%)和蒙脱石(平均25%)为主,含有少量绿泥石(平均16%),几乎不含高岭石(平均2%),其中蒙脱石主要来源于吕宋岛弧物质输送和附近海域原位的基性火山物质蚀变,伊利石和绿泥石主要来源于亚洲大陆风尘输送和台湾东部河流输入,高岭石主要来源于台湾东部河流和吕宋岛弧物质输入。黏土矿物的物源定量识别研究表明,研究站位的黏土矿物有26%～72%来源于亚洲大陆风尘输送,11%～55%来源于台湾东部河流输入,11%～26%来源于吕宋岛弧物质输送。近千年来沉积物物源的变化特征较好地反映了中世纪暖期、小冰期和现代暖期这3个百年尺度的全球性气候变化阶段。亚洲大陆风尘输送和台湾东部河流输入对研究区沉积物的相对贡献量变化反映了中世纪暖期较强的东亚冬季风特征和台湾地区较为干旱的气候环境,同时也反映了小冰期逐渐减弱的东亚冬季风强度和台湾地区较为湿润的气候环境。现代暖期和中世纪暖期在东亚热力差异和降水异常上的差别反映了人类活动对沉积物的扰动。而研究区小规模的沉积特征突变事件主要与暴雨、台风和地震活动相关。     

中国东部近海现代沉积环境

东海近岸海域岛屿、入海河流众多,大量陆源物质随沿岸流自长江口向东迁移,是海陆相互作用最为强烈的区域之一。对2016和2017年夏季采集的570个东海近岸表层沉积物样品进行了沉积物物理化学性质、粒度特征、有机质含量等测试分析。结果表明,这些特征参数明显受区域沉积环境的控制。杭州湾区域沉积物偏弱碱性,氧化还原电位(Eh)<0,有机质含量北部偏高,沉积物组成以黏土质粉砂为主,抗剪强度较低(普遍<0.5kpa),各指标无明显分布规律,相关性较强。浙江东部沿海区域沉积物近中性至弱酸性,Eh较高(>0),Eh与pH自陆向海降低,象山港、乐清湾海域有机质含量较高;舟山至台州海域以粉砂为主,台州以南分布斑块状泥质区,抗剪强度比杭州湾区域偏高,各指标无明显相关性。整体来看,杭州湾与浙江东部沿海属于两个完全不同的沉积环境体系,主要是因杭州湾物质来源较为稳定,区域水动力较强,导致沉积物分布相对均一;而浙江东部海域河流、岛屿较多,各个区域物质来源和水动力环境都存在较大差异。     

嗜碱盐单胞菌X3中异化型硝酸盐还原酶编码基因簇的功能验证及蛋白结构预测

细菌的氮代谢推动环境的氮循环,硝酸盐还原反应是氮代谢途径中重要步骤之一。本文运用酶活测定、qRTPCR和生物信息学软件分析的方法,对嗜碱盐单胞菌(Halomonas alkaliphila)X3中编码细菌异化型硝酸盐还原酶(Dissimilatory nitrate reductase,Nar)不同亚基的基因簇narGYJV进行了功能验证、蛋白结构预测和系统发育分析。研究表明,X3菌株中存在narGYJV基因簇并具有表达活性,测得Nar的酶活为每克蛋白21.415U;预测到的narGYJV编码蛋白功能区域中1～1246氨基酸属于NarG超家族,编码Nar的α亚基;1261～1752氨基酸属于DMSOR-beta-like超家族,编码Nar的β亚基;2061～2279氨基酸编码γ亚基,1802～2018氨基酸编码δ亚基;Nar的二级结构中无规卷曲占37.59%,α螺旋占34.43%,延伸链占18.33%;NarG、NarY和NarV的3D结构与PDB中大肠杆菌(Escherichia coli)的1Q16 3D结构最接近,覆盖率96%～100%。系统发育树显示,菌株X3中NarG与同属菌的遗传距离较近,在不同菌属间虽然功能相似,其同源性较低;NarY与大肠杆菌中的氨基酸序列的同源关系较近,说明异化型硝酸盐还原酶Nar中不同亚基的系统发育地位不同。研究结果表明,Halomonas alkaliphila X3菌株中存在编码Nar的基因簇narGYJV,编码蛋白具有独特的3D结构,不同亚基的系统发育地位不同。研究结果为进一步研究该菌的氮代谢通路选择和调控机制提供了依据。     

南海东部管事海山铁锰结壳的矿物组成和地球化学特征

对于开阔大洋海山结壳的矿物组成和地球化学特征研究已经比较深入,但对边缘海海山铁锰结壳的研究却较少。以在南海东部管事海山上采集的两块铁锰结壳为研究材料,对其进行了X射线衍射、扫描电镜及电子探针微区的分析,结果显示结壳矿物以水羟锰矿为主,含有少量针铁矿,碎屑矿物主要是石英和长石。结壳的显微结构呈现条带状分布,有10~15μm长的空隙和0.5μm直径大小的孔洞。相对于大洋结壳,结壳的Mn含量较高,与马尼拉海沟附近火山喷发物质有关,但Cu、Co和Ni含量更低,可能与边缘海沉积速率高或有机络合物吸附有关。矿物组成及元素比值表明结壳主要是水成的,但未发生明显磷酸盐化作用。元素比值和相关性表明,Mn主要来源于南海扩张停止后火山喷发、玄武岩风化形成溶解Mn;Fe与Si元素均来自火山碎屑、生源物质和陆源物质,还受到管状蠕虫吸附的影响。南海管事海山结壳是在富氧环境中上升流作用下选择性吸附水体中溶解化学元素缓慢沉积而成。结壳中元素含量随时间变化趋势反映了南海的古环境变化。