甲烷水合物CO2置换开采研究现状与展望

天然气水合物广泛存在于海底沉积物和大陆永冻区,是一种潜在的能源资源。CO2置换法开采天然气水合物,不仅可以从水合物藏中开采出天然气,还能够使空气中的CO2以水合物的形式长期埋存于地下。本文从可行性、微观机理及影响因素等方面,总结了甲烷水合物CO2置换法开采的研究现状,论述了目前研究中存在的问题及不足,并对以后的研究工作提出了一些展望和建议。     

高层建筑引发地面沉降模拟预测三维流固全耦合模型

为了准确预测由高层建筑引发土体应力场和渗流场变化而导致的地面沉降,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑了土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力的动态变化关系。以河北省沧州市为例,建立了沧州市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维流固全耦合数学模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了沧州市在地下水停采、仅存在高层建筑荷载的影响下,从2010年12月底到2025年12月底逐年的各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势。结果表明：沧州市由高层建筑荷载引发的最大地面沉降量为40.57 mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。     

宁武盆地煤岩静态力学特征研究

井壁失稳是目前制约煤层气规模化开发的关键问题之一。由岩石力学理论可知,煤岩的力学强度是井壁稳定性的决定因素之一。通过对宁武盆地煤岩进行系统力学研究,利用应力摩尔圆法求出宁武盆地主力煤岩的内摩擦角、内聚力等强度参数;建立横波与纵波幂律关系曲线,动态弹性模量与静态弹性模量间线性关系曲线及动静态泊松比间线性关系曲线,得出煤岩静态弹性参数以直接反应地层力学性质,解决了勘探开发中声波测井所得动态弹性参数无法真实反映地层力学特点的技术问题。      

煤层气井有杆泵排水采气设备示功图

煤层气井示功图直观表现了悬点载荷的变化规律,可为有杆泵设备设计计算提供重要依据。基于有杆排采设备的运动学和动力学分析,建立了计算悬点各载荷的数学模型,给出煤层气井不同开采过程的静力和动力示功图。实例分析结果表明,静力示功图接近于稳定生产后的示功图,代表了悬点载荷变化的基本规律,是分析实际示功图的基础;动力示功图在考虑动载荷的影响后,呈现出波动和偏斜的形状,考虑摩擦力的作用后,示功图的上缘向上平移,下缘则下移。煤层气井动载荷和摩擦力所占的比例分别达到15%和5%,这就加大了悬点载荷的变化幅度与不平衡性。随冲次的降低,示功图的下缘远离零线,上缘则逐渐远离下缘,而且惯性载荷和振动载荷影响的减小,使得上下缘的倾斜度逐渐降低,波动幅度不断变小。煤层气井杆管总变形量较小,与冲程的比值仅为10%左右,且随冲次的降低,总变形量和静变形量逐渐增大,而动变形量不断变小。      

尾矿库筑坝期三维渗流分析

尾矿库坝体的稳定性分析需充分考虑地形的复杂程度与边界的不规则程度,从而建立尾矿库的真实三维渗流场。利用SVOffice软件在不概化地形及边界的条件下构建尾矿库的真实渗流域,模拟了最后一期填筑在正常高水位（427.77 m）及汛期最高洪水位（434.50 m）两种工况下的三维瞬态渗流场。结果显示：两种工况下,尾矿最大日排水量均为6 100 m³,此时,堆积坝两侧浸润面均有溢出,远离排水井一侧的溢出范围更大,这主要是受渗流域的影响;库内初始水位对筑坝期渗流场的分布存在较大的影响,汛期洪水位筑坝初期浸润面位置最高。由模拟结果设计了5条排渗盲沟,保证了浸润面在堆积坝任何部位均未溢出。     

水合物沉积物力学性质的三维离散元分析

水合物沉积物力学特性研究是天然气水合物开采领域中的热点问题。为深入了解水合物对沉积物力学特性的影响,在提出一个新的水合物沉积物离散元数值试样制备方法的基础上,模拟了不同水合物饱和度沉积物试样的三轴排水试验,并从其应力-应变关系、体变特性、弹性模量及峰值强度等方面对模拟结果及已有室内三轴试验结果进行了对比,然后利用该方法对具有不同微观胶结参数的水合物沉积物样进行了三轴离散元数值试验。研究结果表明：所提出的离散元模拟方法能较好地反映水合物沉积物的主要力学特性;天然气水合物与土颗粒间胶结性能的改变会对水合物沉积物的力学响应产生一定的影响;水合物沉积物强度和模量的增加是孔隙填充水合物和粒间胶结水合物共同作用的结果。     

考虑水合物胶结厚度的深海能源土粒间胶结模型研究

天然气水合物被公认是解决当前能源危机的潜在新型能源而备受关注。含水合物的海底土体称为深海能源土。水合物在能源土中有不同的赋存形式（如填充型水合物和胶结型水合物等）,由于胶结型水合物对整体强度的贡献比其他存在形式更大,尤其是饱和度较低的情况。针对于胶结型水合物的赋存形式进行研究,水合物作为胶结物质存在于土颗粒之间,胶结厚度会在一定范围内变化。为真实地反映此现象,通过对能源土试样的电镜扫描图片整理分析,获得水合物饱和度与粒间胶结厚度的函数关系。基于前期已经完成的不同粒间胶结厚度下胶结力学特性的试验研究成果,为探究胶结厚度变化对能源土体宏观力学特性的影响,建立了考虑水合物胶结厚度的能源土粒间胶结模型,并介绍此模型中相关胶结参数及其确定方法。     

含气水合物沉积物弹塑性损伤本构模型探讨

天然气水合物的开采会带来一系列的岩土工程问题,为了保障相关工程设施的安全,有必要建立一个合理的水合物沉积物本构模型。通过深入分析水合物沉积物力学特点,从颗粒间的作用机制出发,认为水合物沉积物的力学响应是沉积物中土体颗粒间摩擦与水合物胶结二者共同作用的结果;考虑到摩擦与接触特性不同的力学机制,分别采用修正剑桥模型和弹性损伤模型对土体骨架及水合物胶结的应力-应变关系进行描述;通过假定水合物胶结的损伤演化规律,并认为在受力变形过程中二者的应变始终相等,初步建立了一个水合物沉积物的弹塑性损伤本构模型。不同水合物饱和度沉积物应力-应变曲线的模型预测结果与室内三轴排水试验结果吻合良好,表明了所建模型的可行性和合理性。     

Using fluidized bed and flume experiments to quantify cohesion development from aging and drainage

Temporal variations in soil erosion resistance are often the result of decreased soil cohesion due to physical disruption followed by a regain of soil strength through a process called aging, stabilization or consolidation. The goal of this study was to quantify changes in soil cohesion due to aging and subsurface hydrologic condition using a fluidized bed method. A flume experiment was also used to verify that findings from the fluidized bed experiment translated into measurable changes in soil erodibility. Tests were performed on three different soils (a Miami soil, a Cecil soil and Crosby–Miami soil complex). Changes in soil cohesion due to aging and drainage state were successfully detected by the fluidized bed technique. For all soils tested, cohesion developed in a two‐stage process where an increase in cohesion with aging duration immediately after the soil was rewetted, was followed by a decrease in cohesion which often started after 24 h of aging. When soils were aged at field capacity, the resulting cohesion measured by the fluidized bed method was on average 3.13 times higher than that measured when aging was performed at saturation. Trends in soil rill erodibility K_r with aging duration measured in the flume experiment were consistent with the two‐stage pattern observed in soil cohesion estimates but the legacy effect of suction applied at field capacity faded after 72 h of aging. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.