含天然气水合物土试样人工制备过程中的水份迁移效应研究

The mechanical properties of natural gas hydrate bearing soil influence the safety and stability of exploitation of hydrate resource. At the present stage, laboratory testing is an important method for studying the mechanical properties of hydrate bearing soil. Studies have shown that the water in samples migrates to the growing zone of hydrate as the hydrate is forming in laboratory samples, resulting in local accumulation of hydrate in samples and making the samples uneven. This research is proposed to conduct soil column tests to uncover the affection laws of temperature gradient, soil type and water content on water migration and the distribution of hydrate and to present a theoretical model for water migration. Artificial samples are to be made in different conditions of temperature, pressure, soil grain type and water content. The samples are to be cut under cold environment and weighted to obtain the distribution of water and hydrate in the samples. The affection law of the methods of making samples on the distribution of hydrate is to be analyzed. Consequently a method for making samples with uniformly distributed hydrate is to be presented according to the testing results. The samples made by different methods are to be tested by the laboratory mechanical tests. The affection law of hydrate distribution on testing result is to be analyzed and the affection law of hydrate distribution on the macroscopic mechanical properties is to be explored. This research is helpful to improve the insight into the physical-mechanical properties of hydrate-bearing soils and it also provides theoretical support for the safe exploitation of natural gas hydrate.

含天然气水合物土的力学特性影响到水合物资源开采的安全性和稳定性，现阶段室内试验是研究含水合物土力学特性的重要手段。研究表明，在室内试样中形成水合物时试样内的水分向水合物生长区迁移，使水合物在试样中出现局部富集现象，导致试样中水合物分布不均匀，影响到力学测试结果的准确性。本研究拟开展土柱试验以探明温度梯度、土类和含水量对水分迁移和水合物分布的影响规律，提出水分迁移理论模型；改变温度、压力、土颗粒成分、含水量等条件制作室内试样，通过在低温环境下切片称重的方式测得试样中水合物分布情况，分析不同制样条件对试样中水合物分布的影响规律，根据测试结果提出水合物均匀分布的制样方法；采用不同方法制备试样并进行室内力学试验，对比不同制样方法造成的力学测试结果差异，明确水合物分布对含水合物土宏观力学性质的影响规律。本研究有助于加深对含水合物土物理力学性质的认识，也可以为天然气水合物安全开采提供理论支持。

天然气水合物俗称“可燃冰”，是由天然气和水在低温高压条件下形成固态结晶体，具有极高的燃烧值且分布广泛，因此是一种具有巨大开发潜力的新型能源。我国科技人员先后在海洋和陆地取得天然气水合物实物样品，在我国南海北部神狐海域首次实现了天然气水合物试采，将天然气水合物研究推向一个新的高潮。由于受到现有设备和技术的限制，目前难以直接在水合物矿藏现场进行力学试验，而通过地球物理方法推算得到的力学参数也可能受到计算模型的影响而导致准确性不足。室内试验能较准确地反映试样的应力状态，得到合理的物理参数，因而被视作研究天然气水合物物理力学特性的一个重要手段。.本项目围绕水合物沉积物中水分迁移对物理力学特性测试结果的影响，开展了一系列理论和试验的工作，主要分析了不同土质、水合物饱和度和围压条件下水合物三轴剪切和等向固结过程中的变形和强度性质，考虑水合物沉积物中土-水相互作用引起的相平衡条件的改变，提出了广义相平衡方程和考虑未合水含量的水合物沉积物相平衡模型。取得的成果主要有：研制的多功能水合物沉积物三轴试验系统包括供-排气模块、应力加载模块、温控模块、数据采集模块和辅助模块，各部分相对独立且具有良好的协同与拓展性。采用液压泵进行围压和轴压的加载，通过不同的加载模式可以实现水合物合成、三轴剪切、体变测量和水合物分解测试。实验系统的气压跟踪功能，使水合物生成过程中净围压保持不变，保证了试样初始条件的一致性；系统的体变测量技术能够精确测试三轴试验过程中的体积变形，控制分解的温压条件并测试分解过程中的变形，可以为水合物沉积物力学特性研究奠定实验基础。依据相平衡条件下水与水合物晶格化学势相等的条件得到了适用于水合物沉积物的广义相平衡方程，该方程将平衡温度偏移（纯水合物平衡温度与沉积物温度之差）、基质吸力、渗透压联系起来，极大地简化了水合物沉积物的相平衡计算。得到了沉积物中未合水的含量与平衡温度偏移的关系，表达这种关系的曲线被称为“土的水合特征曲线”。