摘要
天然气水合物是一种清洁高效的新型能源，其因储量巨大、分布广泛等特点，被认为是21世纪最有开采潜力的接替性能源，是目前世界各国力争的未来能源战略制高点。然而，天然气水合物开采过程中引起的水合物分解，会导致储层胶结结构弱化或消失，进而引起储层强度、刚度等发生巨大变化，可能诱发地层沉降、变形以及井筒失稳等工程地质灾害。阐明水合物沉积物变形微观响应机理，是实现天然气水合物资源安全开采的重要前提。本文以此为背景，基于自主研发的高压低温水合物CT三轴实验系统，开展了一系列水合物沉积物固结、剪切以及分解变形可视化实验研究，阐明了水合物沉积物微观结构及组构要素演变规律，揭示了水合物胶结弱化与失效机理，以期为我国天然气水合物安全开采提供理论依据和技术支持。主要内容如下： 首先，搭建了一套高压低温水合物CT三轴实验系统，能够满足水合物沉积物变形过程原位力学测试及微观结构分析需求，提出了基于真实相体积的图像阈值耦合标定、微观组构要素量化统计以及剪切带发展识别等系列技术方法，为水合物沉积物固结、剪切、分解变形可视化实验以及储层胶结弱化失效机理分析提供设备和技术支撑。 其次，开展了水合物沉积物固结过程CT可视化实验，研究了有效应力和局部饱和度等因素对水合物沉积物固结变形行为的影响。结果表明：水合物沉积物固结变形主要发生在局部水合物饱和度相对较低的区域，变形过程中孔隙数目及孔隙平均半径快速下降，水合物-砂接触面面积迅速上升，并随着有效应力的增加其变化速率逐渐下降，水合物沉积物内部增量位移场呈现由阶梯状锥型分布向斑块状分布演化的趋势。以上研究阐明了水合物沉积物固结变形微观响应机理，为水合物降压开采过程中储层固结沉降分析提供了理论和数据基础。 第三，开展了水合物沉积物剪切过程CT可视化实验，研究了水合物空间分布与有效围压等因素对沉积物剪切破坏行为的影响。结果表明：水合物胶结弱化失效是沉积物剪切变形的本质原因，具体表现为“加载-应力集中-初始裂纹形成-裂纹扩展-胶结物脱落-胶结物碾碎”等过程；在相同饱和度、孔隙度及粒径组成下，水合物呈聚集分布的沉积物相较于呈弥散分布的沉积物，其剪切带厚度更小，倾角更大，更容易发生胶结失效现象，宏观上表现为更小的强度和屈服应变，更容易发生剪切破坏；此外，随着有效围压的增大，颗粒之间的咬合逐渐增强，并使部分裂纹发生闭合，水合物沉积物剪切带厚度和倾角逐渐减小，宏观上表现为强度和屈服应变增大。以上研究揭示了水合物沉积物剪切过程胶结弱化失效机理，为水合物储层本构模型构建提供了理论依据。 第四，开展了水合物分解过程沉积物变形CT可视化实验，研究了降压及注热分解对沉积物微观结构演化和宏观力学行为的影响。结果表明：无论是降压还是注热过程，覆盖在砂颗粒表面的水合物先发生分解，位于砂颗粒接触点处的水合物最后分解。随着分解的进行，砂颗粒间的胶结支撑作用逐渐消失，沉积物被压实，砂颗粒倾角和方位角分布逐渐均质化，沉积物强度和刚度明显下降；同时，水合物分解过程会发生二次生成现象，且二次生成位置主要集中在距分解前缘较近的水合物胶结覆盖区，这会堵塞孔隙吼道并造成局部密实度增大；此外，由于分解过程中颗粒重排以及分解水非均质分布的影响，分解后的水合物沉积物相较于不含水合物的沉积物，其强度更低。以上研究探明了水合物分解对沉积物微观结构演化和宏观变形的影响规律，为天然气水合物开采储层安全性评价提供了理论和数据支撑。 最后，提出了一种新型的水合物数字岩心形态学建模方法，构建了胶结型和孔隙填充型水合物数字岩心，研究了水合物生成过程微观结构演化规律。发现水合物生长过程沉积物孔吼结构逐渐被压缩和分割，迂曲度上升，分形维数下降。同时，结合离散元变形分析方法，开展了三轴剪切数值实验，发现随着剪切过程的进行，试样内部力链逐渐由压力向拉力转变，裂隙面逐渐增多，导致水合物从颗粒表面脱落，引起胶结弱化失效。相关研究阐明了水合物沉积物胶结弱化失效的本质，为下一步水合物沉积物宏微观变形跨尺度分析提供了有效方法。
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