天然氣水合物賦存于陸地凍土帶和較深海域，具有儲量大、埋藏淺、污染低等優(yōu)點，是重要的潛在替代能源。天然氣水合物開采要滿足商業(yè)化的要求，必須解決好兩方面的問題：經濟高效的開采方法，災害控制及環(huán)境保護。開采方法不當會引發(fā)嚴重的地質災害與環(huán)境問題，因此安全和環(huán)境保障是天然氣水合物開采的前提。全書共五章，分別介紹水合物沉積物力學性質、水合物分解引起的土層層裂和噴發(fā)破壞、水合物分解對井筒及結構物的影響、水合物分解引起的海床滑塌、水合物開采過程中的現場監(jiān)測及數據處理。
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中國土木工程學會巖土工程分會理事
力學所學位委員會委員
南海天然氣水合物試采儲層安全評價技術. 2021年中國力學學會科技進步一等獎，2021年，排名第1
目錄
前言
第1章水合物沉積物力學性質1
1.1引言1
1.2水合物的結構3
1.3影響水合物沉積物力學性質的主要因素4
1.3.1天然氣水合物形成的影響5
1.3.2孔喉尺度和沉積物顆粒表面性質對水合物增長和分布的影響8
1.4水合物沉積物力學性質現場調查方法11
1.4.1地球物理勘探法11
1.4.2鉆孔取心法14
1.4.3測井法15
1.4.4觸探17
1.5室內實驗18
1.5.1三軸實驗19
1.5.2基于保壓巖心分析及傳輸系統(tǒng)的物理和力學參數測量28
1.5.3直剪實驗30
1.5.4共振柱實驗32
1.6水合物沉積物力學參數實驗35
1.6.1純冰、純水合物三軸實驗結果38
1.6.2蒙古砂為骨架的四氫呋喃水合物沉積物三軸實驗39
1.6.3黏土高溫燒制骨架的四氫呋喃水合物三軸實驗41
1.6.4飽和粉砂應力應變曲線43
1.6.5四氫呋喃水合物粉砂沉積物力學性質實驗44
1.6.6含冰和甲烷水合物沉積物力學性質實驗46
1.6.7含冰和甲烷水合物沉積物力學參數匯總50
1.6.8不含冰的粉細砂土水合物沉積物力學參數53
1.6.9水合物分解過程中沉積物力學參數56
1.7直剪實驗60
1.8水合物沉積物動態(tài)力學特性實驗62
1.8.1實驗材料與裝置63
1.8.2實驗步驟與內容67
1.8.3水合物沉積物動態(tài)力學性質實驗69
1.8.4水合物沉積物動態(tài)力學參數模型94
1.9蠕變特性實驗108
1.9.1實驗108
1.9.2水合物沉積物蠕變實驗擬合曲線113
1.10水合物沉積物力學性質理論模型113
1.10.1水合物沉積物力學參數(模量、強度)與水合物飽和度的關系模型113
1.10.2水合物沉積物強度模型127
1.10.3應力應變關系理論模型132
1.11小結143
參考文獻143
第2章水合物分解引起的土層層裂和噴發(fā)破壞152
2.1引言152
2.2水合物分解引起土層層裂實驗153
2.2.1實驗設計154
2.2.2傳感器布置156
2.2.3實驗步驟158
2.2.4實驗結果與討論159
2.2.5分層破壞模型分析167
2.3水合物分解引起土層中氣體噴發(fā)實驗模擬171
2.3.1實驗裝置與實驗技術171
2.3.2實驗步驟173
2.3.3實驗現象和特征173
2.3.4水合物分解引起土層破壞的能量評估178
2.3.5小結183
2.4層裂和噴發(fā)破壞的理論分析183
2.4.1層裂183
2.4.2噴發(fā)的分析188
2.4.3小結193
參考文獻194
第3章水合物分解對井筒及結構物的影響197
3.1水合物鉆采潛在風險197
3.2水合物分解對垂直井筒/管道的影響198
3.2.1問題量綱分析199
3.2.2水合物完全分解條件下垂直井筒及周圍土層變形與破壞分析200
3.2.3水合物逐漸分解條件下井筒及周圍土層變形分析223
3.2.4水平井降壓開采時地層變形數值模擬227
3.2.5水合物分解對海床上水平管道的影響240
3.3小結242
參考文獻243
第4章水合物分解引起的海床滑塌246
4.1引起海底水合物分解的因素246
4.2水合物分解引起的海底滑坡及災害鏈247
4.2.1水合物分解相關的海底滑坡案例247
4.2.2水合物分解相關的海底泥石流249
4.2.3環(huán)境影響250
4.3理論研究251
4.3.1考慮水合物分解后地層強度降低的極限平衡方法251
4.3.2基于土層分層的土層滑塌模型252
4.4實驗研究256
4.4.1問題及量綱分析256
4.4.2模型制備260
4.4.3水合物分解后土層滑塌離心機模擬實驗263
4.4.4生物生成甲烷制備水合物沉積物的離心機實驗結果268
4.4.5水合物分解引起地層變形的小比尺模型實驗276
4.5水合物分解引起的海底泥石流289
4.6水合物分解引起地層滑塌的數值模擬291
4.6.1商用軟件計算的可靠性292
4.6.2穩(wěn)定性(滑坡起動)判別條件292
4.6.3控制參量2924.6.4模型建立294
4.6.5模擬結果與分析294
4.7小結328
參考文獻328
第5章水合物開采過程中的現場監(jiān)測及數據處理334
5.1試采監(jiān)測項目簡介334
5.2聲波傳播特性338
5.3滲透性344
5.3.1滲透率模型346
5.3.2滲流規(guī)律347
5.4含水合物地層的熱力學參數及考慮水合物相變的傳熱規(guī)律350
5.4.1熱力學參數350
5.4.2含水合物地層中的熱傳導353
5.4.3水合物的電阻特性374
5.4.4安全監(jiān)測及數據處理系統(tǒng)386
5.4.5小結393
參考文獻393
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