岩土力学 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (11): 3191-3202.doi: 10.16285/j.rsm.2023.1012
叶智刚1, 2, 3,王路君1, 2, 3,朱斌1, 2, 3,陈云敏1, 2, 3
YE Zhi-gang1, 2, 3, WANG Lu-jun1, 2, 3, ZHU Bin1, 2, 3, CHEN Yun-min1, 2, 3
摘要: 天然气水合物是突破世界能源瓶颈的重要潜在途径,降压法是目前公认最经济有效的开采方法。降压开采时会引起固相水合物分解、液气产生与运移、热量传递及沉积物骨架变形,表现出温度场、液气渗流场、应力应变场间强烈的热-水-力(T-H-M)耦合响应,易诱发开采井倾斜、储层塌陷等灾变。基于开源有限元平台OpenGeoSys及其已有的饱和土T-H-M耦合模型,通过嵌入水合物动力分解方程表征固相水合物分解为气液相过程,引入水气质量守恒描述液气相变特性;在此基础上采用非线性互补方法(nonlinear complementary problem,简称NCP)结合特殊主变量选取严格框定液气饱和度范围,并将水合物动力分解速率与控制方程源汇项予以关联;构建了开源的水合物开采T-H-M耦合分析模型。通过与室内降压分解试验和大尺度数值模型对比,验证了该模型的适用性和正确性,并探讨了水合物开采过程中孔隙水压缩性对沉积物T-H-M耦合过程的影响。结果表明:本模型求解水合物分解引起的固液气相变与液气相生成或消失等强非线性问题时稳定性好;降压开采过程中水合物由近及远逐渐分解,产生气液逐渐向边界处运移并逐渐达到稳定运移状态,气、液相饱和度渐趋稳定;受气相溶解的影响,气相饱和度发展滞后于液相饱和度;高孔隙压力下孔隙水压缩性对远端孔压与骨架变形影响显著。
中图分类号:
[1] | 黄楠, 朱斌, 王路君, . 考虑水合物孔隙赋存模式演化的含水合物沉积物渗透率模型[J]. 岩土力学, 2024, 45(8): 2387-2396. |
[2] | 刘燕晶, 王路君, 朱斌, 陈云敏, . 考虑填充和黏结作用的含水合物 沉积物弹塑性本构模型[J]. 岩土力学, 2022, 43(9): 2471-2482. |
[3] | 叶智刚, 王路君, 朱斌, 黄家晟, 徐文杰, 陈云敏, . 考虑热渗效应的高温管道−饱和地基相互作用研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 691-699. |
[4] | 王辉, 周世琛, 周博, 薛世峰, 林英松, 吴海明, . 不同破坏准则下水合物沉积物的统计损伤模型[J]. 岩土力学, 2020, 41(12): 4015-4026. |
[5] | 张小玲, 夏飞, 杜修力, 许成顺, . 考虑含水合物沉积物损伤的多场耦合模型研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(11): 4229-4239. |
[6] | 颜荣涛, 张炳晖, 杨德欢, 李 杨, 陈星欣, 韦昌富, . 不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系[J]. 岩土力学, 2018, 39(12): 4421-4428. |
[7] | 吴 起, 卢静生, 李栋梁, 梁德青, . 降压开采过程中含水合物沉积物的力学特性研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(12): 4508-4516. |
[8] | 颜荣涛,梁维云,韦昌富,吴二林, . 考虑赋存模式影响的含水合物沉积物的本构模型研究[J]. , 2017, 38(1): 10-18. |
[9] | 张强勇 ,王保群 ,向 文,. 盐岩地下储气库风险评价层次分析模型及应用[J]. , 2014, 35(8): 2299-2306. |
[10] | 杨期君 ,赵春风 , . 含气水合物沉积物弹塑性损伤本构模型探讨[J]. , 2014, 35(4): 991-997. |
[11] | 杨期君 ,赵春风 , . 水合物沉积物力学性质的三维离散元分析[J]. , 2014, 35(1): 255-262. |
[12] | 关进安,梁德青,吴能友,万丽华,李栋梁,苏 正. 高压环境下流体非饱和渗流对含水合物沉积物的影响[J]. , 2013, 34(3): 639-644. |
[13] | 吴二林,韦昌富,魏厚振,颜荣涛. 含天然气水合物沉积物损伤统计本构模型[J]. , 2013, 34(1): 60-65. |
[14] | 李忠友 ,刘元雪 ,刘树林 ,谭仪忠 ,葛增超 . 火灾作用下隧道衬砌结构变形理论分析模型[J]. , 2012, 33(S2): 307-310. |
[15] | 吴二林,魏厚振,颜荣涛,韦昌富. 含天然气水合物沉积物分解过程的有限元模拟[J]. , 2012, 33(9): 2811-2821. |
|