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力学所水合物分解相变相关地层安全评价研究获进展

力学所水合物分解相变相关地层安全评价研究获进展

  天然气水合物是我国的战略能源,但水合物分解可能引发多种地质灾害。中国科学院力学研究所海洋土力学课题组自2005年以来,自主搭建了水合物开采安全评价实验及分析平台,首次在实验室发现水合物热分解引起的土层分层、气体喷发破坏形式(拼搏在线J. Petro. Sci. Eng., 2011)并进行了深入研究,对水合物分解引起的滑塌破坏开展了系列的研究。这是涉及传热、相变、多相渗流、土层变形和破坏的多个物理效应的流固耦合力学新问题,对水合物开采相关的工程安全和环境效应评价具有重要的工程价值。

  这些研究工作表明,水合物热分解引起的地层分层和喷发破坏是水合物热分解导致的分解区域内土层软化和超静孔隙压力而形成的,即随着分解区域的扩展,上部阻力逐渐减小,超静孔隙压力上升并超过上部阻力,造成土层开裂,形成有一定厚度的充满气体和水的裂缝(J. Petrol. Sci. Eng., 2015);在气体能量足够大时,气体携带分解区土体推出上覆层,形成类似火山喷发的气--固三相流(拼搏在线Int. J. Numer. Anal. Met., 2015);水合物分解引起的滑塌是水合物分解后,分解区与上覆层之间形成多处分层或大面积连续贯通的分层,在重力和孔隙压力作用下,将引起浅层大面积小坡度的海底滑塌(Ocean Eng., 2015; 2016)。

  研究人员采用课题组自主研制的实验装置得到了水合物分解前后沉积物的热、力学参数(J. Heat Trans.-T. ASME, 2014; Mar. Petrol. Geol., 2015; Int. J. Offshore Polar, 2015),获得了土层分层、气体喷发和土层滑塌的临界条件和扩展规律(如图2),为我国南海水合物勘探、试采以及开采安全及环境评价提供了科学依据。

  该研究得到国家自然科学基金、院修购项目、中国地质调查局项目和中石油-中科院高端战略联盟研究计划项目的资助。