天然气水合物岩样三轴力学试验研究
天然气水合物研究历程及发展趋势新
天然气水合物研究历程及发展趋势摘要综合国内外关于天然气水合物的研究，概述其从发现、初步研究到深入研究的历程，总结了各阶段国内外天然气水合物研究的成果和进展。
从1810年发现天然气水合物以来，世界各地的科学家对气水化合物的类型和物化性质、自然赋存条件和成藏条件、资源评价、勘探开发手段等进行了广泛而卓有成效的研究。
总结世界各国天然气水合物的研究现状并指出了其发展趋势。
研究表明我国的许多海区具有天然气水合物形成的条件，希望2020年能够进行商业开采。
关键词：天然气水合物(gas hydrates)是一种由气体和水形成的冰状白色固态晶体，常在一种特定的高压低温条件下形成并稳定存在，广泛发育在浅海底层沉积物和深海大陆斜坡沉积地层以及极地地区的永久冻土层中。
目前各国科学家对全球天然气水合物的资源量较为一致的评价为2×1016m3，是剩余天然气储量的136倍(1·56×1 014 m3)，如果将此储量折算为地球上的有机碳资源，它将占总资源的一半以上。
1国外天然气水合物的研究现状由于当前化石燃料(包括煤、石油与天然气)，特别是其中的石油和天然气能源的短缺，使人们对天然气水合物这种高效潜在能源格外关注，自20世纪90年代以来，世界各国对潜力巨大的新型能源—天然气水合物的研究做了大量投入，已经取得了重大进展。
1995年，美国在海上钻井平台(简称ODP)第164航次中，率先在布莱克海脊布设了3口勘探井，首次有计划地取得了天然气水合物样品。
美国参议院委员会在1998年5月一致通过1418号议案—“天然气水合物研究与资源开发计划”。
把天然气水合物资源作为国家发展的战略能源列入长远计划，决定批准用于天然气水合物资源研究开发的每年投入为2 000万美元，计划到2015年实现商业性开采。
2002年4月，在圣彼德堡召开的国际海洋矿产会议上，美国地质调查局的W·J·Wintres展示的天然气水合物和沉积物检验实验室装置(简称GHASTLI)代表了当前天然气水合物模拟实验的最高水平，正在进行的是自然界和实验室形成的天然气水合物-沉积物的物理性质的研究。
国内天然气水合物相平衡研究进展
国内天然气水合物相平衡研究进展摘要：分析了目前国内天然气水合物相平衡领域的五大主要研究热点，认为含醇类和电解质体系中天然气水合物的相平衡是研究中最活跃的领域，而多孔介质中天然气水合物的相平衡研究是未来天然气水合物相平衡研究的热点和难点问题。
关键词：天然气；水合物；相平衡；替代能源Review of the Phase Equlibria on The Natura1 Gas Hydrate athomeAbstract: According to the literature investigation at home，the five main researeh hot spots for the phase equllibria are analysed.The phase equilibria in aqueous solutions containing electrolytes and/or alcohol is the most active in all the research fields.While the Phase equilibria in natura1 Porous media is one of the essential hot spots and difficult problems during the phase equllibria researeh in future.Key words: natural gas；hydrate；phase equilibria ；alternative energy1、前言天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越等特点，是21世纪继常规石油和天然气能源之后最具开发潜力的清洁能源，在未来能源结构中具有重要的战略地位。
由于天然气水合物处于亚稳定状态，其相态转换的临界温度、压力和天然气水合物的组分直接制约着天然气水合物形成的最大深度和矿层厚度。
天然气水合物形成条件与成藏过程——理论、实验与模拟
三轴压缩与干湿循环作用下灰岩的力学试验研究
试验设备使用的是由美国 MTS 公司生产的三轴伺服刚性试验机 MTS815, 专门适用于岩石和混凝 土, 它具有 3 套独立的闭环伺服控制功能, 分别是轴压、围压和孔隙水压。可开展单轴与三轴压缩试验、 流变试验、流—固耦合试验等, 能实现最大轴向压力(拉力)4 600 kN(2 300 kN), 最大动态围压 140 MPa 和最大孔隙水压 140 MPa。
南京地铁 6 号线万寿村站至燕尧路站区间深部主要为灰岩, 盾构隧洞贯通后, 深部岩体对隧洞维护 起至关重要的作用, 据此, 本文通过该地铁深部灰岩在干湿循环后的常规三轴试验, 研究了灰岩在不同 干湿循环次数与不同围压条件下的强度与变形特征, 为该地铁深部稳定性提供理论指导。
1 干湿循环试验设计
1.1 试样准备
1.3 干湿循环三轴压缩试验方案
根据国家标准[25], 本文试件干湿循环方法为: (1) 将标准岩样放入 105 ℃烘箱中干燥 24 h, 待其冷 却至室温后取出; (2) 再放入容器中自由吸水 24 h, 水为纯净水, 中性。上述两步为 1 次干湿循环, 本文 设定干湿循环次数有 0、1、5、10 次。
通信作者: 常乐, 1120361969@。收稿日期: 2020–07–22
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湖南文理学院学报(自然科学版)
2021 年
number of wet and dry cycles, the inclination of the shear fracture surface gradually increases, and the shear failure becomes more obvious. Keywords: rock mechanics; triaxial compression; wetting-drying cycle; failure mode; peak strength
天然气水合物研究的现状与发展前景
天然气水合物研究的现状与发展前景天然气水合物是一种新的天然气储藏形式，其在低温高压条件下，天然气和冰形成的固态混合物。
据统计，全球约有70%的天然气存在于水合物中，其储量远大于普通天然气。
因此，天然气水合物的研究与开发一直备受关注。
本文将就天然气水合物的研究现状和发展前景进行探讨。
一、研究现状目前，天然气水合物的研究已有很大的进展。
从1969年日本首次发现天然气水合物以来，到现在全球已有多个国家和地区参与了相关研究。
这些国家包括俄罗斯、美国、加拿大、挪威、日本、韩国等。
这些国家的研究涉及了天然气水合物的基本特性、地质分布、形成机制、采集与利用等方面。
1.基本特性天然气水合物的基本特性包括化学组成、晶体结构、物理性质等。
研究表明，天然气水合物的主要化学成分是甲烷，还可能含有一些其他气体分子，如乙烷、丙烷、氮气、二氧化碳等。
晶体结构方面，天然气水合物通常呈现出多晶、单晶或腔体晶体结构。
物理性质方面，天然气水合物的稳定条件是低温高压，其保持固态状态的温度和压力取决于化学成分和晶体结构。
2.地质分布天然气水合物主要分布在世界的海洋沉积物、沉积岩等区域。
其中，在北极地区、日本海、南海等区域，天然气水合物的分布较为集中。
此外，在陆地上也有少量天然气水合物存在，如中国青海湖地区、加拿大麦肯齐河流域等。
3.形成机制天然气水合物的形成是多种环节相互作用的结果。
主要包括天然气源、低温高压条件、水分子等因素。
研究表明，在构造活跃的地震带、断层带以及海底渗漏区，天然气可以通过多种途径注入到水体中。
然后，由于低温高压等条件，水分子形成的冰晶网络能够促进天然气分子的聚集形成天然气水合物。
4.采集与利用天然气水合物的采集与利用一直是一个难题。
由于天然气水合物稳定条件苛刻，因此采集和储存的难度很大。
目前，全球尚未有天然气水合物开发利用的商业化生产模式。
但是，各国正在积极研发天然气水合物采集、储存、转化等技术，以期为未来能源需求提供新的解决方案。
三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研究
际岩石力学学会(ISRM)试验规程来加工，如图 3 所 示。
Equipment of triaxial compression test
第 28 卷
第1期
于德海，等. 三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研究
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1/MPa
图3 Fig.3
典型的岩石试样 Typical rock specimen
摘要：为了解西安黑河水利工程坝肩绿泥石片岩的力学特性，利用 RMT–150C 岩石力学多功能试验机，分别对 干燥和饱水状态的绿泥石片岩进行三轴压缩试验。基于试验结果，比较试样在不同围压作用下的力学性质，详细 讨论水对试样强度和变形特性的影响规律，重点研究峰值强度、残余强度、软化系数、峰残差、峰残强降率、弹 性模量及变形模量等强度变形指标的围压效应，最后分析三轴压缩状态下岩石的破坏类型及机制。结果表明，绿 泥石片岩属于水敏型岩石，水对各个强度和变形特性的影响是显著的，并随着围压呈一定规律的变化。 关键词：岩石力学；绿泥石片岩；三轴压缩；饱水；力学性质 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)01–0205–07
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岩石力学与工程学报
2009 年
岩石力学性质的试验研究，在三大岩类中，沉积岩 的最多，岩浆岩的次之，变质岩的最少，并且主要 集中在像大理岩这种坚硬的变质岩上，而对于像片 岩这种较软弱的变质岩，由于取样及加工试样的困 难，故研究程度相对薄弱。另外，由于这类岩石成 因复杂，矿物成分多样，亲水性强，水稳定性差， 在雨季极易产生一系列工程地质问题，因而研究水 对该类岩石力学性质的影响，具有十分重要的意义。 黑河水利工程是建国以来西安市兴建的规模 最大、投资最多且关系长远的一项基础设施建设 重点工程。水库建成后，向西安市年供水量可达 3.05×10 m ，年发电量为 5 696.13×10 kW·h，灌 溉农田 37 万亩
天然气水合物的研究与开发的论文
天然气水合物的研究与开发的论文【摘要】人类的生存发展离不开能源。
当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。
几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。
主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。
第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。
实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。
一、天然气水合物是人类未来能源的希望人类的生存发展离不开能源。
当人类学会使用第一个火种时便开始了能源应用的漫长历史。
几千年来，人类所使用的能源已经历了三代，正在向第四代能源时代迈进。
主体能源的更替充分反映出人类社会和经济的进步与发展。
第一代能源为生物质材，以薪柴为代表；第二代能源以煤为代表；第三代能源则是石油、天然气和部分核裂变能源。
实际上，第二代和第三代能源是以化石燃料为主体，第四代能源的构成将可能是核聚变能、氢能和天然气水合物。
核聚变能主要寄希望于3he，它的资源量虽然在地球上有限（10~15t），但在月球的月壤中却极为丰富（100-500万t）。
氢能是清洁、高效的理想能源，燃烧耐仅产生水（h2o），并可再生，氢能主要的载体是水，水体占据着地球表面的2/3以上，蕴藏量大。
天然气水合物的主要成分是甲烷（c4h）和水，甲烷气燃烧十分干净，为清洁的绿色能源，其资源量特别巨大，开发技术较为现实，有可能成为21世纪的主体能源，是人类第四代能撅的最佳候选。
天然气水合物（gas hydrate）是一种白色固体结晶物质，外形像冰，有极强的燃烧力，可作为上等能源，俗称为”可燃冰”。
天然气水合物由水分子和燃气分子构戚，外层是水分子格架，核心是燃气分子（图1）。
燃气分子可以是低烃分子、二氧化碳或硫化氢，但绝大多数是低烃类的甲烷分子（c4h），所以天然气水合物往往称之为甲烷水合物（methane hydrate）。
冻土带天然气水合物电磁法试验研究
冻土带天然气水合物电磁法试验研究一、为啥要研究青藏高原冻土带天然气水合物。
咱都知道，能源对咱的生活那是相当重要啊。
天然气就是一种特别有用的能源，而天然气水合物就像是一个巨大的“能源宝藏”。
青藏高原的冻土带下面，就可能藏着很多天然气水合物呢。
要是能把这些找出来，合理利用，那就能给咱提供好多能源啦。
比如说，家里做饭用的天然气，汽车用的天然气燃料等等，都可能会有更充足的供应。
所以呀，研究青藏高原冻土带天然气水合物那是很有意义的事儿。
二、啥是电磁法。
电磁法就像是给地下做一个“透视”。
想象一下，你有一个特殊的仪器，它能发出一些电磁波，这些波就像小侦探一样，钻进地下。
当遇到不同的东西，比如岩石、水或者天然气水合物的时候，它们的反应是不一样的。
就好比你用手摸不同的东西，感觉不一样。
然后仪器再把这些反应收集回来，通过分析，我们就能大概知道地下都藏了些啥啦。
比如说，在找金属矿的时候，电磁法就能帮大忙，通过它能找到藏在地下的金属矿石呢。
三、在青藏高原冻土带做电磁法试验的难点。
（一）环境太恶劣。
青藏高原那可是世界屋脊啊，海拔特别高，空气稀薄，人上去都容易喘不过气来。
而且气温特别低，经常是零下好多度，仪器在这种低温环境下，就容易出毛病。
就像咱们的手机，在特别冷的天气里，有时候就会死机或者电量消耗得特别快，仪器也会遇到类似的问题。
（二）地质条件复杂。
青藏高原的冻土带地质情况那叫一个复杂啊。
有的地方冻土硬得像石头，有的地方又比较松软。
而且地下的岩石、冰层什么的，层次交错。
这就好比是走在一个特别不平整的路上，一不小心就容易走错。
电磁法的信号在这种复杂的地质条件下传播，也会受到很多干扰，就不容易准确判断下面有没有天然气水合物啦。
四、具体的试验过程和案例分析。
（一）试验准备。
首先得选好试验的地点，这就像是打仗要选好战场一样重要。
一般会选在那些被认为可能有天然气水合物的地方。
然后要准备好各种仪器设备，并且要对仪器进行调试，确保它们在低温环境下能正常工作。
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天然气水合物岩样三轴力学试验研究 孙晓杰;程远方;李令东;崔青;李清平 【摘 要】Natural gas hydrate is a new energy of clean,efficient and large amount of resources. The re-searches on mechanical properties of hydrate-bearing sediments is closely connected with hydrate drilling, geological hazards and many other aspects. Therefore, the developments of gas hydrate need to know the mechanical properties of the gas hydrate. For this reasons,coated sand in the laboratory was sintered into the test specimen,and then synthetic hydrate-bearing sediments with different saturation were made as the in-situ hydrate. A series of triaxial shear tests were carried out on artificial hydrate bearing sediments with different hydrate saturation and confining pressure. The testing results showed that with the increasing of confining pressure and hydrate saturation, the compressive peak strength was enhanced, and the cohesion also increased,but internal frictional angle and Poisson ratio have no remarkable change. According to the experimental results and Morh-Coulomb Criterion, the semi-empirical mathematical model of the peak strength about different hydrate saturation and confining pressure was established, providing some sup-ports for the selection of strength parameters of hydrate for deep-water hydrate drilling,and for the theo-retical analysis and numerical simulation of laboratory experiments.%天然气水合物是一种洁净、高效、资源量巨大的新型能源,而天然气水合物的力学性质与水合物的钻探、海底地质灾害等密切相关,因此,开发天然气水合物需要了解其力学性质.为此,用覆膜砂烧结成岩样,采用原位合成方式制取不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样,利用自主研制的水合物原位测量系统,在不同围压条件下研究了不同水合物饱和度的水合物沉积物岩样的力学性质.结果表明,水合物沉积物岩样的抗压峰值强度随着围压、水合物饱和度的增大而增大,内聚力随着水合物饱和度的增大而增大,而泊松比、内摩擦角不随水合物饱和度变化.根据库伦-摩尔准则并结合试验结果建立了围压、水合物饱和度与含水合物岩样峰值强度的半经验数学模型,可为深水水合物钻探所涉及的水合物强度参数的选取,以及室内试验的理论分析及数值模拟提供一定的支持.
【期刊名称】《石油钻探技术》 【年(卷),期】2012(040)004 【总页数】6页(P52-57) 【关键词】天然气水合物;原位合成;力学性质;封闭压力;饱和度;数学模型 【作 者】孙晓杰;程远方;李令东;崔青;李清平 【作者单位】天津中油渤星工程科技有限公司,天津300451;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580;中海油研究总院,北京100027
【正文语种】中 文 【中图分类】TU45
1 概 述 大约27%陆地（主要在冻土层）及90%海域都含有天然气水合物［1］。据估计，世界上天然气水合物的总能量约为煤、油、气总和的2～3倍，因此，开发天然气水合物对于缓解油气资源紧张的现状具有重大意义［2－3］，而开发天然气水合物首先需要了解天然气水合物岩样的力学性质。 W.J.Winters等人［4］对水合物沉积物原状样和室内制备样进行了力学性质研究，得到了水合物沉积物的应力－应变关系和强度等力学指标，并通过声波测量和三轴剪切试验，研究了在沉积物的孔隙中充填水合物和冰时的声波特性，以及孔隙度对水合物强度的影响。 M.Hyodo等人［5］对天然气水合物砂样进行了室内三轴试验研究，比较了砂样孔隙中不同水合物饱和度对试验砂样力学性质的影响，绘制了甲烷水合物砂样的力学性质与温度、有效围压和甲烷饱和度的关系图，分析了水合物分解过程中砂样体积应变的变化与有效围压和临界孔隙比的关系。 K.Miyazaki等人［6］研究了不同围压对水合物沉积物力学性质的影响，采用Toyoura砂（平均颗粒直径为230μm）合成水合物岩样，在278K温度和8MPa孔隙压力下采用0.1%／min的应变速率进行了试验，认为水合物沉积物岩样随着围压的增大，塑性增大，强度增大。 中国科学院的鲁晓兵等人［7］利用低温高压三轴试验仪对水合物沉积物进行了力学试验研究，研究对象主要是：实验室内合成的四氢呋喃水合物和用蒙古砂、空心砖作为骨架的水合物沉积物，得到了蒙古砂和空心砖的强度和应力－应变关系，四氢呋喃水合物和骨架填充形成的水合物沉积物的应力－应变曲线、强度以及水合物分解后沉积物的强度。 有关水合物沉积物力学性质研究的文献报道仅限于W.J.Winters、M.Hyodo、K.Miyazaki等人的室内试验研究，而且没有根据试验结果建立水合物力学性质与饱和度等的定量模型。深海水合物地层的力学强度受到弱化后，很容易引起储层的破坏，导致海底滑塌等地质灾害的发生以及生命财产损失［8－9］，所以开展水合物地层力学参数的研究显得非常重要。笔者进行了水合物三轴试验研究，得到水合物沉积物的弹性模量、泊松比、内聚力和内摩擦角等力学参数，并建立了水合物沉积物的抗压峰值强度与饱和度、围压的定量模型。 2 试验设备及试验步骤 在综合参考国内外关于水合物三轴试验装置的基础上［10－13］，自主研制了一套水合物原位测量试验系统。该试验系统主要包括低温冷库系统、天然气水合物低温三轴试验机以及水合物原位合成系统。水合物原位合成系统如图1所示。 图1 水合物原位生成系统Fig.1 Synthetic hydrate for in－situ system 试验采用250～420μm的覆膜砂烧结岩样。250～420μm覆膜砂烧结岩样的制作步骤如下： 1）先用电子天平称量41g覆膜砂，将覆膜砂均匀倒入制样模具中，然后采用三轴试验机的轴压系统给制样模具加压，加压20MPa，加压时间为5min； 2）将压实的模具放入功率为3kW的高温烤箱中加热，温度设定为300℃，加热15min后取出模具； 3）等到模具冷却后，将模具打开，取出烧结好的岩样，岩样尺寸为Φ25mm×50mm。 利用烧结好的岩样进行水合物原位合成，具体合成步骤如下： 1）将覆膜砂烧结的岩心按照需要制取的水合物饱和度加入预定的蒸馏水［14－16］，然后放入冰箱冷冻24h，温度为－20℃； 2）拿出冰冻好的岩样，将岩样用橡胶套包裹好后装入三轴压力釜中，然后同步施加围压跟孔隙气压使围压达到4.5MPa，温度为2℃，孔隙气压达到4MPa，保证围压高于孔压，从而可以保证橡胶套的气密性； 3）采用两端供气，通过气体流量计读出甲烷气体的累积流量，当流量计的读数不再变化时稳定24 h，水合物生成反应完成； 4）水合物生成后，进行三轴试验测试。 甲烷气体与水生成水合物的反应化学方程式为：
式中：n为水合物系数，试验中取5.75。 试验时，根据要制取的水合物饱和度预先加入一定质量的蒸馏水，反应釜温度和压力稳定在水合物反应区，由于气相过量，因此可认为所有注入的水完全反应。根据物质守恒定律，可以获得甲烷水合物的物质的量，然后根据密度求得水合物体积，从而求得水合物的饱和度。 对于不同饱和度的水合物岩样在不同围压下进行三轴试验。水合物岩样原始数据见表1。 表1 水合物岩样原始数据Table 1 Initial data of hydrate－bearing sediments试验组号 岩样编号 直径／mm 高度／mm 质量／g 密度／（kg·L－1） 孔隙度，% 水合物饱和度，% 1 1－1 25 50.20 40.87 1.66 30.64 0 1－2 25 50.00 40.88 1.67 30.37 0 1－3 25 50.5 40.87 1.65 31.06 0 2 2－1 25 49.76 40.98 1.68 30.03 80.71 2－2 25 50.20 41.05 1.67 30.64 80.13 2－3 25 50.32 40.97 1.66 30.81 79.63 3 3－1 25 50.24 40.91 1.66 30.70 60.63 3－2 25 49.44 40.93 1.69 29.58 60.32 3－3 25 49.86 40.92 1.67 30.66 59.70 4 4－1 25 49.38 40.79 1.68 29.99 39.89 4－2 25 50.00 40.91 1.67 30.85 39.49 4－3 25 49.86 40.99 1.68 30.17 40.22 3 试验结果分析 试验时要保证冷库中的温度恒定，并根据水合物的相图［17－18］将冷库中的温度设定在2℃。这样可以消除温度对水合物性质的影响，亦可以消除结冰对水合物的影响。试验的加载方式采用位移控制方式，加载速率为0.3mm／min，结果见