衛(wèi)劍霞

(長治學院沁縣師范分院，山西 長治 046400)

在沉積物中形成天然氣水合物時，不同形成過程，使得水合物將形成不同結(jié)構(gòu)，通過實驗室樣品和有效應(yīng)力條件進行的大量的實驗證明[1]，隨著建筑材料飽和度增加，壓縮速度VP和剪切速度VS都會增加，同時也反映了建筑材料對小應(yīng)變剪切剛度和沉積物體積模量的影響[2]。

在實際環(huán)境中，建筑材料物理力學特性在鉆孔到區(qū)域尺度的水合物沉積物特征中獲得了廣泛的應(yīng)用[3]，鉆孔聲波常用于估算水合物飽和度。垂直房屋承重剖面、海底電纜數(shù)據(jù)以及利用房屋承重屬性，全波形反演和其他分析方法也被用于推斷房屋結(jié)構(gòu)的能力和抗震性。在這些研究中，房屋承重速度作為房屋抗震性函數(shù)的校準，用于基于宏觀尺度的擴展和根據(jù)經(jīng)驗為房屋構(gòu)筑物開發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系[4-5]。

本文曾試圖獲取詳盡的、內(nèi)部一致的研究性實驗室數(shù)據(jù)集，即記錄了一系列不同結(jié)構(gòu)房屋類型、有效應(yīng)力條件和建筑材料飽和度下的小應(yīng)變力學性質(zhì)。這樣的數(shù)據(jù)集是進行適當校準的關(guān)鍵的第一步，而它往往是以較低的頻率和平均長度尺度獲得，而不是實驗?zāi)M的數(shù)據(jù)。

1 基本物理力學實驗

本研究中建造了兩個實驗室樣品，以研究零橫向應(yīng)變條件下的建筑材料(見圖1)。低流體壓力單元在大氣流體壓力下操作，并用于收集復(fù)介電常數(shù)、壓縮性以及數(shù)據(jù)。

圖1 小應(yīng)變機械測量而構(gòu)建的實驗單元

低流體壓力單元和高流體壓力單元的測試順序包括加載到預(yù)定的垂直有效應(yīng)力，冷卻以形成水合物，加熱以解離水合物，然后加載到下一個加載階段，最后階段為對低流體壓力室內(nèi)含水合物的建筑材料試樣進行卸載。在每個階段確定VP和VS的值，以研究和分析其對從原位(現(xiàn)場)條件取回樣品的影響[9-12]。

1.1 無水合物沉積物的可壓縮性

1.2 剪切速度

圖3顯示含水合物樣品的S速度遠高于僅含水作為孔隙填充材料的相同樣品。當Shyd≤0.5時，在所有沉積物中和所有應(yīng)力水平下,VS均小于650 ms-1；在Shyd=1.0的沉積物中，VS達到1 200～2 300 ms-1。由于剪切剛度的增加，S的速度隨著水合物飽和度的增加而增加。對于在Shyd中具有微小增量的砂子中的實驗，剪切剛度的轉(zhuǎn)變發(fā)生在Shyd≈0.4。在Shyd較高時，其中包括Shyd=0.5和1，水合物的存在對剪切剛度具有顯著影響，并且變得比與垂直有效應(yīng)力相關(guān)的硬化效應(yīng)更重要。在高水合物飽和度下，小應(yīng)變剪切剛度對垂直有效應(yīng)力的變化不敏感。事實上，對于Shyd=1.0，變化幾乎為零[16]。

圖2 空隙率與垂直有效應(yīng)力的關(guān)系

沉積物比表面壓縮指數(shù)Cc流體a0% THF100% H2O流體b10% THF90% H2O流體c21% THF79% H2O膨脹指數(shù)Cs流體a0% THF100% H2O流體b10% THF90% H2O流體c21% THF79% H2O砂0.0190.020.030.030.010.010.01粉碎的淤泥0.1130.08-0.120.03-0.03粘土36.50.210.200.200.050.040.02沉淀的淤泥1200.701.401.400.140.120.05

1.3 壓縮速度

水飽和沉積物的壓縮速度由水相的體積模量控制。圖4所示，由于孔隙率降低，Shyd=0的樣品的VP值從脫氣水的速度附近(V=1 480 ms-1)開始，隨著垂直有效應(yīng)力的增加而顯示出輕微的增加，并且在固結(jié)期間增加房屋的剛度。當水合物濃度從0增加到0.5時，VP會有些微增加；當水合物濃度從0.5變?yōu)?時，VP會有明顯的增加。圖4所示的沙子，沉淀淤泥和粘土的結(jié)果與先前報道的數(shù)據(jù)一致。

圖3 各水合物樣等幾方面對數(shù)空間中作為垂直有效應(yīng)力函數(shù)的S速度

圖4 各樣品的對數(shù)線性空間中作為垂直有效應(yīng)力函數(shù)的P速度

2 討論

2.1 小應(yīng)變泊松比

圖5 所有有效應(yīng)力水平下小應(yīng)變泊松比

干沉積物的小應(yīng)變泊松比v非常小(例如在0.05～0.15之間)，因為在顆粒間接觸處局部化變形并且織物保持不變。繪制了在所有有效應(yīng)力水平下，不同結(jié)構(gòu)房屋類型圖例(見圖5)，其顯示了VP和VS數(shù)據(jù)，以及從VP和VS推斷出的Shyd=0(空心符號)，Shyd=0.5(灰色符號)和Shyd=1.0(實心符號)的小應(yīng)變泊松比。疊加曲線對應(yīng)于小應(yīng)變泊松比的不同值。結(jié)果顯示流體控制體積模量的演變，對于經(jīng)受低垂直有效應(yīng)力和缺乏水合物的樣品，v接近0.5；對于高骨架剛度，在增加的垂直應(yīng)力下v接近0.25，特別是當Shyd=1.0時。我們強調(diào)這些結(jié)果是水飽和沉積物的小應(yīng)變泊松比的值，而不是粒狀骨架，并且不應(yīng)該用于分析含水合物沉積物中的大應(yīng)變排水過程。

2.2 材料模型

對于含水合物的沉積物，我們選擇了一個類似于將應(yīng)力依賴的沉積物響應(yīng)與水合物質(zhì)量的剛度結(jié)合起來的數(shù)學模型。

(1)

其中因子θ反映了水合物與顆粒之間的微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系，α和β值是從缺乏水合物的沉積物上進行的測試中提取的。在所有情況下，實驗從溶解相THF形成水合物時θ≤0.15，而對于在不飽和介質(zhì)中存在氣相時形成的水合物，θ應(yīng)該大得多。

圖6—7所示，所有結(jié)構(gòu)房屋的測量速度與估計速度(圖例給出的符號)，水合物飽和度和重直有效應(yīng)力水平。測量的VP不應(yīng)用于確定水飽和含水合物沉積物的VS。Shyd的低值附近的VP中的測量誤差在VS的估計中被放大。相反，測量的VS可以與每種組分的體積模量組合，以基于Biot-Gassmann型配方計算VP。對于骨架相對于礦物顆粒體積模量Bm的低剛度Bsk，VP可寫為：

(2)

其中下標w，min和hyd分別表示含水合物的沉積物、礦物顆粒和水合物；νsk是骨架的小應(yīng)變泊松比，通常為0.1±0.05。

圖6 顯示所有結(jié)構(gòu)房屋的測量速度與估計速度

圖7 水合物飽和度和垂直有效應(yīng)力水平

3 結(jié)語