The effect of particle size and hydrate status on dynamic mechanical 

properties of hydrate- bearing sediments

胡维

论文期刊：Energy Science & Engineering

论文链接：https://doi.org/10.1002/ese3.1011

文章内容：

1、文章背景：

在天然气水合物开发过程中，天然气水合物储集层的动态力学性质对钻井安全和储集层稳定起着至关重要的作用。然而，储集层骨架粒径和水合物状态对含水合物沉积物动态力学性质的综合影响却鲜有报道。在本研究中，模拟了三种不同粒径的砂质沉积物。利用改造后的共振柱试验系统合成了含水合物沉积物试样，并测试了不同围压和剪应变条件下试样动态力学响应。此外，还对不含水合物纯砂试样和水合物分解后试样的动态力学特性进行了综合研究，进一步论证了水合物状态和骨架粒径对含水合物沉积物动态力学性能的主导作用。

图1 自制共振柱系统示意图：(1)冰箱；(2)冷却介质；(3)电子示波器；(4)信号发生器；(5)功率放大器；(6)输出信号；(7)输入信号；(8)信号采集和显示系统；(9)线圈；(10)加速度计；(11)磁体；(12)样品；(13)围压入口；(14)孔压入口；(15)气源

2、主要内容精简：

经过一系列试验，得到以下结论。

（1）含水合物沉积物的剪切模量随围压的增大而增大。然而，阻尼比却呈现出相反的趋势。此外，含水合物沉积物的阻尼比随着剪应变的增大而增大，相应的剪切模量也随之减小。

图2 剪切模量随剪切应变的变化:(A) - (C)剪切模量在不同沉积物粒径下的变化；

(D) - (F)无水合物试样、含水合物试样和水合物分解试样的剪切模量

（2）水合物分解样品的剪切模量值相对弱于不含水合物纯砂试样，这表明水合物分解过程会削弱沉积物力学特性。

图3 所有试样的阻尼比与剪应变的关系：(A)-(C)不同沉积物粒度下的阻尼比；

(D)-(F)不含水合物、含水合物和水合物分解试样的阻尼比

（3）孔隙水含量高是水合物分解试样阻尼率高的主要原因。孔隙水含量越大，波传播过程所消耗的能量越大，从而产生较大的阻尼比。

图4 剪切模量衰减曲线

（4）粒径大小对含水合物沉积物的动态力学性能有显著影响。粒径越大，含水合物沉积物的动力学性能越好。此外，与中、粗骨架试样相比，水合物对提高细骨架试样的剪切模数有更明显的作用。因此，水合物可以减小粒径对含水合物沉积物动态力学性能的影响。然而，当水合物分解后，粒径再次成为影响试样动力学性能主导因素。

图5不同粒径试样示意图：(A) HB3；(B) HB2；(C) HB1；

(D)中值粒径与剪切模数的拟合曲线；(E)中值粒径与阻尼比的拟合曲线。

（5）通过不同粒径动力学特性研究，获取中值粒径对含水合物沉积物动力学参数的影响，并且量化了它们之间关系。以下分别是它们的关系式：

    （a）动剪切模量随着骨架的中值粒径呈线性上升并存在以下关系:

    （b）动阻尼比随着骨架的中值粒径呈指数下降并存在以下关系:

我们的研究结果可以针对不同骨架粒径水合物储层的动力参数的预测和评价具有一定的参考意义。

图6本研究动态参数演化示意图