我实验室窦晓峰博士、刘志超副教授等人在期刊Computers and Geotechnics上发表了题为3D DEM modeling on mechanical weakening of gas hydrate-bearing sandy sediments during hydrate dissociation的文章。

文章内容

1、文章概述

天然气水合物在生产过程中的分解会削弱含水合物沉积物的力学性质。了解和预测含水合物沉积物的力学行为，对天然气水合物的安全高效开发具有重要意义。该研究提出了一种基于离散单元法描述胶结型含水合物砂质沉积物力学劣化的新方法。根据损伤演化规律，通过减小水合物胶结半径来模拟水合物的逐步分解。此外，模型中引入了威布尔统计分布来表征含水合物砂质沉积物中水合物的非均质性。随后，进行了一系列的数值三轴压缩试验，研究了胶结型含水合物砂质沉积物的力学劣化行为以及水合物非均匀分布的力学效应。

图1 减少水合物胶结半径表征砂颗粒之间水合物逐渐分解造成的损伤示意图

2、研究方法

本研究采用商业软件PFC3D（版本6.0）进行三维建模，颗粒间接触采用rrlinear模型，部分颗粒间接触采用linearpbond模型表征水合物的胶结。模型中引入了威布尔统计分布来表征含水合物砂质沉积物中水合物的非均质性。宏观损伤是由细观损伤积累引起，根据不同水合物分解率条件下的室内三轴压缩强度构建宏观损伤因子与水合物分解率函数。假设细观损伤服从相同的函数形式，选取平行胶结半径乘子特征值作为细观损伤因子函数变量，采用数值三轴压缩试验和试错法相结合的方法进行细观参数标定，建立细观损伤因子与水合物分解率之间关系，并以此表征水合物分解导致的力学劣化行为。

图2 建立细观损伤因子与水合物分解率之间函数关系的流程图

3、研究结果

（1）应力应变响应与胶结断裂发展

图3显示了数值模拟中不同水合物分解率下的偏应力和胶结断裂数的演化。一般来说，水合物沉积物的峰值强度随着分解率的增加而减小，而相同应变条件下水合物沉积物中的胶结断裂数量随着分解率的增加而增加。水合物的分解削弱了骨架颗粒之间水合物胶结的承载能力，导致了上述现象。

图3 (a)不同水合物分解率下的偏应力和胶结断裂数的演化

(b)比较不同水合物分解率下的总胶结断裂数、剪切胶结断裂数和拉伸胶结断裂数

（2）变形特征

图4比较了初始未分解、部分分解和完全分解条件下含水合物沉积物的最终三轴压缩变形模式。随着分解率的增加，剪切带不再明显(图4a-e)。对于水合物完全分解的沉积物(图4f)，变形模式呈径向球形膨胀，这与其他分解情况下的变形模式大不相同。这些结果表明，水合物的存在对沉积物的力学变形影响较大，当分解率从0%增加到100%时，含水合物沉积物的变形模式由脆性向韧性转变。

图4 最终三轴压缩变形模式比较。(a)初始未分解 (b)-(e)部分分解 

(f)完全分解的含水合物沉积物(在每个子图中，左侧为颗粒位移向量示意图，右侧为颗粒位移场纵断面)

(g)实验中含与不含天然气水合物的保压取芯样品(Yoneda等，2015年)和(h)含与不含氪气水合物的合成样品

（3）非均质性对力学强度和模量的影响

分别比较了不同非均质指数m (m取值5、10和20。m值越大，水合物样品越均质)的水合物沉积物在不同水合物分解率(0%、20%、40%、60%和80%)下的峰值强度和割线模量。在相同的分解率下，峰值强度和割线模量随m增大而增大。此外，随着分解率的增加，水合物的数量减少，水合物的强度和刚度对沉积物的整体强度和刚度的贡献不再显著。因此，不同m取值下的水合物沉积物的峰值强度和割线模量之间的差异越来越小。换句话说，峰值强度和割线模量对m的敏感度随着分解率的增加而降低。

图5 不同水合物分解率下不同均质指数的含水合物沉积物三轴压缩峰值强度和割线模量的比较

（4）力学强度、初始水合物饱和度与分解率的关系

系统地模拟了不同初始水合物饱和度(15%、20%、30%、37%和50%)的含水合物沉积物在不同分解率(0%、20%、40%、60%、80%和100%)下的三轴力学行为，如图6所示。可以观察到，在相同的分解率下，水合物饱和度越高，气体水合物沉积物的峰值强度越高。峰值强度、水合物饱和度和分解率之间的关系可以用图中拟合方程来描述。

图6 不同初始水合物饱和度和水合物分解率下含水合物沉积物

三轴压缩峰值强度拟合面(红点为模拟结果，灰点为红点在各平面上的投影)

4、结论

1）DEM模型有效地捕捉到了水合物分解过程中胶结型含水合物沉积物力学性能的劣化行为，与实验结果相吻合。

2）胶结型含水合物沉积物在三轴压缩下的胶结断裂发展可分为三个阶段：初始发展阶段、快速发展阶段和稳定阶段。随着水合物分解率的增加，胶结断裂明显发展，胶结型含水合物沉积物的强度降低。

3）随着水合物分解率从0%增加到100%，胶结型含水合物沉积物的变形模式由脆性向韧性转变，剪切带特征不再明显；此外，胶结断裂和旋转颗粒的分布从集中在剪切带内转变为分散在剪切带内外，最大剪胀角呈线性降低。

4）在相同的水合物分解率下，胶结型含水合物沉积物的三轴压缩峰值强度和割线模量随均质性指数的增加而增加，但三轴压缩峰值强度和割线模量对均质性指数的敏感性随水合物分解率的增加而降低。

5）在大量模拟数据的基础上，得到了描述三轴压缩峰值强度、初始水合物饱和度和水合物分解率之间关系的拟合方程。这使得可以在缺少实验数据的情况下预测含水合物沉积物的力学性能。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2022.105116