不同制样方式下含水合物粉细砂静力学特性研究

王兆祥，赵志超，王 栋，孔壮壮，吴 杨

(1. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100; 2. 山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100; 3. 广州大学 土木工程学院，广东 广州 510000)

天然气水合物是水分子和甲烷(CH4)组成的晶体，由于其储量大、分布广、清洁高效，作为一种潜在能源受到了国内外的广泛关注[1]。天然气水合物广泛赋存于海底沉积层，目前只有日本和中国完成了小规模海域试采。水合物的降压或加热开采都是将固态水合物分解为气体和水，水合物储层强度随之降低，可能诱发海底滑坡或过大沉降。评估这些地质灾害的触发机制与危害程度，需要对含水合物土的抗剪特性进行土工试验研究[2-4]，探索海底水合物沉积物在不同赋存环境中力学性质的差异。

近二十年来国内外的室内试验研究主要借助高压低温三轴仪，试验表明水合物的含量和赋存形态显著影响沉积物的强度和变形性质[5]。早期很多研究者使用四氢呋喃代替甲烷，但制备的含水合物土的性质与天然储层差别较大[6]。近年的三轴试验多采用甲烷水合物，比较不同温度、压力以及饱和度等条件下含水合物土的抗剪特性[7-8]。试验发现制样方式(水合物合成方法)显著影响水合物的赋存形态，进而导致含水合物土的强度和剪胀性表现出不同的趋势[9]。常用的含水合物土三轴制样方法包括：1)混合法。将人工合成的水合物晶体和土按预定的体积比混合，在模具内压制成样[7]。混合法成样快、操作简单、水合物分布均匀，但不能模拟天然水合物的形成过程。2)气饱和法。规定土的初始含水率，然后在高压低温条件下向土内持续通气，预先加入的水用于形成水合物，最终土体孔隙会充满水合物和气体[8-9]。气饱和法的缺点是合成时间长、可控饱和度较低(小于50%)，但能较好模拟水合物在富气环境中的形成过程。3)水饱和法。在气饱和法的基础上，通过反压泵注水缓慢驱赶出试样内的游离气，试样孔隙最终被水合物和水填充[10-12]。水饱和法步骤繁琐，但可以再现海域储层的饱和状态[13]。混合法制备的固态水合物主要以填充或承重形式存在于土孔隙中。而气饱和与水饱和法得到的水合物主要以胶结方式连接土颗粒[6]，赋存形式接近胶结水合物沉积层的真实情况。Hyodo等[10]利用Toyoura砂初步探索了制样方法的影响，但仅进行了饱和度约为40%的6个三轴试验，发现气饱和试样的偏应力普遍大于水饱和试样，剪胀性也更显著。

针对含甲烷水合物粉细砂，采用水饱和法制备试样，再现海域储层的饱和状态；同时平行制备气饱和试样，探讨制样方法、水合物饱和度与围压水平等因素对水合物试样强度和变形的耦合影响，并分析胶结作用对粉细砂力学性质的改变。

1 试验安排

1.1 试验材料与试验设备

由于我国南海水合物粉细砂储层的颗粒级配尚未有公开报道，因而采用福建建材标准砂制备三轴样，但筛除直径大于0.5 mm的颗粒。如图1所示，得到的粉细砂和日本南海海槽水合物开采区的粒径级配接近[14]，后者粉粒含量更高。试验粉细砂的最小孔隙比emin=0.59，最大孔隙比emax=0.91,D50=0.16 mm,注入粉细砂的甲烷气纯度为99.99%。

图1 砂土粒径级配曲线Fig. 1 Sand grading curves

水合物的合成与剪切均在高压低温三轴仪内完成。三轴仪主要由围压系统、轴向加载系统、温度控制系统、气体注入排出系统及数据采集系统组成。最高围压为32 MPa，控制精度为0.01 MPa。压力仓内置连接温控箱的管路，用于循环降温，压力仓内温度传感器精度为0.1°C。循环降温的冷媒和压力仓的围压液均采用低黏度硅油，以保证设备在低温环境下正常运行。高压甲烷气经过减压阀形成稳定气压，注入粉细砂中合成水合物。试验结束后利用流量计量测分解的气体，测量精度为0.1 ml。

1.2 试验步骤

分别采用气饱和法与水饱和法制备试样。气饱和法的具体操作步骤如下：1)按照要求的水合物饱和度称取一定质量的蒸馏水，用喷雾器将水均匀喷洒到砂的表面，并充分搅拌混合。2)将厚度0.5 mm的加厚橡皮膜套入制样器，抽真空以保证橡皮膜紧贴制样器内壁。将湿润的砂土装入制样器，分10层击实，尽量保证试样均匀。装样后试样直径为50 mm，高度为100 mm。3)将试样固定在底座，向压力仓内泵入围压油并密封。缓慢施加0.2 MPa的围压，使试样保持直立。4)甲烷气瓶调至一定的压力，通半小时，置换试样内的空气。5)继续缓慢注入甲烷气，通气过程中保持围压与气压的压差为0.5 MPa左右，最终围压和气压分别稳定在4.5 MPa和4.0 MPa。6)开启温控，规定所有试验围压仓内的温度为1°C。保持24～36 h，反应生成水合物。水饱和法是在上述步骤的基础上，继续使用反压泵通蒸馏水，替换土体孔隙内的游离甲烷气。两种方法制样完毕后，进行固结。然后以0.5 mm/min的速率进行三轴压缩排水试验。在剪切过程中，反压泵始终与试样连接，以维持稳定的反压。共完成14个试验，具体参数如表1所示。

表1 试验参数Tab. 1 Experimental scheme

1.3 试样饱和度的计算

气饱和试样剪切完成后，收集并量测水合物分解产生的气体和孔隙游离气体。假定总的气体物质的量为n，其中水合物分解产生的物质的量为n1，游离气物质的量为n2：

(2)

式中：水合物饱和度Sh为水合物体积占孔隙体积百分比；V为固结后试样的孔隙体积；甲烷水合物的分子式为CH4·5.75H2O[13]；a为甲烷水合物分子的摩尔质量，取119.5 g/mol；ρ为甲烷水合物的密度，取910 kg/m3；p为试样的孔隙气压；R为理想气体常数8.314 J·mol-1·K-1；T为绝对温度；V1为制样时加入水的体积；V2为剪切过程中试样的体积变化。合成1体积的水合物需要0.87体积的水[14]，结合式(1)和(2)得到:

(3)

以往的试验表明气饱和法难以合成Sh>50%的高饱和度试样，可能是因为颗粒表面生成的水合物阻碍了内部水分与甲烷气体的充分接触[15]。

水饱和法试样中不包含气体，饱和度Sh为水合物体积V3和固结后试样的孔隙体积V之比，其中水合物的体积V3为：

(4)

式中：n3为甲烷水合物分子物质的量。由于甲烷在水中的溶解度很低，忽略收集气体时孔隙水释放的溶解气体，认为甲烷气完全由水合物分解产生。

2 试验结果及讨论

2.1 制样方法的比较

对于气饱和与水饱和试样，以围压为3 MPa的三轴试验为例：图2(a)显示水饱和试样均在轴向应变5%左右出现偏应力峰值，之后逐渐软化；对于气饱和试样，低饱和度(Sh=18.1%)时偏应力q随轴向应变εa增加直至达到稳定值，而高饱和度(Sh=38.0%)试样的偏应力先快速增加，然后缓慢增加。Hyodo等[10]仅进行了高饱和度(Sh=40.7%)试验，发现水饱和试样软化后的稳态偏应力比气饱和试样低30%左右，这与图2的趋势接近。造成这一差异的原因可能是通水驱气过程中，部分胶结水合物的破坏，改变了孔隙中水合物的赋存形态，使其由胶结态转变成填充态，水合物能够发挥的强度降低。在低饱和度条件下，两种制样方法得到的q-εa曲线差别不大。图2(b)中不同Sh的水饱和试样均先剪缩后剪胀，而两个气饱和试样在轴向应变达到17%之前始终保持剪缩。综合图2，在相近饱和度下，气饱和与水饱和试样的峰值偏应力相差不大，但体应变性质截然不同。这可能是因为气饱和试样在剪切过程中排出部分气体，抵消了土骨架的剪胀。

与气饱和法相比，水饱和法试样更接近深海水合物储层情况。后面的讨论将针对水饱和试样。

图2 两种试样的偏应力和体应变随轴向应变变化Fig. 2 The variation curves of deviatoric stress and volumetric strain with axial strain of different sampling methods

图3 围压1 MPa下偏应力和体应变随轴向应变变化Fig. 3 The deviatoric stress and volumetric strain versus axial strain under confining pressure of 1 MPa

2.2 围压及饱和度条件的变化

围压和饱和度是影响含水合物土力学性质的两个主要控制性因素[10]。图3和4为不同饱和度试样的剪切曲线。偏应力随饱和度增大，并且Sh越高，偏应力峰值出现的越早。围压1 MPa的高饱和度(Sh=39.0%)试样，偏应力峰值达到纯砂的2.5倍，围压3 MPa时达到了1.6倍。除围压3 MPa的纯砂，试样体变均表现为先剪缩后剪胀。同一围压条件下，剪胀性随Sh增大而增大。

水合物含量越高，对试样强度的提高越明显。水合物胶结土颗粒，阻碍颗粒移动，提供了更强的抗剪力， 剪切后期水合物的胶结作用被破坏，转而以填充态赋存在颗粒之间的孔隙中，仍能发挥固体颗粒的作用，这也解释了图3和图4中水合物试样的稳态偏应力仍高于纯砂的原因。

图4 围压3 MPa下偏应力和体应变随轴向应变变化Fig. 4 The deviatoric stress and volumetric strain versus axial strain under confining pressure of 3 MPa

高饱和度试样更容易发生剪胀，Hyodo等[10]的三轴试验也观察到相同的规律。这也是由于水合物大部分填充在试样孔隙中，高饱和度意味着孔隙被水合物填充得更密实，因而表现出类似密砂的性质。相近饱和度条件下，峰值和稳态偏应力都随围压增高。如图5(a)和图6(a)所示，当围压由1 MPa提高到2 MPa时，峰值偏应力均提高了50%以上。观察图5(b)和图6(b)发现，与纯砂类似，相近饱和度试样的剪胀程度随围压的增大而减小，陈合龙等[9]的二氧化碳水合物试验中也观察到相同的现象。

图5 低饱和度试样不同围压水平的偏应力和体应变随轴向应变变化Fig. 5 Variations in the deviatoric stress and volumetric strain with the axial strain under different confining pressures

图6 高饱和度试样不同围压水平的偏应力和体应变随轴向应变变化Fig. 6 Variations in the deviatoric stress and volumetric strain with the axial strain under different confining pressures

排水条件下水合物砂的稳态偏应力由摩擦力和黏聚力两部分提供。按照摩尔-库仑强度准则对数据进行整理，得到稳态时的黏聚力及内摩擦角如图7所示。高饱和度比低饱和度时的黏聚力增长了约70%，内摩擦角略有增高但不显著，稳态内摩擦角与纯砂接近。试样的黏聚力是水合物的胶结作用造成的。土颗粒之间形成牢固的胶结态水合物，在剪切过程中束缚了颗粒的移动。Kajiyama等[15]利用显微镜观察到了含水合物土的微观胶结，陈合龙等[9]的二氧化碳水合物试样也呈现出高黏聚力特征。水合物饱和度越高，颗粒胶结越充分，表现出的黏聚力越大。这表明水合物的胶结作用更多体现为对黏聚力的影响。

图7 不同饱和度条件的摩尔圆Fig. 7 Mohr circles with different saturations

3 结 语

在高压低温三轴仪中，采用气饱和法与水饱和法合成甲烷水合物，在1～3 MPa的围压条件下，制备饱和度约为0、20%和40%的试样，进行三轴压缩试验。比较了不同制样方法对甲烷水合物强度和体变特性的影响，总结了水饱和试样力学性质的变化规律。主要结论如下：

1) 随着水合物饱和度的提高，制样方式对试样偏应力的影响变大，水饱和试样的剪胀更显著；

2) 峰值偏应力随围压和饱和度增大，低围压或高饱和度试样更易剪胀；

3) 饱和度的提高使试样的黏聚力增大，对内摩擦角的影响不明显。