王兆祥，趙志超，王 棟，孔壯壯，吳 楊

(1. 中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100; 2. 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100; 3. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510000)

天然氣水合物是水分子和甲烷(CH4)組成的晶體，由于其儲(chǔ)量大、分布廣、清潔高效，作為一種潛在能源受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。天然氣水合物廣泛賦存于海底沉積層，目前只有日本和中國完成了小規(guī)模海域試采。水合物的降壓或加熱開采都是將固態(tài)水合物分解為氣體和水，水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度隨之降低，可能誘發(fā)海底滑坡或過大沉降。評(píng)估這些地質(zhì)災(zāi)害的觸發(fā)機(jī)制與危害程度，需要對(duì)含水合物土的抗剪特性進(jìn)行土工試驗(yàn)研究[2-4]，探索海底水合物沉積物在不同賦存環(huán)境中力學(xué)性質(zhì)的差異。

近二十年來國內(nèi)外的室內(nèi)試驗(yàn)研究主要借助高壓低溫三軸儀，試驗(yàn)表明水合物的含量和賦存形態(tài)顯著影響沉積物的強(qiáng)度和變形性質(zhì)[5]。早期很多研究者使用四氫呋喃代替甲烷，但制備的含水合物土的性質(zhì)與天然儲(chǔ)層差別較大[6]。近年的三軸試驗(yàn)多采用甲烷水合物，比較不同溫度、壓力以及飽和度等條件下含水合物土的抗剪特性[7-8]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)制樣方式(水合物合成方法)顯著影響水合物的賦存形態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致含水合物土的強(qiáng)度和剪脹性表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)[9]。常用的含水合物土三軸制樣方法包括：1)混合法。將人工合成的水合物晶體和土按預(yù)定的體積比混合，在模具內(nèi)壓制成樣[7]?；旌戏ǔ蓸涌?、操作簡單、水合物分布均勻，但不能模擬天然水合物的形成過程。2)氣飽和法。規(guī)定土的初始含水率，然后在高壓低溫條件下向土內(nèi)持續(xù)通氣，預(yù)先加入的水用于形成水合物，最終土體孔隙會(huì)充滿水合物和氣體[8-9]。氣飽和法的缺點(diǎn)是合成時(shí)間長、可控飽和度較低(小于50%)，但能較好模擬水合物在富氣環(huán)境中的形成過程。3)水飽和法。在氣飽和法的基礎(chǔ)上，通過反壓泵注水緩慢驅(qū)趕出試樣內(nèi)的游離氣，試樣孔隙最終被水合物和水填充[10-12]。水飽和法步驟繁瑣，但可以再現(xiàn)海域儲(chǔ)層的飽和狀態(tài)[13]?；旌戏ㄖ苽涞墓虘B(tài)水合物主要以填充或承重形式存在于土孔隙中。而氣飽和與水飽和法得到的水合物主要以膠結(jié)方式連接土顆粒[6]，賦存形式接近膠結(jié)水合物沉積層的真實(shí)情況。Hyodo等[10]利用Toyoura砂初步探索了制樣方法的影響，但僅進(jìn)行了飽和度約為40%的6個(gè)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣飽和試樣的偏應(yīng)力普遍大于水飽和試樣，剪脹性也更顯著。

針對(duì)含甲烷水合物粉細(xì)砂，采用水飽和法制備試樣，再現(xiàn)海域儲(chǔ)層的飽和狀態(tài)；同時(shí)平行制備氣飽和試樣，探討制樣方法、水合物飽和度與圍壓水平等因素對(duì)水合物試樣強(qiáng)度和變形的耦合影響，并分析膠結(jié)作用對(duì)粉細(xì)砂力學(xué)性質(zhì)的改變。

1 試驗(yàn)安排

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

由于我國南海水合物粉細(xì)砂儲(chǔ)層的顆粒級(jí)配尚未有公開報(bào)道，因而采用福建建材標(biāo)準(zhǔn)砂制備三軸樣，但篩除直徑大于0.5 mm的顆粒。如圖1所示，得到的粉細(xì)砂和日本南海海槽水合物開采區(qū)的粒徑級(jí)配接近[14]，后者粉粒含量更高。試驗(yàn)粉細(xì)砂的最小孔隙比emin=0.59，最大孔隙比emax=0.91,D50=0.16 mm,注入粉細(xì)砂的甲烷氣純度為99.99%。

圖1 砂土粒徑級(jí)配曲線Fig. 1 Sand grading curves

水合物的合成與剪切均在高壓低溫三軸儀內(nèi)完成。三軸儀主要由圍壓系統(tǒng)、軸向加載系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、氣體注入排出系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。最高圍壓為32 MPa，控制精度為0.01 MPa。壓力倉內(nèi)置連接溫控箱的管路，用于循環(huán)降溫，壓力倉內(nèi)溫度傳感器精度為0.1°C。循環(huán)降溫的冷媒和壓力倉的圍壓液均采用低黏度硅油，以保證設(shè)備在低溫環(huán)境下正常運(yùn)行。高壓甲烷氣經(jīng)過減壓閥形成穩(wěn)定氣壓，注入粉細(xì)砂中合成水合物。試驗(yàn)結(jié)束后利用流量計(jì)量測分解的氣體，測量精度為0.1 ml。

1.2 試驗(yàn)步驟

分別采用氣飽和法與水飽和法制備試樣。氣飽和法的具體操作步驟如下：1)按照要求的水合物飽和度稱取一定質(zhì)量的蒸餾水，用噴霧器將水均勻噴灑到砂的表面，并充分?jǐn)嚢杌旌稀?)將厚度0.5 mm的加厚橡皮膜套入制樣器，抽真空以保證橡皮膜緊貼制樣器內(nèi)壁。將濕潤的砂土裝入制樣器，分10層擊實(shí)，盡量保證試樣均勻。裝樣后試樣直徑為50 mm，高度為100 mm。3)將試樣固定在底座，向壓力倉內(nèi)泵入圍壓油并密封。緩慢施加0.2 MPa的圍壓，使試樣保持直立。4)甲烷氣瓶調(diào)至一定的壓力，通半小時(shí)，置換試樣內(nèi)的空氣。5)繼續(xù)緩慢注入甲烷氣，通氣過程中保持圍壓與氣壓的壓差為0.5 MPa左右，最終圍壓和氣壓分別穩(wěn)定在4.5 MPa和4.0 MPa。6)開啟溫控，規(guī)定所有試驗(yàn)圍壓倉內(nèi)的溫度為1°C。保持24～36 h，反應(yīng)生成水合物。水飽和法是在上述步驟的基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用反壓泵通蒸餾水，替換土體孔隙內(nèi)的游離甲烷氣。兩種方法制樣完畢后，進(jìn)行固結(jié)。然后以0.5 mm/min的速率進(jìn)行三軸壓縮排水試驗(yàn)。在剪切過程中，反壓泵始終與試樣連接，以維持穩(wěn)定的反壓。共完成14個(gè)試驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Tab. 1 Experimental scheme

1.3 試樣飽和度的計(jì)算

氣飽和試樣剪切完成后，收集并量測水合物分解產(chǎn)生的氣體和孔隙游離氣體。假定總的氣體物質(zhì)的量為n，其中水合物分解產(chǎn)生的物質(zhì)的量為n1，游離氣物質(zhì)的量為n2：

(2)

式中：水合物飽和度Sh為水合物體積占孔隙體積百分比；V為固結(jié)后試樣的孔隙體積；甲烷水合物的分子式為CH4·5.75H2O[13]；a為甲烷水合物分子的摩爾質(zhì)量，取119.5 g/mol；ρ為甲烷水合物的密度，取910 kg/m3；p為試樣的孔隙氣壓；R為理想氣體常數(shù)8.314 J·mol-1·K-1；T為絕對(duì)溫度；V1為制樣時(shí)加入水的體積；V2為剪切過程中試樣的體積變化。合成1體積的水合物需要0.87體積的水[14]，結(jié)合式(1)和(2)得到:

(3)

以往的試驗(yàn)表明氣飽和法難以合成Sh>50%的高飽和度試樣，可能是因?yàn)轭w粒表面生成的水合物阻礙了內(nèi)部水分與甲烷氣體的充分接觸[15]。

水飽和法試樣中不包含氣體，飽和度Sh為水合物體積V3和固結(jié)后試樣的孔隙體積V之比，其中水合物的體積V3為：

(4)

式中：n3為甲烷水合物分子物質(zhì)的量。由于甲烷在水中的溶解度很低，忽略收集氣體時(shí)孔隙水釋放的溶解氣體，認(rèn)為甲烷氣完全由水合物分解產(chǎn)生。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 制樣方法的比較

對(duì)于氣飽和與水飽和試樣，以圍壓為3 MPa的三軸試驗(yàn)為例：圖2(a)顯示水飽和試樣均在軸向應(yīng)變5%左右出現(xiàn)偏應(yīng)力峰值，之后逐漸軟化；對(duì)于氣飽和試樣，低飽和度(Sh=18.1%)時(shí)偏應(yīng)力q隨軸向應(yīng)變?chǔ)臿增加直至達(dá)到穩(wěn)定值，而高飽和度(Sh=38.0%)試樣的偏應(yīng)力先快速增加，然后緩慢增加。Hyodo等[10]僅進(jìn)行了高飽和度(Sh=40.7%)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水飽和試樣軟化后的穩(wěn)態(tài)偏應(yīng)力比氣飽和試樣低30%左右，這與圖2的趨勢(shì)接近。造成這一差異的原因可能是通水驅(qū)氣過程中，部分膠結(jié)水合物的破壞，改變了孔隙中水合物的賦存形態(tài)，使其由膠結(jié)態(tài)轉(zhuǎn)變成填充態(tài)，水合物能夠發(fā)揮的強(qiáng)度降低。在低飽和度條件下，兩種制樣方法得到的q-εa曲線差別不大。圖2(b)中不同Sh的水飽和試樣均先剪縮后剪脹，而兩個(gè)氣飽和試樣在軸向應(yīng)變達(dá)到17%之前始終保持剪縮。綜合圖2，在相近飽和度下，氣飽和與水飽和試樣的峰值偏應(yīng)力相差不大，但體應(yīng)變性質(zhì)截然不同。這可能是因?yàn)闅怙柡驮嚇釉诩羟羞^程中排出部分氣體，抵消了土骨架的剪脹。

與氣飽和法相比，水飽和法試樣更接近深海水合物儲(chǔ)層情況。后面的討論將針對(duì)水飽和試樣。

圖2 兩種試樣的偏應(yīng)力和體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變變化Fig. 2 The variation curves of deviatoric stress and volumetric strain with axial strain of different sampling methods

圖3 圍壓1 MPa下偏應(yīng)力和體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變變化Fig. 3 The deviatoric stress and volumetric strain versus axial strain under confining pressure of 1 MPa

2.2 圍壓及飽和度條件的變化

圍壓和飽和度是影響含水合物土力學(xué)性質(zhì)的兩個(gè)主要控制性因素[10]。圖3和4為不同飽和度試樣的剪切曲線。偏應(yīng)力隨飽和度增大，并且Sh越高，偏應(yīng)力峰值出現(xiàn)的越早。圍壓1 MPa的高飽和度(Sh=39.0%)試樣，偏應(yīng)力峰值達(dá)到純砂的2.5倍，圍壓3 MPa時(shí)達(dá)到了1.6倍。除圍壓3 MPa的純砂，試樣體變均表現(xiàn)為先剪縮后剪脹。同一圍壓條件下，剪脹性隨Sh增大而增大。

水合物含量越高，對(duì)試樣強(qiáng)度的提高越明顯。水合物膠結(jié)土顆粒，阻礙顆粒移動(dòng)，提供了更強(qiáng)的抗剪力， 剪切后期水合物的膠結(jié)作用被破壞，轉(zhuǎn)而以填充態(tài)賦存在顆粒之間的孔隙中，仍能發(fā)揮固體顆粒的作用，這也解釋了圖3和圖4中水合物試樣的穩(wěn)態(tài)偏應(yīng)力仍高于純砂的原因。

圖4 圍壓3 MPa下偏應(yīng)力和體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變變化Fig. 4 The deviatoric stress and volumetric strain versus axial strain under confining pressure of 3 MPa

高飽和度試樣更容易發(fā)生剪脹，Hyodo等[10]的三軸試驗(yàn)也觀察到相同的規(guī)律。這也是由于水合物大部分填充在試樣孔隙中，高飽和度意味著孔隙被水合物填充得更密實(shí)，因而表現(xiàn)出類似密砂的性質(zhì)。相近飽和度條件下，峰值和穩(wěn)態(tài)偏應(yīng)力都隨圍壓增高。如圖5(a)和圖6(a)所示，當(dāng)圍壓由1 MPa提高到2 MPa時(shí)，峰值偏應(yīng)力均提高了50%以上。觀察圖5(b)和圖6(b)發(fā)現(xiàn)，與純砂類似，相近飽和度試樣的剪脹程度隨圍壓的增大而減小，陳合龍等[9]的二氧化碳水合物試驗(yàn)中也觀察到相同的現(xiàn)象。

圖5 低飽和度試樣不同圍壓水平的偏應(yīng)力和體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變變化Fig. 5 Variations in the deviatoric stress and volumetric strain with the axial strain under different confining pressures

圖6 高飽和度試樣不同圍壓水平的偏應(yīng)力和體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變變化Fig. 6 Variations in the deviatoric stress and volumetric strain with the axial strain under different confining pressures

排水條件下水合物砂的穩(wěn)態(tài)偏應(yīng)力由摩擦力和黏聚力兩部分提供。按照摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到穩(wěn)態(tài)時(shí)的黏聚力及內(nèi)摩擦角如圖7所示。高飽和度比低飽和度時(shí)的黏聚力增長了約70%，內(nèi)摩擦角略有增高但不顯著，穩(wěn)態(tài)內(nèi)摩擦角與純砂接近。試樣的黏聚力是水合物的膠結(jié)作用造成的。土顆粒之間形成牢固的膠結(jié)態(tài)水合物，在剪切過程中束縛了顆粒的移動(dòng)。Kajiyama等[15]利用顯微鏡觀察到了含水合物土的微觀膠結(jié)，陳合龍等[9]的二氧化碳水合物試樣也呈現(xiàn)出高黏聚力特征。水合物飽和度越高，顆粒膠結(jié)越充分，表現(xiàn)出的黏聚力越大。這表明水合物的膠結(jié)作用更多體現(xiàn)為對(duì)黏聚力的影響。

圖7 不同飽和度條件的摩爾圓Fig. 7 Mohr circles with different saturations

3 結(jié) 語

在高壓低溫三軸儀中，采用氣飽和法與水飽和法合成甲烷水合物，在1～3 MPa的圍壓條件下，制備飽和度約為0、20%和40%的試樣，進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。比較了不同制樣方法對(duì)甲烷水合物強(qiáng)度和體變特性的影響，總結(jié)了水飽和試樣力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1) 隨著水合物飽和度的提高，制樣方式對(duì)試樣偏應(yīng)力的影響變大，水飽和試樣的剪脹更顯著；

2) 峰值偏應(yīng)力隨圍壓和飽和度增大，低圍壓或高飽和度試樣更易剪脹；

3) 飽和度的提高使試樣的黏聚力增大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不明顯。