天然氣水合物分解對井筒周圍土層變形的影響

王 晶，張旭輝，魯曉兵，梁前勇，石要紅

(1.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 2.中國科學(xué)院 力學(xué)研究所， 北京 100190；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣東 廣州 510075)

天然氣水合物分解對井筒周圍土層變形的影響

王 晶1，2，張旭輝1，2，魯曉兵1，2，梁前勇3，石要紅3

(1.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 2.中國科學(xué)院 力學(xué)研究所， 北京 100190；3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣東 廣州 510075)

通過運(yùn)用FLAC3D軟件建立三維土體模型，采用具有塑性流動(dòng)特性的摩爾庫侖模型并參考我國近海海域地形和地質(zhì)參數(shù)，分析水合物分解后的井筒周圍土體變形，重點(diǎn)討論天然氣水合物分解范圍、土層傾角、井筒與土體間的連接方式等因素對土體變形的影響，對深水天然氣水合物的開采土體穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行評估。結(jié)果表明：水合物分解范圍對土體變形影響最大，水合物分解范圍越大，儲(chǔ)層的沉降越大；當(dāng)分解范圍超過某臨界值時(shí)，井筒周圍土體發(fā)生破壞。這些結(jié)論可為深水水合物開采及勘探時(shí)的井筒安全評估提供參考。

天然氣水合物；井筒；分解范圍；土體變形；安全評估

天然氣水合物是在高壓低溫條件下形成的固態(tài)類冰的籠型結(jié)晶化合物，在陸地和海洋有著廣泛的分布，海底的天然氣水合物分布面積廣，儲(chǔ)量豐富，可極大的滿足人類對能源的需求，是一種極具潛力的清潔能源[1]。在我國，南海海域、祁連山凍土區(qū)等地均已勘探出天然氣水合物的儲(chǔ)藏地帶[2]，證明我國擁有豐富的水合物資源。

現(xiàn)有的天然氣水合物開采方法主要是降壓法、加熱法、注入抑制劑法、置換法、固體法以及幾種方法的聯(lián)合[3]。這幾種方法的原理均是基于天然氣水合物存在的壓力溫度條件位于相平衡線下的非水合物區(qū)而分解[4]。但不管哪種方法引起的水合物沉積層中水合物的分解，都會(huì)使沉積物層的力學(xué)強(qiáng)度和剛度產(chǎn)生極大的降低[5]，如果范圍過大，就可能導(dǎo)致土層沉降過大，土體破壞，甚至導(dǎo)致滑坡、其他結(jié)構(gòu)物破壞等地質(zhì)災(zāi)害[6-7]。實(shí)驗(yàn)研究表明，沉積物層承載力降低是因?yàn)樗衔锓纸猱a(chǎn)生的氣體在孔隙內(nèi)不能快速消散而使孔隙內(nèi)產(chǎn)生超靜孔隙壓力，使骨架的有效應(yīng)力減少，承載力降低[8-9]。因此，在進(jìn)行深海水合物開采時(shí)，要對土體穩(wěn)定性及開采安全性進(jìn)行有效評估。

本文通過數(shù)值模擬，對不同條件下的水合物分解情況進(jìn)行比較，分析水合物沉積物層的沉降和水平位移，探討水合物分解引起的土體變形及破壞。

1 數(shù)值模型

1.1 模型參數(shù)

近年來，F(xiàn)LAC3D軟件在巖土分析方面得到了國內(nèi)外廣泛的運(yùn)用，如基坑開挖、樁錨支護(hù)等方面[10-11]，同時(shí)可以運(yùn)用程序自帶的Fish語言來更好的模擬工況[12]。

本文運(yùn)用FLAC3D軟件采用彈性模型和摩爾庫侖模型，以我國近海海域地質(zhì)地貌為參考，將土層分為上覆層、水合物層和下部土層三個(gè)部分，其中上覆層厚度約為140 m，水合物層厚度為10 m～30 m，下部土層的厚度為100 m～200 m。計(jì)算模型中設(shè)海水深度1 000 m，海床土層長800 m、寬800 m、高275 m?？紤]到深度為275 m，計(jì)算長和寬這樣選取可基本消除邊界的影響。井筒一直穿過下部土層，筒壁外徑24 cm，壁厚2 cm(見圖1)。參考文獻(xiàn)[13-15]中的數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)采用如下的材料參數(shù)：水合物層分解前模量100 MPa，密度1 700 kg/m3；分解后模量37 MPa。上覆土層模量3 MPa～20 MPa且隨深度增加，密度1 360～1 700 kg/m3隨深度增加。下部土層模量30 MPa，密度4 500 kg/m3。井筒模量0.152 GPa，密度7 890 kg/m3。

1.2 計(jì)算工況

計(jì)算時(shí)首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算，排除因井筒和土體自重造成的豎向沉降，再分析水合物區(qū)分解導(dǎo)致的上覆土層變形和水合物區(qū)土體變形。計(jì)算中假設(shè)水合物分解后由于地層滲透性較大而沒有孔壓變化，因此數(shù)值計(jì)算中的模型按彈塑性理論考慮，用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行分析。邊界條件為：模型頂面為自由面，左右邊界在x方向上固定，底邊在y方向上固定。對上覆土層、水合物層、下部土層選擇合理的網(wǎng)格尺寸自動(dòng)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為柱形殼體網(wǎng)絡(luò)和圓柱體外環(huán)繞放射狀網(wǎng)格，模型共劃分了228 864個(gè)單元，237 559個(gè)節(jié)點(diǎn)，井筒是用Pile單元進(jìn)行模擬，劃分4 653個(gè)結(jié)構(gòu)單元，2 358個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分網(wǎng)格時(shí)，土體與井筒連接的位置和水合物分解區(qū)的網(wǎng)格劃分細(xì)化[16]。計(jì)算中考慮兩種情況：(1) 水合物分解后地層強(qiáng)度大大降低，土體沖刷、塌陷而形成了空腔，分解區(qū)不承受任何載荷(簡稱采空區(qū))；(2) 分解后土體軟化，能承受一部分載荷的情況。

圖1計(jì)算模型示意圖

計(jì)算過程中采用以下幾種情況以進(jìn)行比較分析：

(1) 水合物分解區(qū)的范圍是半徑為3.5 m，高為10 m的圓柱體，海底土層的傾角分別為3°、9°、15°；

(2) 海底土層的傾角為3°，水合物的分解區(qū)分別為半徑3.5 m、高10 m，半徑12.5 m、高20 m；半徑18.5 m、高26 m，半徑24.5 m、高30 m的圓柱體；

(3) 水合物分解區(qū)的范圍是半徑3.5 m，高為10 m的圓柱體，海底土層的傾角為3°，井筒與土體粘結(jié)在一起和井筒與土體之間設(shè)有接觸面，即存在相對滑移的兩種情況；

(4) 水合物分解范圍是半徑3.5 m，高為10 m的圓柱體，水合物分解后土體軟化。

通過計(jì)算，分析井筒周圍土體的沉降和水平位移，以及坡角和分解范圍等因素對變形的影響。

2 計(jì)算結(jié)果和討論

2.1 坡角的影響

在分解區(qū)半徑為3.5 m，高為10 m，水合物分解區(qū)采空時(shí)其頂面土體的沉降在傾角為3°時(shí)明顯小于傾角為9°和15°時(shí)的值；傾角為9°時(shí)的沉降略小于傾角為15°時(shí)的沉降，三種傾角情況下出現(xiàn)最大沉降的位置均靠近采空區(qū)邊界處(見圖2)。如從3°到9°時(shí)，沉降變化約12倍，但總體沉降較小，不會(huì)造成土體的坍塌。圖中x軸的0點(diǎn)代表井筒和導(dǎo)管中軸位置處。水合物分解區(qū)采空時(shí)其頂面土體的水平位移在傾角為3°時(shí)，采空區(qū)周圍的土體在水平方向上是向外擴(kuò)張，原因可能是分解區(qū)范圍較小，土體的沉降使采空區(qū)周圍的土向外擴(kuò)張。在傾角為9°和15°的情況下，采空區(qū)周圍的土體呈壓縮狀態(tài)，相比較分解范圍，水平位移較小，未對土體產(chǎn)生較大破壞(見圖3)。 由于水合物分解范圍較小，在計(jì)算采用的坡角范圍內(nèi)，土層總體變形也較小。

圖2 水合物采空極限情況下的沉降

圖3水合物采空極限情況下的水平位移

2.2 分解區(qū)范圍變化的影響

圖4給出海底土層傾角為3°，四種分解范圍情況下水合物分解區(qū)處于完全采空的極限情況下的上覆層頂面土體沉降沿坡面分布的結(jié)果。分解范圍為半徑3.5 m，高為10 m時(shí)，上覆層沉降很??；而另三種情況下，隨著分解范圍擴(kuò)大，上覆層頂面土層沉降增加。分解范圍為半徑24.5 m，高為30 m處時(shí)，上覆土層快速屈服，導(dǎo)致數(shù)值模擬很難收斂到最后結(jié)果，其實(shí)際數(shù)值應(yīng)該比其余三種情況下的數(shù)值大。上覆土層變形主要集中在分解區(qū)與未分解區(qū)交界處，離分解區(qū)越遠(yuǎn)，則土層變形越來越小。

圖5給出海底土層傾角為3°，四種分解范圍時(shí)的水合物分解區(qū)處于極限情況下的采空區(qū)頂面土體最大沉降。在四種情況下，最大沉降位置均出現(xiàn)在井筒兩側(cè)，靠近采空區(qū)邊緣。隨著分解區(qū)范圍的逐漸擴(kuò)大，土體的最大沉降也逐漸變大，分解區(qū)為半徑3.5 m高10 m時(shí)，采空區(qū)上方土體還沒有產(chǎn)生明顯的沉降；當(dāng)采空范圍達(dá)到18.5 m×26 m時(shí)，豎向應(yīng)變達(dá)到6%，一旦超過該范圍，則土層變形急劇增加，以至于土層很快達(dá)到變形破壞，這個(gè)值可作為采空工況下井口土層變形破壞的臨界點(diǎn)。在實(shí)際工程中要控制分解范圍在臨界值以內(nèi)。沉降主要發(fā)生在采空區(qū)上部區(qū)域，水平位移呈現(xiàn)向采空區(qū)內(nèi)擠壓的趨勢。

從程家望等[17]人的研究中，可以得到相似的結(jié)論，即在水合物降壓開采的過程中，孔隙流體壓力的降低導(dǎo)致儲(chǔ)層的沉降，最大的沉降發(fā)生在井壁附近；水合物分解的越多，儲(chǔ)層的沉降越大。

圖4 水合物分解區(qū)采空情況下上覆層沉降

圖5水合物分解區(qū)采空情況下采空區(qū)位移情況

2.3 分解區(qū)采空與軟化情況的對比

圖6給出了在分解區(qū)半徑為3.5 m，高為10 m，分解區(qū)土體軟化情況下，分解區(qū)土體的沉降隨海底土層傾角變化的結(jié)果。可以看到，當(dāng)傾角為3°時(shí)，沉降很小，傾角為9°和15°的沉降明顯增大。與圖2比較可知，在水合物分解區(qū)土層軟化的情況下，坡度的增加對土體的沉降產(chǎn)生的影響也不明顯。

2.4 土體與井筒之間的連接狀態(tài)

圖7給出了在海底土層傾角為3°，分解區(qū)范圍是半徑3.5 m，高10 m的情況下，土體與井筒之間完全粘結(jié)和存在接觸面(容許豎向相對滑移)兩種情況下上覆層土體沉降的比較。由圖7可以看出，土體與井筒有接觸面時(shí)土體的變形相對于土體與井筒粘結(jié)時(shí)的大。

圖6 水合物分解區(qū)土層軟化情況下的沉降

圖7軟化情況下上覆層局部沉降

圖8給出了在海底土層傾角為3°，分解區(qū)范圍是半徑3.5 m，高10 m，分解區(qū)采空情況下，不通過井筒剖面的上覆層頂面沉降在土體與井筒之間以粘結(jié)和接觸面連接兩種情況的結(jié)果對比。由圖8可以看出，在兩種情況下，土體的沉降趨勢基本一樣，井筒與土體之間以接觸面連接時(shí)，土體的沉降相對較大。

圖8不通過井筒的上覆層頂面沉降

圖9給出了在海底土層傾角為3°，分解區(qū)范圍半徑3.5 m，高10 m，不通過井筒剖面的分解區(qū)土體沉降在土體與井筒之間以粘結(jié)和接觸面連接兩種情況下的比較。由圖9可以看出，與上覆層沉降類似，在兩種情況下，土體沉降的趨勢相同，井筒與土體之間以接觸面連接情況下，土體的沉降相對較大。土體最大沉降均出現(xiàn)在采空邊緣處。

圖9不通過井筒的分解區(qū)局部沉降比較

由以上可以得知，井筒與土體之間的連接方式對土體的沉降影響明顯，井筒與土體相互粘結(jié)時(shí)，井筒周圍土體的沉降較接觸面連接時(shí)小。這是因?yàn)橥馏w與井筒完全粘結(jié)情況下，井筒對周圍土體變形有較強(qiáng)的約束作用，限制了土體的沉降，而以接觸面方式連接時(shí)，周圍土體在豎向沒有收到約束而僅水平向有約束，沉降就相對較大。

3 結(jié) 論

對水合物分解區(qū)的采空極限情況和土體軟化情況影響下土體變形的數(shù)值模擬，分析了隨著坡度變大、分解區(qū)范圍變大和井筒與土體連接方式對井筒周圍土體變形的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1) 在本文設(shè)定的分解區(qū)域和坡度范圍內(nèi)，海底土層的傾角增大，分解區(qū)土體變形增大，從3°到9°時(shí)，沉降變化約12倍，但總體沉降較小，不會(huì)造成土體的坍塌。

(2) 當(dāng)海底土層傾角一定時(shí)，分解區(qū)域不斷增大使土體的變形不斷變大，當(dāng)分解范圍小于某臨界值時(shí)，變形是有限的，不會(huì)產(chǎn)生坍塌；但是一旦超過這個(gè)臨界值時(shí)，就會(huì)造成分解區(qū)周圍土體產(chǎn)生剪切破壞。

(3) 井筒與土體之間的連接方式會(huì)對井筒周圍土體的沉降會(huì)產(chǎn)生明顯影響。相對完全粘在一起的情況，當(dāng)井筒與土體之間是可產(chǎn)生相對滑移接觸時(shí)，土體沉降更大。

[1] 周海峰,李海斌,田方正.天然氣水合物研究及開發(fā)前景[J].2016,45(4)：533-535.

[2] Wu N Y, Zhang H Q, Yang S X, et al. Gas hydrate system of shenhu area, northern South China Sea: geochemical results[J]. Journal of Geological Research,2011,2011:1-10.

[3] 蘇 正,吳能友,張可霓.南海北部陸坡神狐天然氣水合物開發(fā)潛力[J].海洋地質(zhì)前沿,2011,27(6):16-23.

[4] 張旭輝，魯曉兵，劉樂樂．天然氣水合物開采方法研究進(jìn)展[J]．2014,29(2)：858-869.

[5] Lu X B, Wang L, Wang S Y, et al. Study on the mechanical properties of THF hydrate deposit[C]//Proc. 18th Int. Offshore and Polar Engrg. Conf., Vancouver，2008:57-60.

[6] 王秀娟，吳時(shí)國，董冬冬，等.瓊東南盆地氣煙囪構(gòu)造特點(diǎn)及其與天然氣水合物的關(guān)系[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2008，28(5):103-108.

[7] Lu X B, Zhang X H, Wang S Y. Strong failure of seabed induced by gas hydrate dissociation[C]//7th International Conference Gas Hydrate, Edinburgh, 2011:1-5.

[8] Lu X B, Wang L, Wang S Y, et al. Instability of seabed and pipes induced by NGH dissociation[C]//Proceedings of 20th International Off shore and Polar Engineering Con-ference, Beijing, 2010:110-114.

[9] 張旭輝，胡光海，魯曉兵.天然氣水合物分解對地層穩(wěn)定性影響的離心機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2012，27(3)：301-310.

[10] 馮 勇,李 平,姜春艷．FLAC3D在深基坑工程開挖中的數(shù)值模擬分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013,11(4)：17-27.

[11] 黃志全，張瑞旗，王安明．基于FLAC3D的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析[J]．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2015,13(2)：68-72.

[12] 于麗鵬.基于FLAC3D模擬的土體彈性模量取值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014,12(2)：162-166.

[13] 石要紅,張旭輝,魯嘵兵，等.南海水合物黏土沉積物力學(xué)特性試驗(yàn)?zāi)M研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2015,47(3)：521-528.

[14] 關(guān)進(jìn)安，盧靜生，梁德青，等.高壓下南海神狐水合物區(qū)域海底沉積地層三軸力學(xué)性質(zhì)初步測試[J].新能源進(jìn)展，2017,5(1):40-46.

[15] 蔣明鏡,肖 俞,朱方園.深海能源土微觀力學(xué)膠結(jié)模型及參數(shù)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(9):1574-1583.

[16] Itasca Software Comp. User Manual of FLAC3D 3.0: Interfaces[M]. [s.l]: Itasca Software Comp, 2007.

[17] 程家望，蘇 正，吳能友．天然氣水合物降壓開采水合物穩(wěn)定性模擬分析[J]．新能源進(jìn)展，2016,4(1)：33-41.

DeformationofSoilAroundtheWellboreCausedbyGasHydrateDissociation

WANG Jing1，2, ZHANG Xuhui1，2, LU Xiaobing1，2, LIANG Qianyong3, SHI Yaohong3

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;2.ChinaInstituteofMechanics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;3.GuangzhouMarineGeologicalSurveyGuangzhou,Guangzhou,Guangdong510075,China)

Stratum deformation around wellbore due to GH dissociation was numerically simulated by using FLAC3Dto develop a three-dimensional model of the soil and the model mohr-coulomb which has the plastic flow characteristics, referring as the offshore topographical and geological parameters in China. The effects of GH dissociation range, stratum slope and the connection states between wellbore and stratum on the stratum deformation were mainly investigated to assess the stability and safety of the soil. The results show that the effect of dissociation scope is the greatest. If the dissociation scope exceeds a critical value, the soil surrounding the wellbore can be failure. These results can be taken as the references to the safety assessments on the exploration and recovery of marine GH.

gashydrate;wellbore;thescopeofthedecomposition;deformationofsoils;safetyassessment

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.010

2017-07-03

2017-08-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51639008)；中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(DD20160217-1-1-1)；中石油-中科院高端戰(zhàn)略聯(lián)盟計(jì)劃項(xiàng)目(2015A-4813)

王 晶(1993—)，女，湖北荊州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樘烊粴馑衔锓治鰧?dǎo)致井口土體變形。E-mail: wangjing4@imech.ac.cn

P75

A

1672—1144(2017)06—0048—04