泥質(zhì)粉砂型能源土的三軸剪切試驗研究

許 銳， 孔 亮,*， 袁慶盟， 趙亞鵬， 劉佳棋

(1.青島理工大學(xué) 理學(xué)院，山東 青島 266033； 2.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033)

天然氣水合物在自然界中一般蘊(yùn)藏在低溫高壓條件下的海洋、湖泊以及大陸永凍土帶的砂、土等沉積物孔隙中，含天然氣水合物沉積物也被稱作能源土[1].天然氣水合物儲量豐富、礦層規(guī)模大、能量密度高、清潔無污染，被一致認(rèn)為是潛在的替換石油等資源的新型能源.天然氣水合物在一定的溫壓條件下處于相平衡狀態(tài)，開采過程實際上是人為改變儲層溫壓條件使天然氣水合物分解的過程，從而達(dá)到開采目的[2—3].天然氣水合物分解會導(dǎo)致儲層承載能力降低，有可能破壞儲層原本穩(wěn)定的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致海底滑坡，甚至引起海嘯、地震等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害[4].此外，若天然氣水合物不當(dāng)開采造成儲層大面積破壞，導(dǎo)致甲烷氣體泄漏會加重溫室效應(yīng)[5]，對地球生態(tài)造成嚴(yán)重影響.因此，在天然氣水合物大規(guī)模商業(yè)開采前，必須系統(tǒng)且全面地評價能源土的力學(xué)性質(zhì)，對開采過程中水合物儲層存在的各種風(fēng)險以及對海底邊坡的影響進(jìn)行正確的評估，從而建立一套安全可行的天然氣水合物開采技術(shù)方案，保證天然氣水合物開發(fā)利用中工程與環(huán)境安全.

能源土力學(xué)特性的試驗測試是當(dāng)前的熱點(diǎn)問題.試驗測試目前以室內(nèi)試驗為主，Masui等[6]在Tokai-oki和Kumano-nada海域針對海底天然氣水合物礦藏進(jìn)行了海底鉆探并取得天然氣水合物巖芯樣本，研究了原位試樣的力學(xué)特性，并與以豐浦砂為骨架的人工合成能源土試樣進(jìn)行對比.Yoneda等[7]利用從日本AT1-P井位取出的能源土原狀樣進(jìn)行了試驗，并且在試驗結(jié)束后進(jìn)行了無水合物的對比試驗.Miyazaki等[8—9]使用豐浦砂作為試驗材料，研究了水合物飽和度、圍壓、顆粒粒徑、加載速率、卸載再加載等對含能源土強(qiáng)度及變形特性的影響.Winters等[10—11]分別測試了印度洋、墨西哥灣、北極等9個海洋和永久凍土帶現(xiàn)場獲得的能源土試樣的力學(xué)和聲學(xué)特性，與實驗室人工合成的能源土試樣進(jìn)行對比.國內(nèi)學(xué)者魯曉兵等[12]使用四氫呋喃作為生成水合物的材料，以蒙古砂、空心磚作為骨架合成能源土，進(jìn)行了三軸試驗，獲得了純水合物和水合物沉積物的應(yīng)力應(yīng)變曲線、水合物分解后試樣的強(qiáng)度，以及水合物生成前的干砂和空心磚的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.張旭輝等[13]以粉細(xì)砂土作為土骨架，分別對冰沉積物以及對四氫呋喃、二氧化碳和甲烷3種水合物沉積物進(jìn)行了室內(nèi)合成和三軸試驗，分析和比較了這4種樣品的應(yīng)力-應(yīng)變行為和強(qiáng)度特性.顏榮濤等[14]采用非飽和制樣法和飽和試樣氣體擴(kuò)散制樣兩種方法，利用三軸剪切試驗研究不同水合物賦存模式對含二氧化碳水合物砂土力學(xué)特性的影響規(guī)律.這些試驗研究取得了豐碩的成果，積累了大量的試驗數(shù)據(jù).但是，由于目前尚沒有針對能源土的規(guī)范化試驗方法，導(dǎo)致試驗方案缺乏體系，試驗數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ刃暂^差.

另外，全球天然氣水合物總量的90%以上都賦存于海底泥質(zhì)粉砂或淤泥質(zhì)沉積物中[15—16]，我國南海天然氣水合物成礦區(qū)[17]及兩次試采工程實施[18]表明，南海水合物成礦區(qū)儲層土性主要是泥質(zhì)粉砂.上述試驗研究現(xiàn)狀中，學(xué)者們還沒有開展針對泥質(zhì)粉砂的系列研究.此外，劉昌齡等[17]的地質(zhì)調(diào)研數(shù)據(jù)表明，不同海域或區(qū)域的儲層中，黏土含量也不同.眾所周知，黏土的含量不僅影響了土體的級配，還影響其力學(xué)特性，但目前黏土含量對常規(guī)砂土強(qiáng)度特性影響的研究較少，且尚未達(dá)成一致[19—24]，對能源土力學(xué)性質(zhì)影響的研究尚未見報道.

本文在目前國內(nèi)外試驗取得進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述不足之處與研究空白，依據(jù)南海神狐海域獲取的能源土顆粒級配等數(shù)據(jù)，室內(nèi)配制泥質(zhì)粉砂型能源土試樣，設(shè)計合理試驗方案，開展有效圍壓、水合物飽和度、黏土含量等影響因素對泥質(zhì)粉砂型能源土力學(xué)性質(zhì)影響的試驗研究.

1 泥質(zhì)粉砂能源土三軸剪切試驗

1.1 試驗材料及試驗設(shè)備

參照2007年水合物鉆探GMGS-1航次在南海神狐海域鉆井SH-2與SH-7鉆取的能源土顆粒級配[17]，使用石英砂與取自南海水合物成礦區(qū)的海底軟黏土，配置本試驗所需的泥質(zhì)粉砂，級配曲線見圖1，圖中Cc為黏土含量.使用甲烷合成水合物，進(jìn)行三軸剪切試驗.

圖1 泥質(zhì)粉砂型能源土骨架的顆粒級配曲線

試驗儀器為英國GDS公司生產(chǎn)的ETAS型高壓低溫水合物靜三軸測試系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)主要由6部分組成，分別為：高級壓力控制器、保溫壓力室、荷載底座、恒溫水浴溫控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集板、GDSLAB設(shè)備控制程序.三軸測試系統(tǒng)共有兩個高級壓力控制器，分別為圍壓控制器與反壓控制器，最大工作壓力均為32 MPa，精度為32 kPa.三軸測試系統(tǒng)軸向加載由荷載底座負(fù)責(zé)，最大軸向載荷為100 kN，軸向力控制精度為0.1 kN；最大軸向位移為50 mm，軸向位移精度為0.037 5 mm.通過恒溫水浴中的冷卻液來控制恒溫壓力室內(nèi)部的溫度環(huán)境，溫度控制范圍為-20 ℃至65 ℃，溫控精度為±0.3 ℃.GDS可燃冰三軸測試系統(tǒng)的整個加載與量測過程均由計算機(jī)自動完成，具有精度高、操作簡便等特點(diǎn).通過該設(shè)備可以完成常規(guī)三軸剪切試驗，同時也可以進(jìn)行自定義操作，完成特殊應(yīng)力路徑的三軸試驗.圖2為設(shè)備實物圖與原理示意圖.

圖2 GDS可燃冰三軸測試系統(tǒng)實物圖與原理示意圖

1.2 水合物飽和度的計算

試驗中，通過試樣中水的質(zhì)量來控制水合物飽和度，實際的水合物飽和度通過測量試驗后CH4氣體的體積間接獲得.

水合物飽和度定義為水合物體積與試樣孔隙總體積的比值，即：

(1)

式中：V，Vh，Vs分別為試樣、水合物和土顆粒體積.

根據(jù)Mullan與Jeffrey[25]的研究，甲烷水合物的分子式為CH4·5.75H2O，推導(dǎo)得到水合物飽和度的具體計算方法為

(2)

(3)

式中：Mh為甲烷水合物質(zhì)量；Mw為水的質(zhì)量；ρh為甲烷水合物密度，取0.91 g/cm3；Vv為孔隙體積；ρCH4為甲烷氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，取0.77 g/L；VCH4為參與水合物合成的甲烷氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積；ρd為土樣的干密度；Gs為土顆粒比重，取2.659；ρw為水的密度.

1.3 試驗方案

試驗設(shè)計3個變量，分別為水合物飽和度Sh，黏土含量Cc，有效圍壓σ3′，設(shè)計3組試驗如下：

1)為研究不同水合物飽和度對試樣力學(xué)特性的影響規(guī)律，設(shè)置Sh分別為0%，10%，20%，30%的試驗；

2)為研究不同黏土含量對試樣力學(xué)特性的影響規(guī)律，設(shè)置Cc分別為0%，4%，8%的試驗；

3)為研究不同圍壓對試樣力學(xué)特性的影響規(guī)律，設(shè)置σ3′分別為1，3，5 MPa的試驗.

剪切過程中，試樣溫度始終保持在1.0 ℃，孔壓為4.0 MPa，剪切速率為0.1 mm/min，剪切過程每2 s記錄一次試驗數(shù)據(jù)，試樣應(yīng)變達(dá)15 %～20 %時試驗停止.試驗結(jié)束后，安全卸除系統(tǒng)內(nèi)的壓力，并將排出的氣體統(tǒng)一收集至回收裝置內(nèi).具體試驗方案見表1.

表1 試驗方案及編號

2 試驗結(jié)果

2.1 變形特性

圖3a，3b，3c為黏土含量0%的能源土在不同有效圍壓(1.0，3.0，5.0 MPa)、不同水合物飽和度(0%，10%，20%，30%)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看到，在有效圍壓為1 MPa的情況下，含水合物的試樣全部表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并且水合物飽和度越高，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯;而在有效圍壓為3 MPa時，僅有水合物飽和度為30%時試樣出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象;有效圍壓為5 MPa時，所有試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化.總體上來看，試樣強(qiáng)度隨水合物飽和度、有效圍壓增大而增大，初始切線模量隨水合物飽和度增大而增大.

圖3 Cc=0%時能源土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4a，4b，4c為黏土含量4%的能源土在不同有效圍壓(1，3，5 MPa)、不同水合物飽和度(0%，10%，20%，30%)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.相比于黏土含量為0%的試驗，僅有有效圍壓為1 MPa、水合物飽和度較高的試樣表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在有效圍壓為3，5 MPa時所有試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化.同樣的，強(qiáng)度、初始切線模量總體上隨著有效圍壓與水合物飽和度增大而增大.與黏土含量為0%的試樣相比，黏土含量4%的能源土強(qiáng)度并沒有明顯變化.

圖4 Cc=4%時能源土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5a,5b,5c為黏土含量8%的能源土在不同有效圍壓(1.0,3.0,5.0 MPa)、不同水合物飽和度(0%,10%,20%,30%)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以看到，僅有有效圍壓為1 MPa、水合物飽和度為30%的試樣表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象.與黏土含量為0%,4%的試樣相比，該試樣的強(qiáng)度、初始切線模量同樣隨著有效圍壓與水合物飽和度增大而增大，強(qiáng)度并沒有明顯變化.

圖5 Cc=8%時能源土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖3～5可以看出，在圍壓相同的情況下，剛度、強(qiáng)度隨著水合物飽和度的增大而變大.在低有效圍壓(1 MPa)情況下，具有較高水合物飽和度的試樣出現(xiàn)了應(yīng)變軟化現(xiàn)象，而不含水合物的試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象.此外，不含黏土的試樣更容易出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并且隨著黏土含量的增高，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越不明顯.這是由于試樣中水合物含量較高時，水合物顆粒與砂土顆粒骨架共同承載，剪切過程中，除了發(fā)生砂土顆?；破扑?，水合物顆粒也會發(fā)生損傷，而水合物脆性較強(qiáng)，導(dǎo)致應(yīng)變軟化現(xiàn)象.水合物飽和度越高，這種應(yīng)變軟化現(xiàn)象越明顯.有效圍壓較低時，圍壓對砂土顆粒以及水合物顆粒之間的膠結(jié)限制減小，而導(dǎo)致其更容易發(fā)生損傷與破壞，從而應(yīng)變軟化現(xiàn)象更容易出現(xiàn).黏土含量較高時，試樣具有更高的黏聚力，砂土顆粒以及水合物顆粒之間的膠結(jié)作用更強(qiáng)而更不容易發(fā)生損傷與破壞，應(yīng)變軟化現(xiàn)象更不容易出現(xiàn).

2.2 強(qiáng)度特性

強(qiáng)度反映了土體的抗破壞能力，圖6為不同水合物飽和度以及不同黏土含量情況下能源土峰值強(qiáng)度與有效圍壓關(guān)系.對于應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯峰值的情況，以15% 應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力值作為強(qiáng)度值.通過相同水合物飽和度與黏土含量在不同有效圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可繪制出3個Mohr圓及其公切線(如圖7所示，以Sh=20%，Cc=4%為例)根據(jù)Mohr-Coulomb破壞理論中抗剪強(qiáng)度與破壞面上所受法向應(yīng)力間的關(guān)系：τf=c+σtanφ，可確定黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，最終獲得某一水合物飽和度下水合物沉積物的力學(xué)強(qiáng)度.根據(jù)上述試驗結(jié)果得到的c,φ見表2.不同黏土含量的能源土強(qiáng)度指標(biāo)隨水合物飽和度的變化規(guī)律見圖8.

圖6 不同水合物飽和度和黏土含量下能源土破壞強(qiáng)度與有效圍壓關(guān)系

圖7 Cc=4%，Sh=20%時能源土的應(yīng)力Mohr圓

從圖6，圖8及表2可以看到：

表2 能源土試樣的黏聚力與內(nèi)摩擦角

圖8 不同黏土含量的能源土強(qiáng)度指標(biāo)隨飽和度的變化規(guī)律

1)在相同有效圍壓下，能源土峰值強(qiáng)度隨水合物飽和度的增加而變大，這是由于水合物的形成對土體存在膠結(jié)與填充效應(yīng)，明顯地提升了試樣的黏聚力，略微提高了試樣的內(nèi)摩擦角，增大了土體的抗剪能力，進(jìn)而導(dǎo)致土體強(qiáng)度的增加.

2)相同水合物飽和度下能源土峰值強(qiáng)度隨有效圍壓的增大而增加.這是由于圍壓的增加促使了顆粒與水合物顆粒之間接觸更加緊密，使試樣具備更高的抵抗破壞的能力.

3)黏土含量對能源土的峰值強(qiáng)度的影響并不明顯，這與陳永健等[24]對常規(guī)砂土的研究結(jié)果相同.黏聚力取決于顆粒間的各種物理化學(xué)力，包括庫侖力、范德華力、雙電層排斥力等，砂土顆粒較大，比面積小，分子作用力弱，是無黏聚力的，添加黏土后，由于物理化學(xué)力作用，使得黏聚力增加.但由于在黏土少的情況下砂土顆粒起骨架作用，黏土顆粒散亂地夾在砂土粒骨架之間，阻礙了粗粒骨架的作用，因而內(nèi)摩擦角隨著黏粒的增加而略微減小，反而使得試樣抗剪能力并沒有明顯的提高.

4)泥質(zhì)粉砂型能源土黏聚力隨水合物飽和度與黏土含量的增大而增大，但內(nèi)摩擦角相差并不明顯.內(nèi)摩擦角隨水合物飽和度增大略微增大，隨黏土含量增大略微減小.這與文獻(xiàn)[6—14]中其他類型能源土的強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律類似.

3 結(jié)論

本文參照南海神狐海域鉆井SH-2與SH-7鉆取的能源土顆粒級配，使用石英砂與取自南海礦區(qū)的海底軟黏土，配置試驗需的泥質(zhì)粉砂，開展了泥質(zhì)粉砂型能源土的三軸剪切試驗，研究了水合物飽和度、黏土含量、有效圍壓對能源土變形、強(qiáng)度特性的影響，取得了以下結(jié)論：

1)隨著水合物飽和度與有效圍壓的增大，試樣的強(qiáng)度也會增大，在低圍壓、高飽和度時易表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特性.

2)泥質(zhì)粉砂型能源土黏聚力隨水合物飽和度與黏土含量的增大而增大；內(nèi)摩擦角隨水合物飽和度增大略微增大，隨黏土含量增大略微減小.

3)黏土含量對能源土強(qiáng)度并無明顯影響，不含黏土的試樣更容易出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并且隨著黏土含量的增高，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越不明顯.