含水沉积物的气体置换力学行为调控机制及边坡稳定性分析

《Energy & Fuels》：A Hydrate-Bearing Sediment Gas Replacement Mechanical Behavior Regulation Mechanism and Slope Stability Analysis

本研究针对深水浅层气资源开发中存在的覆盖层致密性不足、胶结强度弱等问题，提出CO?气驱技术以提升储层稳定性。通过不同CO?置换率、孔隙饱和度及有效围压下的三轴剪切试验，分析了对储层力学特性及边坡稳定性的影响。结果表明：CO?置换可增强储层内摩擦角和刚度，其中内摩擦角与砂粒成分相关，粘聚力与孔隙饱和度呈指数关系，与置换率线性相关；临界状态线参数显示，孔隙饱和度增加使M值增大，Ψ值保持负值，置换后lnp'值升高而v值降低；边坡安全系数随孔隙饱和度升高而显著增大，但对陡坡的加固效果较弱。

　　

深水浅层气资源面临诸如缺乏致密盖层和胶结作用较弱等挑战，这些因素导致地层的压力安全窗口较窄，长期稳定性较差。因此，开发基于二氧化碳（CO₂）的气体置换策略对于确保油气开采过程中的地层稳定性至关重要。二氧化碳置换能够同时促进地质储存和水合物的开发，增强边坡稳定性并保持地层的胶结作用。在这项研究中，对不同置换比例、饱和度水平和有效围压条件下的沉积物进行了系列三轴剪切试验，基于所得的力学特性模拟了边坡稳定性。研究结果如下：(1) 气体置换过程提高了沉积物的抗破坏强度和刚度。强度研究表明，内摩擦角仅受沙粒组成的影响，而凝聚力与饱和度呈指数关系，与置换比例呈线性关系。(2) 从应变特性来看，在临界状态模型中，临界状态线在 q–p 平面上的斜率 M 随着水合物饱和度的增加而增大。在 v-ln p′ 平面上，Ψ 值始终为负值，气体置换使得破坏状态点的 ln p′ 值升高，v 值降低。随着饱和度的增加，临界状态线的 Γ 值减小，而 λ 值增大。(3) 对于边坡模拟而言，水合物饱和度的提高显著增强了较缓坡度的安全性，而对于较陡且饱和度较高的坡度，气体置换的加固效果较弱。