Hydrate-bearing sediments may destabilize spontaneously as part of geological processes, unavoidably during petroleum drilling/production operations, or intentionally as part of gas extraction from the hydrate itself. In all cases, high pore fluid pressure generation is anticipated during hydrate dissociation. This dissertation centered on the destabilization of gas hydrate-bearing sediments in relation to behavioral characteristics and implications, which is induced by thermal changes.
Partial dissociation during thermal stimulation is characterized by a pressure-temperature evolution along the phase boundary until all hydrate has dissociated. Pore fluid pressure generation is proportional to the initial hydrate fraction and the sediment bulk stiffness; is inversely proportional to the initial gas fraction and gas solubility. When the sediment stiffness is high, the generated pore pressure reflects thermal and pressure changes in water, hydrate, and mineral densities. Eventually, excess fluid pressure generation is limited by failure conditions. Shallower sediments require lower amounts of hydrate dissociation to reach failure than do deeper sediments, and hence they need a smaller increase in temperature. However, in the case of $CO_2$ hydrate, the pore fluid pressure evolution is limited by a $CO_2$ vapor-liquid phase equilibrium boundary due to the liquefaction of $CO_2$. This also applies to particular gases which have a liquefaction pressure above zero degree Celsius, such as ethane, propane and iso-butane.
Hydrate dissociation in small pores experiences melting point depression induced by depressed water activity the capillarity between the hydrate-water interface yields; and lower fluid pressure generation due to the additional confinement the water-gas interface exerts on small gas bubbles. Therefore, lower excess pore water pressure develops in finer sediments with disseminated hydrates. Capillary effects vanish when pores exceed ~1 $\mu$ m (sands and silts), when hydrates are present in nodules and lenses, and when the sediment experiences hydraulic fracture.
The two-dimensional numerical modeling using finite different method (FDM, herein FLAC2D) is conducted to approach the real case, in which a steady-state hot wellbore (i.e., 40℃) transfers a heat into surrounding hydrate-bearing sediments, dissociates methane hydrate, and leads to a mechanical failure of sediments. The destabilization of sediments is governed by the intensity of heat source and the thermal conductivity (or diffusivity) of sediments when gas hydrate exists at the early time. After gas hydrates are quite consumed and hydrate dissociation is halted, no more excess pore pressure generation occurs. Instead, the dissipation rate of excessive pore pressure which is determined by pressure diffusion rate (fluid flow rate) controls the deterioration of the sediment strength. Due to the uncontrollable amount of excess pore pressure, blow-up in sediments is expected around the hot wellbore. However, any large scale of landslide is unlikely to happen.
자연적인 지질환경의 변화, 석유의 시추/생산 활동 혹은 가스 하이드레이트의 생산활동 등은 가스 하이드레이트 부존 퇴적토의 불안정화를 초래할 수 있다. 모든 경우에 가스 하이드레이트가 해리함으로써 높은 과잉공극수압이 발생한다. 본 논문에서는 임의의 열적 변화가 야기하는 가스 하이드레이트 부존 퇴적토의 불안정화에 대한 연구를 거동특성 및 안정성에 대한 함의에 중점을 두고 수행하였다.
가스 하이드레이트의 해리 시 압력과 온도는 가스 하이드레이트가 전부 해리할 때까지 상평형 경계를 따라서 변한다. 이 때 발생하는 공극수압의 크기는 하이드레이트의 초기 양과 흙의 강성에 비례하며, 기체상의 초기 양과 기체의 용해도에 반비례한다. 특히, 흙의 강성이 큰 경우에 발생되는 공극수압의 크기는 온도와 압력에 따른 물, 하이드레이트, 미네랄 입자의 밀도변화에 영향을 받는다. 하이드레이트 해리로 인해 발생되는 엄청난 양의 과잉공극수압은 궁극적으로 지반의 파괴를 유발하는데, 특히 얕은 심도일수록 적은 양의 하이드레이트의 해리에도 파괴가 되기 쉽다. 반면, 이산화탄소($CO_2$) 하이드레이트의 경우, 일정 온도와 압력 이상일 때, 이산화탄소의 액화로 인해 과잉공극수압이 더 이상 발생하지 않는다. 이 때, 온도와 압력은 이산화탄소의 기체-액체 상평형 경계에서 평형을 유지한다. 이러한 특성은 상온에서 액화 압력을 갖는 에탄, 프로판, 부탄과 같은 가스들의 경우에 모두 해당된다.
세립토의 미세한 공극에 가스 하이드레이트가 존재할 경우, 해리 시 녹는점이 낮아지는 현상과 상대적으로 적은 공극수압이 발생되는 현상을 경험한다. 하이드레이트와 물 사이의 표면장력과 미네랄과 물 사이의 모세관 현상으로 인해, 물 분자의 활동력이 적어지기 때문에 녹는점이 낮아진다. 또한 작은 공극에 발생하는 가스 방울의 크기가 매우 작기 때문에 가스와 물 사이의 추가적인 표면장력의 힘으로 같은 압력하에 더 많은 기체분자를 가스 방울에 저장할 수 있다. 따라서 하이드레이트가 세립토의 공극에 존재할 때, 이들의 해리는 과잉공극수압을 상대적으로 적게 발생한다. 하지만, 공극의 크기가 1 $\mu$m 이상일 경우(모래, 실트질 퇴적토), 하이드레이트가 덩어리나 렌즈형태로 존재할 경우, 그리고 흙이 수압파쇄를 경험하여 공극이 급격히 팽창할 경우에 이러한 모세관 현상들은 사라진다.
섭씨 40도의 일정한 온도를 가지는 뜨거운 시추공을 중심으로 주변의 하이드레이트 부존 퇴적 지반에 열을 전달할 경우 전체적인 하이드레이트 부존 지반의 거동을 모사하기 위해, 유한차분법을 차용하여 2차원 수치모델링을 수행하였다. 초기에는 하이드레이트가 흙 내부에 아직 존재하기 때문에, 과잉공극수압의 발생으로 인한 하이드레이트 부존 퇴적토의 불안정화 속도 및 파괴는 열원의 강도와 흙의 열전도율에 의해 결정된다. 일정시간이 지나고, 하이드레이트가 모두 해리된 후에는 추가적인 과잉공극수압의 발생은 없으며, 이 때 전체적인 지반의 강도 및 강성은 주변 지반으로의 과잉압력의 소산속도 및 유체의 유동속도에 의해 결정된다. 엄청난 양의 과잉공극수압의 발생으로 인해, 뜨거운 시추공 주변부의 지반이 파괴될 것으로 예상된다. 그러나 이로 인해, 해저 사면의 대규모 파괴가 유발될 가능성은 적은 것으로 나타났다.
