A modified framework to describe stress-strain behavior and volumetric response of hydrate bearing sand

ABSTRACT: Gas hydrate-bearing sands (GHBS) contain enormous reserves of methane gas, making them an attractive energy resource. The mechanical properties of these sands are strongly influenced by the hydrate, with increases in hydrate saturation (𝑆ℎ) leading to higher strength, strain softening, and dilation. Field-scale tests for methane recovery from GHBS have faced unexpected technical failures, emphasizing the need for numerical simulations to assess long-term feasibility and minimize risks. Previous constitutive soil models modified the Mohr-Coulomb (MC) model by incorporating a relationship between cohesion and hydrate saturation, however the occurrence of cohesion is disputed, and so the actual stress-strain response was not truly captured. Recent researchers have utilized Rowe's stress-dilatancy theory showing that strength increase in GHBS could be attributed to kinematics rather than cohesive influences. However, this assumption may not be correct, especially at the initial stages of shearing. In this paper, a stress-dilatancy model is introduced that captures the unique hydrate characteristics, soil density, and applied confining pressure. This model better represents the geomechanical behavior of GHBS, allowing its implementation in elastoplastic models for realistic numerical simulations and analysis.

RÉSUMÉ: Les GHBS, riches en méthane, offrent une source d'énergie prometteuse. Leurs propriétés mécaniques sont influencées par les hydrates, augmentant la résistance, réduisant la déformation et provoquant une dilatation avec une saturation accrue (Sh). Les tests de récupération de méthane ont rencontré des échecs techniques, nécessitant des simulations numériques pour évaluer la faisabilité à long terme et réduire les risques. Les modèles antérieurs ont modifié le modèle de Mohr-Coulomb (MC) en intégrant la relation entre cohésion et saturation des hydrates, bien que l'existence de la cohésion soit contestée, limitant la capture précise de la réponse contrainte-déformation. Des chercheurs récents ont proposé la théorie de dilatance de Rowe, suggérant que l'augmentation de résistance dans les GHBS est due à des influences cinématiques plutôt que cohésives. Un modèle de dilatance contrainte, prenant en compte les caractéristiques uniques des hydrates, la densité du sol et la pression de confinement, permet une meilleure représentation du comportement géomécanique des GHBS et son utilisation dans des simulations numériques et des analyses réalistes.