天然气水合物开采的土力学问题：现状与挑战.pdf

天 然 气 工 业 NATURAL GAS INDUSTRY 第 40 卷第 8 期 2020 年 8 月 116 天然气水合物开采的土力学问题 现状与挑战 韦昌富 1,2 颜荣涛2 田慧会1 周家作1 李文涛1 马田田1 陈 盼1 1. 岩土力学与工程国家重点实验室中国科学院武汉岩土力学研究所 2. 广西岩土力学与工程重点实验室桂林理工大学 摘要 有效确定含天然气水合物 （以下简称水合物） 沉积物的工程力学特性并厘清其随水合物分解过程的变化规律， 是实现水合物安全、 高效开采的前提和保证。为此， 围绕水合物开采过程所涉及的关键土力学问题， 从物理力学特性的关键测试技术、 沉积物的力学特性、 含水合物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程土力学多场耦合数值模拟等方面，分析和评述了国内外最新相关研究现状、存在 的缺陷与不足，进而探讨了上述研究方向未来的发展趋势。结论认为 , 尽管经过 20 多年来的发展，有关水合物开采的理论、方法和 技术均取得了显著的进展，但从岩土力学的角度来看，目前仍然面临着以下挑战 ①大尺度含水合物沉积物试样的人工制备 ； ②含 水合物沉积物微细观组构的精细探测与定量表征 ； ③组构变化对含水合物沉积物力学特性的影响机理与规律 ； ④开采扰动下，流沙 发生的条件及对储层稳定性的影响机制 ； ⑤开采扰动下，多相多组分含水合物储层的多过程耦合问题 ； ⑥水合物分解 / 生成条件下， 含水合物沉积物的本构响应 ； ⑦有关水合物开采过程数学模型的适定性问题 ； ⑧高效稳定的水合物开采过程数值模型的全耦合解法。 关键词 天然气水合物 ； 沉积物 ； 土力学 ； 力学特性 ； 发展趋势 ； 测试技术 ； 理论模型 ； 数值模拟 DOI 10.3787/j.issn.1000-0976.2020.08.009 Geotechnical problems in exploitation of natural gas hydrate Status and challenges WEI Changfu1,2, YAN Rongtao2, TIAN Huihui1, ZHOU Jiazuo1, LI Wentao1, MA Tiantian1, CHEN Pan1 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering//Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering//Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China NATUR. GAS IND. VOLUME 40, ISSUE 8, pp.116-132, 8/25/2020. ISSN 1000-0976; In Chinese Abstract Effective determination of the mechanical properties of natural gas hydrate NGH bearing sediments and their variations in the process of NGH dissociation is the prerequisite and guarantee for safe and efficient NGH exploitation. Focusing on the key geotechni- cal problems involved in the process of NGH exploitation, this paper first critically reviewed and analyzed the current state of knowledge from the aspects of experimental technology of physical mechanical behavior, mechanical behavior, theoretical modeling and numerical analysis, and then discussed the future development trend. In conclusion, after over the past two decades of development, significant progress has been made in the theories, ologies and technologies related to the NGH exploitation, but in terms of geotechnics, many challenges still remain, including artificial preparation of large-scale NGH bearing samples; fine detection and quantitative char- acterization of micro- and meso-fabrics in NGH bearing sediments; underlying mechanisms for the influence of fabric change on the mechanical behaviors of NGH bearing sediments; occurrence conditions of drifting sand and its influence on reservoir stability under the disturbance of exploitation; multi-process coupling in NGH bearing reservoirs under the disturbance of exploitation; constitutive response of NGH bearing sediments during NGH dissociation/ation; well-posedness of the mathematical models related to NGH exploitation; and robust fully-coupled numerical solution procedures for the boundary value problems related to NGH exploitation. Keywords Natural gas hydrate; Sediment; Geotechnics; Mechanical behavior; Development trend; Test technology; Theoretical model- ing; Numerical analysis 基金项目 国家自然科学基金重点项目“中国南海典型深海土的介质重构、组构表征与工程力学特性” （编号 51939011） 、国家自 然科学基金重点项目“深海水合物开采中能源土灾变机理与控制理论” （编号 51639008） 、广西自然科学基金面上项目“含天然气水合 物砂土试验室制样技术及力学特性” （编号 2017GXNSFAA198215） 。 作者简介 韦昌富，1966 年生，研究员，博士 ； 主要从事多相多组分孔隙介质连续统理论及其工程应用等方面的研究工作。地址 （430071）湖北省武汉市武昌区水果湖街小洪山 2 号。ORCID 0000-0002-7259-9652。E-mail cfwei 第 8 期 117 韦昌富等天然气水合物开采的土力学问题现状与挑战 0 引言 天然气水合物（以下简称水合物）可存在于海 洋大陆架边缘地层或寒区永久冻土层中 [1]，本文主要 讨论海底水合物储层的情况。海底水合物储层不同于 冻土储层，除了环境温度在 0 ℃以上以及孔隙中不含 冰外，所处水深大、埋深浅，骨架固结程度弱或没 有固结，工程地质条件复杂。此外，海底水合物储层 不仅具有普通深海沉积物所具有的内部结构与工程 地质特性，而且还因水合物的可相变性，其内部结构 及工程特性随着水合物开采过程均在不断地演变中。 可相变性指在合适温度、压力及水化学条件下，沉 积物孔隙中固体水合物可以分解成液态水和天然气 ； 反之，孔隙中液态水和天然气也可生成水合物。正是 这种可相变性，使得含水合物沉积物在环境荷载作用 下表现出比普通海底沉积物更为复杂的工程力学行 为特征，并伴有显著的多相、多场、多过程耦合效应。 特别地，在水合物开采过程中，水合物分解产生天然 气和液态水并吸收周围的热量， 从而引起渗流、 扩散、 热传导等耦合过程 ； 同时，随着水合物的分解，水合 物的胶结作用逐渐受到破坏，沉积物骨架抗剪强度 减弱， 压缩性增大， 从而导致沉积物变形或骨架坍塌， 最终引发流泥、流沙、井壁破坏、储层沉降或失稳、 大范围海底滑坡等重大工程或地质灾害问题 [2-3]。因 此，有效确定含水合物沉积物的工程力学特性并厘 清其随着水合物分解过程的变化规律，是实现水合 物安全、高效开采的前提保证。 笔者围绕着水合物开采中所涉及的关键土力学 问题，从含水合物沉积物的物理力学特性的关键测试 技术、含水合物沉积物的变形与强度特性、含水合 物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程的数值模 拟方法等几个方面，分析和评述国内外相关研究现 状和进展，并在此基础上探讨这些方向的未来发展 趋势及所面临的挑战。从岩土工程的角度来看，水 合物开采还涉及许多其他的重要方面，如原位取样、 原位土工测试、原位监测、海底稳定性分析、深海 基础工程（如锚固基础）等。毫无疑问，这些方面 的工作也是不可或缺的，但本文除了在讨论未来发 展趋势时有所涉及外，重点只放在含水合物储层的 工程力学特性方面。本文中，“含水合物沉积物” 和 “水 合物储层”这对名词可以互用。在一些文献中 [4]，含 水合物沉积物也被称为“能源土” ，但本文将采用国 际比较流行的说法，即“含水合物沉积物” （hydrate- bearing sediment）[2]。 1 物理力学特性的测试方法和技术 1.1 含水合物沉积物试样的制备方法 由于水合物稳定条件较为苛刻，钻取和运输过 程中压力和温度的变化会导致水合物分解，使得原状 含水合物沉积物试样的获取与运输极为困难，因此， 实现人工制备含水合物沉积物试样显得尤为重要。在 此之前，了解水合物于沉积物中的赋存模式则是人 工制备含水合物沉积物试样的前提条件。 自然界中，天然气水合物主要存在扩散型、渗 漏型及复合型等 3 种成藏模式 [5-6]。在扩散型成藏模 式下，水量丰富，天然气渗漏通量低，称为富水环境， 气体只能通过扩散进入水合物稳定带与水结合形成 水合物 ； 而在渗漏型成藏模式下，构造裂隙发育，天 然气渗漏量高，称为富气环境，下部游离气体沿着 构造裂隙往上运移至水合物稳定区和当地的孔隙水 结合形成水合物 [7-8] ； 复合型兼具扩散型和渗漏型两 者的成藏特征。因此，在这 3 种典型环境中，水合 物在粗粒土中主要以 4 种模式存在 ①孔隙填充模式。 水合物颗粒主要悬浮于孔隙水中，与附近土颗粒无实 质接触 [9]。②持力体模式。这种模式由孔隙填充模式 发展而来，当水合物含量达到一定量后部分水合物起 支撑作用并桥接相邻的颗粒，从而成为承重骨架的 一部分。一般地，当水合物饱和度超过 25 ～ 40 时，填充型水合物会变成持力型水合物 [9-12]。③胶结 模式。水合物优先在多孔介质颗粒接触处及附近生 成，使土颗粒接触并黏合在一起，从而胶结成一个 固体骨架 [13-14]。④包裹模式。水合物包裹于土颗粒周 围。在细粒沉积物中，水合物一般以分散的结核状、 透镜体或脉状块体形式存在 [15-18]。 为了模拟原位的水合物赋存情况可在实验室制 得含水合物沉积物试样，目前实验室制备试样使用的 主要有饱和法、非饱和法、冰种子法、混合法等。饱 和法是指在一定压力条件下制备气体的超饱和溶液， 将其注入沉积物后，通过降低温度在沉积物孔隙中生 成水合物 [19]。这种方法可以很好地制得孔隙填充模 式和持力体模式试样，但由于甲烷等天然气体的溶 解度较低，该方法制备的水合物饱和度较低且耗时。 为了克服这一困难，有学者尝试利用添加剂来增大甲 烷气体溶解度 [20-21]。非饱和法利用沉积物在非饱和情 况下具有较高气水接触面积的特点，使过量气体与 孔隙水在合适温度、压力条件下充分反应，从而在 沉积物中生成较高饱和度的水合物，该方法已被证 天 然 气 工 业2020 年第 40 卷 118 实能很好地模拟胶结模式和包裹模式的试样 [22-24]。冰 种子方法是将冰粉与土混合制样或将试样预先冻结， 在供气条件下逐渐升温，孔隙冰融化后与气体结合 形成水合物 [25-26]。 该方法可以加快水合物的生成过程， 但在制样过程中存在冰粉压融现象，如果预先冻结 试样，则可能因为“冻吸力”引起水分迁移而造成 水合物分布不均。上述 3 种方法均是先制备沉积物， 再通过控制温度和压力条件在沉积物孔隙中形成水 合物。为了进一步提高水合物制备效率及水合物饱 和度，Hyodo 等 [27] 通过先制备水合物粉，然后与沉 积物按一定比例混合，压制成含水合物沉积物试样， 这类方法称为混合制样法。由于水合物的形成条件 较为苛刻，对试验条件要求较高，应用这种方法的 关键在于抑制制备过程中水合物粉的分解，避免水 合物含量计算不准确。 总体上，虽然目前的实验室制样技术能够初步 满足含水合物沉积物物理力学试验要求，但仍有以下 几个关键问题亟待解决 ①制备大尺度的孔隙填充 模式和持力体模式的含水合物试样，以供开展物理模 型试验 ； ②克服制样过程中的重力和吸力的影响 [28]， 制备物理力学试验所需的均匀含水合物沉积物试样 ； ③在水合物形成过程中实现含量的精准控制与测量。 1.2 水合物含量的确定方法 含水合物沉积物的物理力学特性与水合物含量 密切相关 [12,23-24,27]，因此准确地确定水合物含量是研 究含水合物沉积物物理力学特性的关键问题之一。目 前常用的水合物含量的确定方法主要包括 [29-31] 压 降法计算、含水量消耗计算、时域反射技术、核磁 共振技术等。压降法是指通过水合物生成前后气压 变化计算出气体消耗量从而计算得到水合物的生成 量。在非饱和法制样中， 客体气体分子一直保持过量， 通过假定沉积物中水分完全参与水合反应生成水合 物，即可利用所消耗的水量来计算出水合物饱和度。 而时域反射（TDR）技术则是通过测定水合物生成 前后孔隙水介电常数变化来反算水合物饱和度。近 年来，田慧会等 [31] 利用低场核磁共振技术确定了天 然气水合物的水合数，进而求得了水合物含量大小。 现有的各种水合物含量的确定方法均存在一定局限 性， 如测量精度难以确定、 不同方法间缺乏一致性等， 研发高精度的沉积物水合物含量测量方法仍是一项 亟需开展的任务 [32]。 1.3 微细观组构探测技术 现有的沉积物组构的探测技术主要包括 ①声 波技术 [33-35]。即根据实测的声波参数如波速、衰减及 其频散特性反演水合物沉积物的孔隙度、水合物饱和 度、弹性模量等参数，并分析水合物在沉积物中的赋 存状态。②电阻率法 [36-38]。基于沉积物电阻率与复电 阻率频散特性随着水合物含量及赋存模式的变化规 律，测定沉积物中水合物的含量与分布。③ TDR 技 术 [29,39]。根据介电常数与含水量的关系，推算出沉积 物试样中水合物含量的变化。 ④计算机辅助成像 （CT） 技术 [40-42]。利用含水合物沉积物不同组分对 X 射线 衍射的吸收与透过率不同而形成含水合物沉积物的微 观图像，并由此观测和表征水合物体积以及剪切过程 中微细观结构变化。⑤核磁共振（NMR）技术 [31,43-44]。 利用孔隙水核磁信号与弛豫时间探测含水合物沉积 物中水合物含量及赋存状态。 在以上 5 种探测技术中，前 3 种探测技术主要 根据含水合物沉积物的波速、电阻及介电常数随沉 积物各组分和组分含量的变化关系来反演其内部微 细观组构，此类办法能定性反映体系中水合物相变 过程以及微细观结构变化，但不适用于在微细观层 面进行定量探测和分析。与其他方法相比，CT 技术 和 NMR 技术是两种极具潜力的组构探测及参数测定 技术，其最大的优势在于它们是直接、定量、快捷 的测试方法。但是，X 射线衍射存在辐射效应需要 特殊材料进行试验防护，NMR 技术则必须保证相关 试验设备对含水合物沉积物无核磁信号干扰。另外， 昂贵的价格也限制了 CT 技术和 NMR 技术在水合物 研究领域的应用。 1.4 水力特性的测试方法 含水合物沉积物的水力特性包括渗透性和持水 曲线。传统上，沉积物渗透率的测定方法主要有非稳 态法和稳态法。稳态法是在稳态渗透状态下通过测 定试样两端的压力差及孔隙水的渗流量，再由达西 定律求得渗透系数。在含水合物沉积物渗透系数的 测定试验中，稳态法比较流行 [45-47]。然而，稳态法的 测试时间比较长，在测试过程中水合物易发生分解， 从而影响到测试精度。相比之下，非稳态法所需时 间较短，只需要测定水流量（或孔隙压力）随着时 间变化关系，然后利用数学模型来反演得到渗透率。 目前，非稳态法已开始应用于含水合物沉积物渗透 率的测定中，例如 Jaiswal[48]采用 JBN 非稳态法测 定了含水合物沉积物的有效渗透率 ； 张宏源等 [49] 基 于瞬态压力脉冲法测定了含水合物粉细砂的渗透率。 除了上述两种方法， 一些间接的渗透系数方法， 例如， 第 8 期 119 韦昌富等天然气水合物开采的土力学问题现状与挑战 Kleinberg[50]利用 T2分布特征采用 Kenyon 公式计算 了含水合物沉积物中的相对渗透率，这种方法在石 油领域测井中广泛应用 ； Kneafsey 等 [51] 基于 CT 技 术监测沉积物中不同组分的密度变化，推算出了含 水合物砂土的渗透系数。总之，含水合物沉积物渗 透性的测试难点在于水渗流过程会引起水合物的溶 解或分解，减小水合物含量。因此，如何有效避免 或减小水合物含量的变化是优化含水合物沉积物渗 透性测试的关键。 持水曲线是指沉积物中吸力与液态水含量的关 系，其受到水合物含量的影响。Mahabadi 等 [52] 在传 统的非饱和土持水曲线测试装置上增加了控温系统， 测试了含 THF 水合物砂土在不同水合物饱和度条件 下的持水特征曲线 ； Ghezzehei 等 [53] 对压力室进行了 改造，使试样处于高压环境，并且提高溢出水端口 压力保证气水压力差在高进气值陶土板可控范围 内，同时增加了控温装置来控制系统温度，在此基 础上测得了含水合物沉积物的脱湿和吸湿曲线。由 于持水特征曲线测试非常耗时，其中水渗出过程可 能导致水合物分解，而施加的气体压力则有可能导 致水合物进一步形成，从而影响到测试结果的精度。 为了克服这一问题，有学者采用物理仿真模拟来研 究水合物赋存对含水合物沉积物持水特征曲线的影 响 [54-55]。目前有关含水合物沉积物持水曲线的直接 测试工作非常稀缺，主要问题在于如何通过控制温 度、压力以及其他手段来保证测试过程中水合物不产 生二次形成或分解，以保证水合物含量的恒定不变， 从而提高测试结果的精度。 1.5 力学特性的测试技术 力学特性包括应力应变关系、压缩特性、抗剪 强度特性等，可通过直剪仪、三轴剪力仪等仪器来 测定。尽管直剪仪操作简便，适合于工程应用，但 目前利用直剪仪来测试含水合物沉积物抗剪强度的 报道非常少。中国科学院武汉岩土力学研究所是最 早开展这方面研究的单位之一，研制了国内首台含 水合物土直剪仪（图 1） 。该设备将剪切盒安装于反 应釜内，通过气瓶提供生成水合物所需的高压气体， 用恒温箱控制反应釜内试样的温度，最终形成水合 物沉积物试样 ； 通过活塞式加载杆实现法向力和切 向力的加载与卸载，用气瓶输出压力提供法向压力 而用恒流泵提供切向推力。Liu 等 [56-57] 采用该设备 开展了一系列含 CO2水合物沉积物的直剪试验，揭 示了含水合物沉积物的抗剪强度随水合物饱和度的 变化规律。 三轴剪切试验是测试含水合物沉积物力学特性 最常用的方法，可以测得应力应变关系以及变形和 强度特性。表 1 列出了国内外各主要研究单位的含 水合物沉积物三轴剪切系统的基本信息。各种三轴 仪的主要差别在于所采用的试样制备、水合物含量 确定、试样体变测量等方法上，这些正是含水合物 沉积物三轴试验的难点。在大多数三轴试验中，试 样均采用非饱和法制备，通过配置不同初始含水量 来控制水合物饱和度。假设试样中孔隙水完全转化 成水合物，Ghiassian 等 [24] 及 Hyodo 等 [66] 通过确定 试验结束后水合物分解所释放的气体量反算得到水 合物含量大小。目前在三轴试验中体变测定主要有 以下 3 种方法 ①在恒定围压时，通过围压泵驱动 液体积变化换算获得 [24,65] ； ②类似于非饱和土试样体 积量测的双压力室法 [66] ； ③采用径向应变传感器进 行量测 [67]。为了评价现场所取的含水合物沉积物试 样的力学特性，Yoneda 等 [68] 开发了一套新型的三轴 试验系统（TACTT） ，可将原位取得含水合物试样直 图1 含水合物土直剪仪的结构示意图 [56-57] 天 然 气 工 业2020 年第 40 卷 120 接嵌入三轴压力室进行试验，并保证整个过程中试 样处于稳定状态。这套系统采用了图像处理技术来 监测三轴剪切过程中试样的体积变化。 目前有关水合物沉积物的工程力学特性试验仍 然存在许多问题，如测试方法与标准没有统一、各种 试验数据之间缺乏可比性、试样制备方法单一、试 验结果不能真实反映原位沉积物的行为特性等。这 些均为目前亟待解决的难题，是弄清含水合物沉积 物工程力学特性，揭示刚度、强度等物理力学参数 的变化规律以及识别其关键影响因素所必须解决的 关键问题。 2 含水合物沉积物的变形与强度特性 2.1 含水合物沉积物的抗剪强度特性 含水合物沉积物的抗剪强度是指沉积物达到破 坏时所能承受的剪应力。Winters 等 [69] 通过试验证 明了水合物沉积物的抗剪强度取决于孔隙中水合物、 液体水、天然气、冰等填充物的相对数量和空间分 布形态。李洋辉等 [70] 将水合物颗粒与土颗粒混合制 成试样并开展了三轴试验，发现水合物含量增加显 著提升了试样的抗剪强度，且水合物的主要贡献在 于增加黏聚力，而对内摩擦角影响较小。Masui 等 [25] 通过开展三轴剪切试验发现，冰砂混合物制得试 样只有在水合物饱和度超过 25 时才能提升其抗剪 强度，而水砂混合物制得试样的抗剪强度随水合 物饱和度的增大而显著上升。Miyazaki 等 [71] 的试验 结果表明，含水合物砂的抗剪强度和刚度随水合物 饱和度和有效围压的增加而增加，而割线泊松比随 有效围压增加而降低。颜荣涛等 [23] 分别用非饱和法、 饱和法制备水合物沉积物试样并开展三轴试验，发 现非饱和法制作的水合物试样抗剪强度随饱和度增 大而显著提高，而饱和法制作试样的力学性质受水 合物含量的影响不大 ； 这种差异性可归因于水合物 赋存模式的不同，非饱和法制备的试样中水合物以 胶结形式存在， 而饱和法产生填充型水合物。 Liu等 [57] 采用直剪仪研究了 CO2水合物沉积物的抗剪强度特 性，发现峰值抗剪强度和残余抗剪强度均随水合物 饱和度和法向应力的增加而提高。综上所述，水合 物含量和赋存模式对含水合物沉积物强度都会产生 明显影响，并且水合物主要贡献于增加黏聚力，而 对内摩擦角影响较小 [12,23,25,71]。 表1 各种含水合物沉积物三轴试验系统对比表 序号设备名称设备性能试验材料所在单位来源 1 水合物沉积物合成与力 学性质试验一体化装置 最大气压 10 MPa；温度－ 20 ～ 20 ℃ 甲烷、CO2、四氢呋喃、 粉细砂 中国科学院力学所张旭辉等 [58] 2TSZ-2 型三轴仪 最大轴压 50 kN；最大气压 15 MPa，温度－10 ～ 100 ℃ 甲烷、砂土、泥质粉 砂 青岛海洋地质研究所李彦龙等 [22] 3TAW-60 高压低温三轴仪 最大轴压 60 kN；最大气压 30 MPa，温度－20 ～ 25 ℃ 甲烷、冰、高岭土大连理工大学李洋辉等 [59] 4低温三轴试验系统 最大轴压 100 kN；最大气压 30 MPa，温度－25 ～ 25 ℃ 甲烷、膨润土中国石油大学（华东）李令东等 [60] 5 可燃冰三轴原位力学测 试平台 最大轴压 250 kN；最大气压 30 MPa，温度－30 ～ 50 ℃ 甲烷、南海沉积细砂中国科学院广州能源所关进安等 [61] 6 含水合物煤体力学性质 试验装置 最大轴压 78.5 kN；最大气压 20 MPa，温度－20 ～ 60 ℃ 甲烷、煤黑龙江科技大学高霞等 [62] 7 沉积物力学性能三轴测 试仪 最大气压 20 MPa；温度－ 30 ～ 30 ℃ 砂土加拿大卡尔加里大学Ghiassian等 [24] 8温控高压力三轴仪 最大气压 30 MPa；温度－ 35 ～ 50 ℃ 砂土日本山口大学Hyodo 等 [63] 9 水合物与沉积物测试系 统 GHASTLI 最 大 气 压 25MPa； 温 度 － 3 ～ 25 ℃ 沉积物美国地质调查局Winters 等 [64] 10 多功能水合物沉积物三 轴试验系统 最大轴压 250 kN；最大气压 50 MPa，温度－20 ～ 30 ℃ 甲烷、CO2、细砂、粉 土、泥质粉砂 中国科学院武汉岩土力 学研究所 周家作等 [65] 11 含水合物沉积物多应力 路径三轴试验系统 最大轴压 200 kN；最大气压 70 MPa，温度－20 ～ 80 ℃ 砂土、黏性土桂林理工大学 第 8 期 121 韦昌富等天然气水合物开采的土力学问题现状与挑战 2.2 含水合物沉积物的剪胀 / 剪缩特性 研究结果表明，水合物的形成会影响含水合物 沉积物的剪胀 / 剪缩特性。Miyazaki 等 [71] 用人工合 成水合物砂试样进行三轴试验，在轴向荷载逐渐增 加，试样逐渐从剪缩变为剪胀，偏应力也在到达最 高点后迅速下降呈现应变软化现象。Hyodo 等 [66] 的 试验也证实了水合物沉积物的剪胀性随着水合物饱 和度的升高而明显增大。Masui 等 [72] 利用水合物沉 积物的钻井岩心进行三轴试验，发现与室内合成的 水合物砂相比，剪胀性弱于人工合成水合物试样。从 微观层面，Pinkert 等 [73] 认为在剪切作用下水合物颗 粒破碎损伤引起了试样应变软化的出现，破碎后的 水合物颗粒与砂颗粒一起运动，相互翻转跨越导致 试验出现剪胀变形。显然，水合物生成使含水合物 沉积物试样从开始阶段的应变硬化向应变软化转变， 同时伴随着剪胀现象。随着水合物饱和度的增加，应 变软化和体积剪胀性会更加明显 [66,74-77]。另外，增大 的围压会限制颗粒之间的相互翻转跨越运动，使沉 积物的剪胀性变弱，甚至出现剪缩现象 [78-79]。 水合物沉积物的剪胀机理可用图 2 来进行说明。 剪切面两侧土颗粒受到法向力 FN和剪切力 FT，作用 在每个颗粒上。当颗粒松散排列时切向变形使其排列 更密集，从而使土体收缩并显示出应变硬化行为（图 2a → b） ； 相反，当颗粒处于密实状态时，在剪切过 程中则可能发生体积膨胀即剪胀（图 2b → a） 。一旦 水合物形成，孔隙空间就会被水合物部分填充，从而 使土体的固体骨架变得更加致密，因此剪胀性随水合 物饱和度增大得以提高（图 2-c） 。如图 2-d 所示，取 剪切面上局部土颗粒和水合物颗粒对其进行受力分 析，FN和 FT的合力与土颗粒和水合物颗粒接触面构 成夹角 α。在较低围压时 FN较小，夹角 α 较小，土 颗粒和水合物颗粒发生滑动跨越导致土体膨胀增大 而发生剪胀，同时由于胶结结构丧失导致应变软化 变形特征（图 2-e） ； 当围压增大时，FN增大导致夹 角 α 增大，当 α 大于土颗粒与水合物颗粒之间的摩 擦角时，土颗粒与水合物颗粒组成的系统将产生自 锁效应而无法沿接触面滑动，水合物颗粒被不断增 大的 FT压碎， 从而形成更紧密的结构表现为剪缩（图 2-f） ，在此过程中水合物沉积物应变软化特征减弱甚 至转变为应变硬化。 2.3 含水合物沉积物的小应变刚度 小应变刚度指的是应变为 10 －5 ～ 10 －8 情况下 试样的变形模量或剪切模量，声波探测是研究试样小 应变刚度的有效方法。Lee 等 [81] 在砂土、粉土和黏 土中形成 THF 水合物，通过测试试样的 P 波和 S 波 研究了小应变刚度特性。其试验结果表明，含水合物 沉积物的 P 波和 S 波受水合物饱和度、有效应力和 沉积物比表面积的影响显著。由于水合物的胶结和填 充作用，含水合物沉积物的小应变体积模量和剪切模 量会随着水合物增大呈现明显的上升趋势 [82-84]。Priest 等 [84] 采用“富气法”和“富水法”分别制备含水合 物砂土试样，发现两种试样显示明显不同的波速响 应。对于“富气法”形成试样，水合物主要起到胶 结作用，少量的水合物就可以明显提高含水合物沉 积物的刚度 ；而“富水法”形成试样，水合物主要 填充于孔隙中，只有当水合物达到一定含量时，水 合物赋存模式从填充型转变为持力体型，含水合物 沉积物的刚度才能得以提升。 这一结论在Choi等 [34,82] 所进行的实验室中也得到了验证。可见，水合物含 量及赋存模式对沉积物的小应变（10 －5 ～ 10 －8）刚 图2 水合物沉积物剪切变形机理示意图 （据本文参考文献［80］修改） 天 然 气 工 业2020 年第 40 卷 122 度具有显著的影响 [9-11,85]。 基于水合物含量及赋存模式对含水合物沉积物 试样的小应变刚度的影响机制，研究人员针对于不 同水合物赋存模式建立了预测含水合物沉积物波速的 理论模型，通过测定剪切波速、压缩波速与水合物饱 和度关系来综合判别沉积物中水合物的赋存模式 [86-87]。 这种水合物赋存模式的识别方法目前已得到一定程 度的应用 [34, 88-90]。 综合上述分析可知，水合物含量及其赋存模式 对沉积物强度和变形特性的影响已经成为当前重点 研究的问题。尽管现有的研究成果已初步揭示了水合 物含量和赋存模式对沉积物物理力学特性的影响规 律，但囿于制样方法与实验技术，目前对含水合物 沉积物物理力学特性的研究仍然存在以下几个问题 ①对在水合物含量变化下填充型向持力体型转变过 程中沉积物的物理力学变化规律缺乏深入系统的认 识 ； ②对水合物分解过程中因水合物局部分解而导 致的含水合物沉积物抗剪强度的衰减及压缩性的增 加规律几乎没有涉及 ； ③流泥流沙情况下含水合物 沉积物骨架的物理力学特性衰化规律仍然没有厘清。 另外，目前有关沉积物物理力学特性的试验数据均在 特定试验条件下获得， 缺乏一致性、 可比性和系统性， 需要针对典型水合物储层介质的物理力学特性开展 系统深入的试验研究工作。 3 含水合物沉积物的物理力学模型 3.1 沉积物体系中水合物相平衡模型 沉积物中水合物相平衡模型描述了水合物在平 衡时温度、压力与其他状态变量（如水合物含量、液 态水含量、含盐量等）之间的关系，是含水合物沉 积物最基础的本构关系之一。最早的水合物相平衡 模型是由 van der Waals 等 [91] 所建立的，主要预测非 沉积物中纯水合物的相平衡压力和温度条件。在沉 积物中，由于沉积物颗粒表面物理吸附和孔隙毛细 管效应的影响，孔隙水活度降低影响了相平衡条件， 因此相平衡模型应该考虑沉积物孔隙大小及分布特 征的影响。Clennell 等 [92-93] 将 Gibbs-Thomson 方程 引入 vdWP 模型， 从而考虑了孔径引起的毛细管效应， 建立了沉积物中水合物相平衡模型。该模型只适合 于描述具有单一或窄孔径分布的沉积物中水合物相 平衡条件。为突破这一局限性，颜荣涛等 [94] 引入了 孔径分布函数，并根据水合物分解的孔径大小顺序， 确定了孔径大小分布与水合物饱和度的关系，从而 得到了 pTSh三维相平衡关系。最近，利用沉积 物孔径分布与持水特性的内在关联性，颜荣涛等 [95] 通过引入持水曲线，建立了沉积物中水合物的宏观 相平衡模型。 近年来，Wei[96]基于多孔材料的连续介质理论建 立了能考虑骨架与孔隙溶液之间复杂物理化学作用 的多相岩土介质化学力学耦合理论，并提出了能考 虑渗透、毛细管、吸附等效应的孔隙溶液各组分化学 势的一般数学表达式。在此基础上，Zhou 等 [97] 建立 了能够考虑复杂物理化学效应的水合物相平衡方程， 该方程给出了平衡温度偏移量与毛细管吸力和盐溶 液浓度的关系，揭示了沉积物持水特性与相平衡条 件的内在联系。结合所提出的相平衡方程和沉积物 的持水特征曲线，进而提出了水合特征曲线（SHCC） 的概念，即含水合物沉积物中液态水含量与平衡温 度偏移量的关系曲线。在 pTw 三维空间中（w 为液态水含量） ，SHCC 描述了沉积物中水合物的相 边界。如图 3 所示，对于任意指定的水合物沉积物， 在平衡时含水合物沉积物中的温度、压力和液态水 之间存在唯一关系，这与实验观测结果是完全一致 的。该模型克服了传统水合物相平衡模型不能预测 任意平衡的温度和压力下沉积物中液态水含量问题， 不仅形式简单（没有涉及微观参数） ，而且还能综合 考虑盐分、毛细管以及物理化学吸附的影响。 图3 在 pTw 空间中含 CO2水合物沉积物的相平衡 面及其在各平面上的投影 [97] 注pT 平面上的虚线为不含盐时纯 CO2水合物的相平衡线图。 3.2 含水合物沉积物水力模型 含水合物沉积物的水力模型包括渗透率函数模 型和持水曲线模型，其中，渗透率函数不是严格意义 上的本构关系，而只是一条辅助的经验关系式。在 处理土体渗透性时，通常的做法是根据孔隙分布特 征把孔隙简化成不同孔径大小的平行的毛细管，再 利用流体力学的原理来确定其渗透性 [98]。基于这种 第 8 期 123 韦昌富等天然气水合物开采的土力学问题现状与挑战 思想，考虑到孔隙包裹型和孔隙填充型对平行毛细 管特征的影响，Kleinberg[50]分别建立了能够考虑孔 隙包裹型与填充型水合物赋存模式的水合物沉积物 渗透率模型。然而，这类模型没有考虑土体中渗流 路径的曲折性，也没有考虑水合物形成后对孔隙联 通性的改变，因此该模型的预测结果与实际情况有 一些差距。在自然界中，根据所处环境条件与水合 物含量，包裹型和填充型水合物可同时出现于海底 沉积物中，并且同时对渗透率存在影响，只是程度 不同而已。针对于这种情况，Delli 等 [99] 提出了一个 混合式模型，该模型可以考虑包裹型和填充型两种水 合物模式共存的情况。此外，对于水合物分布不均匀 的情况，Dai 等 [100] 修正了 Kozeny-Carman 模型，较 好地模拟了渗透率随水合物饱和度的变化。 含水合物沉积物的持水特性控制了气水渗流 过程，并影响着沉积物的其他工程力学特性。在有 关水合物开采的边界