天然气水合物开采过程中沉积层变形机理研究

During the production of methane hydrate, the dissociation of hydrate will cause the deformation of layers, and then may induce a subsea landslides and methane gas leakage, etc. It is a key problem demanding prompt solution to study the deformation mechanism of hydrate-bearing layers for safe production. Against this background, the project will base on the microfocus X-ray CT hydrate triaxial test platform to simulate the process of methane hydrate production, conduct a series of triaxial shear tests and creep tests on the methane hydrate-bearing sediments before and during hydrate dissociation, obtain both macro and micro deformation parameters, describe the initial fabric and the evolution of fabric during hydrate dissociation or deformation under different conditions, analyze the relationship between fabric evolution and macro-mechanical properties (failure strength and dilatation, etc.), reveal the deformation mechanism of layers during methane hydrate production. Based on the obtained macro and micro experimental data, establish a new elastoplastic constitutive model considering fabric evolution for methane hydrate-bearing sediments by introducing macro parameters which considering the fabric evolution during hydrate dissociation and deformation. The outcomes will provide a theoretical basis and technical support for assessing the stability of hydrate-bearing layers and safe production of methane hydrate.

天然气水合物开采过程中水合物分解会导致沉积层变形，可能诱发海底滑坡、甲烷气体泄漏等灾害，揭示其变形机理，是目前天然气水合物资源安全开采亟待解决的关键科学问题。本项目以此为研究背景，拟基于微焦点X射线CT水合物三轴试验平台模拟天然气水合物开采过程，进行天然气水合物稳定条件下和天然气水合物分解过程中沉积物X射线CT三轴剪切试验和蠕变试验，同时获取宏观、微观变形参数，描述不同工况下天然气水合物沉积物初始组构以及分解、变形过程中沉积物组构演变规律，探明组构演变与沉积物强度和剪胀性等宏观力学特性的关系，揭示天然气水合物开采过程中沉积层变形机理。基于获得的宏观、微观实验数据，通过引入考虑分解、变形阶段组构变化的宏观参量，建立能够考虑组构演变的天然气水合物沉积物弹塑性本构模型，为天然气水合物开采过程中沉积层稳定性分析以及我国未来天然气水合物资源安全开采提供理论依据和技术支持。

天然气水合物沉积物是一个具有复杂力学行为特征的亚稳态结构体，其宏观变形过程涉及水合物相变、颗粒迁移和胶结结构破坏等微观结构变化，需要从微观尺度揭示其变形机理，才能更好地评估水合物开采过程储层稳定性。本项目以此为研究背景，基于微焦点X射线CT水合物三轴试验系统，开展了水合物生成、固结、剪切和分解过程中沉积物CT可视化实验研究，重建了水合物沉积物三维数字岩心，发现水合物首先在颗粒（砂）接触点处生成，然后逐渐包裹整个颗粒，使颗粒间发生胶结或形成团簇；固结过程中试样外围颗粒运移和孔隙收缩现象明显，靠近中部区域该现象不明显；水合物饱和度增大能够明显提高试样剪切强度并影响试样内颗粒运移和胶结结构破坏模式，使试样从鼓状破坏转变为具有固定厚度和倾角的剪切带破坏；水合物首先在孔隙和颗粒表面开始分解，颗粒接触点处水合物最后分解，在试样局部颗粒接触点附近存在水合物二次生成现象。基于获得的水合物沉积物宏微观力学特性数据，采用力学饱和度和结构因子描述胶结结构破坏引起的强度衰减，建立了粘聚力与力学饱和度之间的关系式，结合Drucker-Prager屈服理论，构建了考虑胶结结构破坏的水合物沉积物弹塑性本构模型。为天然气水合物开采过程中沉积层稳定性分析以及我国未来天然气水合物资源安全开采提供理论依据和技术支持。