微观和宏观尺度下甲烷、二氧化碳及其混合二元水合物的力学特性研究

Energy shortage, global warming and natural disasters have caused worldwide concern currently. Gas hydrates, especially CH4 and CO2 hydrates, have become a popular area of research because of their energy potential and environmental impacts. Understanding of their mechanical properties, however, remain poor and even contentious to some extent because of the limited knowledge and inadequate investigated methods to the in-situ hydrate formation. This proposal aims to use both molecular dynamic simulations (MD) and improved experimental methods to reveal the mechanical characteristics of CH4 hydrates, CO2 hydrates and their binary hydrates. It also targets to provide direct insight into the essential causes of the differences concerning the mechanical of hydrate and ice. The proposal centers on the mechanical behaviors of the contact interface between hydrates and sediment grains (e.g., sand grains) at the molecular- and macro-scale when the gas-hydrate bearing sediment experiences the compression, separation or dissociation. Understanding to these mechanical behaviors bridges the gap between the micro- and the macro-mechanical properties of hydrates, and paves a solid theoretical basis for the study regarding the mechanical properties of hydrate-bearing sediments. They are crucial for the future safe and efficient of natural-hydrate exploitations, for the hydrate-induced seabed geological disaster prevention, for the safety of CO2 geological sequestration, and for the deployment of a reliable long-term seabed-borehole coupled hydrate observational system in the Integrated Ocean Drilling Program. Fulfillments of these goals promise great strategic meanings for coping with the energy hungriness, climate changes and sustainable development of China.

当前，能源短缺、全球变暖、自然灾害等问题已引起全社会忧虑与关注，具有能源潜力与环境影响的CH4和CO2水合物也因此成为资源和环境领域的研究热点。力学性质是水合物的基础物性之一，然而受其形成条件和研究方法的限制，导致在水合物力学性质上认识上仍存在一些争议问题。本项目将应用分子动力学和改进的实验测试方法，力图从微观和宏观角度深入揭示甲烷和CO2水合物及其二元混合水合物的力学特性，厘清其与冰力学性质差异的内在原因，掌握水合物与沉积物基质间的力学作用机制与影响因素，从而为含水合物地层力学性质研究奠定坚实的理论基础。上述研究对今后水合物安全高效勘探与开发、水合物诱发的海底地质灾害预防、CO2地质埋藏的安全性以及部署可靠的长期海底耦合水合物观测系统等等都具有重要的理论意义和应用价值。当然，对我国应对能源短缺和气候变化、保障国家能源安全和社会可持续发展也无疑具有重要的战略意义。

天然气水合物力学性质是水合物开发所需的基础物性之一，然而受其形成条件和研究方法的限制，导致在水合物力学性质认识还存在很多不足。本项目利用宏微观力学实验方法对单晶、多晶甲烷和二氧化碳水合物及其沉积物的力学特性进行了较系统研究。.首先利用分子动力学模拟和涨落方法计算了全占据单晶胞SI型CH4水合物、CO2水合物以及混合二元水合物的压缩率、热膨胀系数、比热容。水合物中CO2比例的增加会导致压缩率、热膨胀系数的增加，而体积模量的变化却成相反趋势。其次，利用分子动力学的方法研究了单晶与多晶天然气水合物在力学荷载条件下的失稳行为。研究结果表明单晶水合物在拉伸条件下表现为无错的脆性破坏以及多晶水合物复杂的塑性变形（加强或削弱水合物强度）。在拉伸条件下，由应变导致的水合物分解伴随着晶界的结合力减弱和晶界的滑移 ，从而使多晶水合物分解。而在压缩条件下，观测到的固态结构转变以及水合物相变可以解释其力学响应行为。同时，我们利用改造的原子力显微镜实验系统对THF水合物进行了初步研究，发现水合物晶体呈多边形。最后在在宏观力学实验上，采用了直剪水合物试验仪测试了含二氧化碳水合物的粘土和砂样力学性质。人工合成的含水合物沉积砂试样剪切过程中发生了先剪缩后剪胀的现象。水合物饱和度越高，轴压越小，含水合物沉积砂和粉土试样的脆性指数越大，越容易发生脆性破坏。对于粘聚力，水合物沉积砂试样表现出线性增长趋势，水合物沉积粉土试样则表现出幂指数性增长趋势。对于摩擦角，水合物沉积砂试样先升高后在一定范围内稳定波动，而水合物沉积粉土试样则表现出先升高后降低的变化。.上述研究对今后水合物安全高效勘探与开发、水合物诱发的海底地质灾害预防、CO2地质埋藏的安全性以及部署可靠的长期海底耦合水合物观测系统等等都具有重要的理论意义和应用价值。当然，对我国应对能源短缺和气候变化、保障国家能源安全和社会可持续发展也无疑具有重要的战略意义。