含天然气水合物沉积物力学特性与考虑孔隙效应的广义相平衡关系研究

面向国家的能源战略需求，针对天然气水合物开采中由于天然气水合物相变导致的井壁失稳、地面塌陷以及滑坡等工程与环境灾害机理与控制的需要。将含天然气水合物沉积物的力学特性与表征相变条件及各相含量的广义相平衡关系相结合，综合运用多种方法手段，开展不同条件下含天然气水合物沉积物的力学与水合物相变试验，揭示含天然气水合物沉积物中土性、水合物含量、温度与压力对力学特性的影响特征，阐明加载受力作用对广义相平衡关系的影响；探明含天然气水合物沉积物中孔隙对水-气-水合物三相含量与分布影响特征，建立可考虑孔隙效应的表征相变条件与各相含量的广义相平衡模型；揭示含天然气水合物沉积物的力学与相变特性的相互影响机理，在此基础上构建一个能考虑含天然气水合物沉积物力学和相变特性的本构模型，同时利用模型和试验参数进行计算模拟，并检验与校正模型。研究成果对天然气水合物开发中环境灾害评估与防治具有重要的科学意义与应用价值。

天然气水合物是由气体（主要为甲烷）和水在高压和低温条件下形成笼形结晶化合物，主要要分布于深海和永久冻土区等。由于其储量丰富，可以作为一种潜在的战略储备能源。水合物的不当开采和气候恶化会诱导含水合物地层中水合物的分解，诱发海底滑坡、海底大规模沉降等地质灾害，威胁海洋钻井平台、海底管线等一些构筑物的安全。在评估含水合物地层的稳定性体系中，含天然气水合物土的力学特性以及含天然气水合物土的水合物相平衡关系模型是较为重要的两个核心关键问题。本项目围绕这两个核心问题，通过自行设计研制改造相关设备，开展了系列试验与理论分析，取得了以下研究成果： .（1）利用改造后的三轴剪切仪测试了两种形成模式下的含水合物砂土样的三轴力学强度，并且分析水合物形成模式、水合物含量对强度以及变形的影响，揭示了水合物与土颗粒相互作用对含天然气水合物土宏观力学特性的影响机理。.（2）深入分析研究了含水合物土的应力-应变关系，并提出了相应的本构关系模型，并利用Fortran语言编制程序对本构模型进行了实施与验证。.（3）通过自行研制的设备仪器，研究了不同干密度粉土中CO2水合物的形成过程和分解相平衡条件，研究了粉土孔径分布对其中CO2水合物的相平衡条件的影响机理。.（4）进一步探讨了赋存介质的孔隙大小及其分布特征对水合物相平衡条件的影响机理。在Van der Waals-Platteuw水合物相平衡修正模型的建模思想上，建立一套能考虑孔隙孔径大小及分布特征的相平衡模型，将二维P-T曲线外延至三维的P-T-Sr 曲面。.该项目通过三年研究工作的开展，按照项目计划书完成各项内容。研究成果对于天然气水合物开采诱发的各种环境地质灾害问题提供关键的技术方法与理论基础，对深入研究天然气水合物土的工程力学特性具有重要的意义。共发表科技论文7篇，其中SCI收录3篇，EI收录4篇；申请专利5项，其中授权发明专利3项，授权实用新型专利2项。