天然气水合物分解诱发深海能源土斜坡静力液化失稳机理与模拟

As a significant new-energy source, gas hydrate has the most promising exploitation in the 21 century. But the exploitation is easy to destroy its harsh occurrence conditions and dissociation, and make the submarine slope of energy soil, called hydrate-bearing sediments, instable and then induce submarine landslide. The deep research on instability mechanism and modeling of submarine energy soil slope is essential to ensure the safe exploitation. Taking the exploitation of gas hydrate in the northern South China Sea as the background, this program focus on the two special of deep sea energy soil under the dissociation of gas hydrate, i. e. underconsolidated gassy soil and constant shear special stress path. The static liquefaction characteristics and instability process are clarified by lab tests. The instability condition and failure condition of energy soil are given, and the relation between the instability line slope and state parameter is established. An elastic plastic constitutive model of energy soil, which can consider the influence of formation and decomposition of gas hydrates, is constructed based on the united hardening model. The model is implanted into the finite element program ABAQUS after verification, and then the deformation and stability analysis of actual submarine slope in the northern South China Sea is analized. A new framework is put forward to explain the instability mechanism and stability analysis of submarine slope for energy soil. The instability mechanism is revealed from different angle. This work can enhance the understanging on energy soil，and provide scientific basis for the safe exploitation of gas hydrate.

天然气水合物是21世纪最具开发前景的新型战略性替代能源，开采时极易破坏其苛刻的赋存条件而分解，诱发深海能源土（含天然气水合物的土体）斜坡失稳，导致海底滑坡。深入开展深海能源土斜坡失稳机理与模拟研究是确保水合物安全开采的重要前提。本项目以南海北部天然气水合物试采为背景，聚焦于天然气水合物分解情况下深海能源土的两个特殊性：含气欠固结的特殊土与常剪应力的特殊应力路径，通过室内试验阐明深海能源土静力液化特性与失稳过程，给出深海能源土的失稳与破坏条件，建立失稳线斜率与状态参数的对应关系；在统一硬化模型的框架下，构建能考虑天然气水合物形成与分解影响的深海能源土弹塑性本构模型，经验证后植入有限元程序ABAQUS，并对南海北部实际海底斜坡进行变形与稳定性分析；提出诠释深海能源土斜坡失稳机理与稳定性分析的新框架，从试验、理论与数值模拟等多角度揭示深海能源土斜坡失稳机理，为天然气水合物的安全开采提供科学依据。

天然气水合物是21世纪最具开发前景的新型战略性能源，开展深海能源土（含天然气水合物的土体）的本构模拟、斜坡失稳机理与稳定性分析是确保水合物安全开采的重要前提。本项目首先提出了一种含气土试样制备的新方法—水气置换法，开展了含气砂土的常剪应力路径三轴试验，结果表明同一孔隙比含气密砂在不同围压与常剪应力下具有相同的失稳线，含气砂土试样失稳时的应力比和体变均随初始相对密实度的增大而增大。同时开展了南海北部水合物成矿区海底柱状样现场取样、基础土工数据测试与室内合成能源土三轴试验等工作。基于能源土力学特性与变形机理，引入压硬性参量描述水合物对能源土填充和胶结双重作用下的等向压缩特性，引入黏聚强度修正屈服函数，利用状态参数反映能源土对密实度的依赖性，建立了一个能够描述能源土强度、刚度、剪胀与软化等特性的弹塑性本构模型。编制了模型的测试程序，模拟结果与试验结果的对比验证了模型的合理性和有效性。应用隐式的回退Euler算法推导了应力及塑性内变量的更新公式，将建立的能源土本构模型植入ABAQUS软件，模拟不同水合物饱和度条件下的能源土平面应变试验，分析水合物含量对对剪切带倾角与孔隙比的影响，并对南海北部真实海底斜坡进行了变形分析。基于高分辨率2D地震等实测资料，开展了南海北部陆坡主要灾害地质因素特征研究，并以典型的海底能源土斜坡模型为例，开展了海底能源土斜坡稳定性的多因素敏感性分析，结果表明水合物分解程度的敏感性最高，并提出了天然气水合物临界埋深的概念。以我国南海北部天然气水合物探索性试采为背景，在归纳总结能源土的力学性质、剖析海底能源土斜坡失稳机理的基础上，提出了基于有限元强度折减原理的深海能源土斜坡稳定性分析方法，并对4个试采目标井位海底斜坡在试采前、试采中及试采后的稳定性进行了评价分析，得到了海底斜坡在不同阶段、不同工况下的斜坡稳定安全系数、变形与位移信息，为试采指挥部决策提供了参考。