水合物分解引起浅层土层中气体喷发的机理研究

Gas hydrate is a strategic energy resource in China. It is reported that the large caverns in the Siberia permafrost and Barents seafloor were caused by gas hydrate dissociation, threatening the marine environment and structures. Such kind of gas outburst phenomenon is found in our laboratory experiments of the thermal-induced hydrate dissociation, and can reflect the main mechanical and geotechnical characteristics of the in-situ hazard. We regard that it is a problem related to soil shear failures in the overburden and development of gas-liquid-solid three-phase flow induced by the soil softening and gas expansion during gas hydrate dissociation. However, few research woks on this problem have been presented. Hence, this project includes the following three items: (1) Tests on shallow stratum failure before gas outburst during hydrate dissociation and development of three-phase flow; (2) Measurement of physical and mechanical parameters of overlying sediments and hydrate-bearing sediments before and after hydrate dissociation; (3) Analysis on the mechanism of gas outburst during hydrate dissociation. Through the above research, it is hoped to present a forecasting method for gas outburst related to hydrate dissociation, and provide a basic reference for precautions.

天然气水合物（简称水合物）是我国的战略能源。国际上报道巴伦支海海底和西伯利亚冻土区“天坑”由浅层地层中水合物分解后形成的超压气体喷发引起，对冻土区和海底环境构成严重威胁。我们在实验中发现了水合物分解引起的土层中气体喷发现象，可以解释这一灾害的物理机制。初步判断这是水合物分解相变引起超静流体压力产生，导致上覆土层破坏，进而在气体膨胀作用下向上快速运动，发展成为气-液-固三相流动，是一个多物理效应、多时间尺度的问题，目前非常缺乏这一科学问题的研究。因此，本项目将开展以下研究：（1）水合物分解引起浅层土层中气体喷发的实验模拟，获得基本现象、特征和数据；（2）土层在水合物分解前、后的物理和力学参数测量，获得分析所需的基础力学数据；（3）水合物分解引起土层中气体喷发规律分析，获得气体喷发发生的适用判据。通过这些研究获得水合物分解引起土层中气体喷发灾害的预测方法，为相关防范措施的制定提供基本依据。

天然气水合物（简称水合物）是我国的战略能源。水合物开采要满足商业化的要求，必须解决好两方面的问题：经济高效的开采方法、灾害控制及环境保护。国际上报道巴伦支海海底和西伯利亚冻土区“天坑”由浅层地层中水合物分解后形成的超压气体喷发引起，对冻土区和海底环境构成严重威胁。针对水合物分解引起浅层地层气体喷发问题，本项目研究团队开展了模型实验、理论建模和数值模拟的系统研究工作，取得了以下成果：（1）获得了水合物分解引起的土层中气体喷发的基本数据和演化特征，揭示了几何相似的条件下超压/上部阻力达到极限平衡状态是土层强度破坏的物理机制，分解气体的膨胀能量/上部土体机械能是气体喷发多相流动发展程度的主控参数；（2）获得了土层在水合物分解前、后的物理和力学参数，并基于岩土力学和混合物理论建立了含水合物相变的本构模型；（3）基于量纲分析推导得到了含相变传热-多相渗流-土体变形的特征时间，提出了多时间尺度的解耦分析方法，建立了固体强度破坏的极限平衡分析方法以及含相变气-液-固三相流动分析模型，给出了气体喷发的临界条件，从而建立了水合物分解引起土层中气体喷发灾害的预测方法。这些工作为形成我国南海试采中以储层稳定为核心的安全防控技术方案提供了重要理论支撑，在我国南海二轮海域泥质粉砂储层的降压试采安全评价中起到实质性贡献。