考虑水合物微观分布的沉积物力学特性研究

The mechanical properties (stress-strain curve: elastic modulus and strength) of gas hydrate bearing sediemnts are basic parameters for the evaluation of the soil mechanical response in gas hydrate drilling and exploitation. The microscopic distribution mode of hydrate in sediments is one of the important influencing factors. Due to lack of high precision of the direct microscopic observation technique, most mechanical models were presented under some assumed microscopic distribution modes. In this study, we will carry out a study on mechanical properties of gas hydrate bearing sediments combining the methods of macro- and micro- experiments as well as theoretical analysis. The mechanical parameters of gas hydrate bearing sediments are measured by the triaxial apparatus, and the hydrate saturation is on-line monitored using TDR technique, and then, the relationships between the mechanical parameters and hydrate saturation can be obtained. The microscopic distribution in sediments can be directly observed using the high precision X-ray CT technique under the same conditions with the triaxial experiments, and then, the microscopic distribution modes of hydrate with different saturations in different types of sediments can be expressed. Based on the macro- and micro- experimental results, the change of the mechanical parameters of gas hydrate bearing sediments with the factors such as hydrate saturations, distribution modes and sediment types will be illustrated. Finally, a proper mechanical model will be formulated considering micro physical mechanism, providing the basis for the engineering design of gas hydrate drilling and exploitation.

含水合物沉积层的力学参数（应力应变关系曲线：弹性模量、强度）是天然气水合物钻探和开采相关土力学响应评价的基础参数，而水合物在沉积物孔隙中的微观分布模式是影响沉积物力学特性的一个重要因素。由于缺乏高精度的微观观测技术，国内外的研究多结合假设的微观分布模式建立力学模型。本项研究拟采用宏、微观实验与理论分析紧密结合的方法开展含水合物沉积物力学特性研究,利用力学三轴仪原位测量含水合物沉积物的力学参数，采用TDR技术在线监测水合物饱和度，获得两者之间的关系；利用高精度X-CT技术直接观测与力学实验相同条件下水合物在沉积物孔隙中的微观分布，得到不同沉积物类型中水合物饱和度与其微观分布模式的对应关系；基于宏、微观实验结果，揭示含水合物沉积物力学参数对水合物饱和度、分布模式、沉积物类型等因素的响应特征，提出相应的力学模型，为天然气水合物钻探和开采工程设计提供依据。

研究含水合物沉积物的力学特性及其变化规律，对天然气水合物的钻探和开发有重要意义，但由于微观尺度上水合物分解对沉积物力学性质的影响不清楚，阻碍了该项研究的深入开展。本项目采用自主研发的实验装置与测试技术，开展了含甲烷水合物沉积物的力学特性、沉积物孔隙中水合物的微观分布以及考虑沉积物中水合物微观分布的模型等三个方面的研究工作，主要目的是获得不同条件下含水合物沉积物的力学参数，建立较为实用的描述沉积物的力学参数与水合物饱和度的模型和本构关系。主要成果如下：.（1）提出了温差法和气饱和法联合样品制备技术，获得了系列含水合物沉积物的力学参数。在水合物分解过程中，沉积物的承载性能减弱，抗剪强度降低，初始饱和度越大，降低程度越大，最大可降低至原来的1/9。（2）阐明了沉积物孔隙中水合物动态微观分布特征，为力学特性的解释以及本构关系模型中微观参数的引入提供基本依据。在沉积物中，气过量法生成的水合物首先出现在砂颗粒表面，以“接触形式”存在，随后以“接触形式”和“胶结形式”共存，水合物饱和度越高，“胶结形式”越明显。在分解过程中，水合物率先在与水的界面处分解，颗粒间胶结减弱；水合物完全分解后，土体结构性变化显著，力学性能显著降低。（3）建立了基于水合物微观分布特征的沉积物的力学参数模型，主要包括：弹性模量预测模型；修正的含水合物沉积物的强度预测模型；含水合物沉积物的本构关系模型；另外，提出了有效孔隙度和临界孔隙比的概念，引入到亚塑性本构关系中，描述了高饱和度条件下含水合物沉积物的应变软化行为。.研究成果在国内外核心期刊上发表研究论文27篇，其中SCI论文10篇、EI论文8篇。获得国家专利8项（发明3项）。这些成果阐明了沉积物中水合物微观分布模式与力学参数之间的关系，建立了系列的含水合物沉积物力学参数模型，为天然气水合物钻探与开采工程设计提供理论依据。