侯晓坤等G4水合物赋存模式及其对水合物沉积物力学特性的影响

　　天然气水合物污染少，储量大，被认为是21世纪最有前景的能源。它是在一定条件下（如温度、压力、气体饱和度等），由水和甲烷组成的笼形结晶化合物，通常赋存在海底或多年冻土区的松散沉积物中。松散沉积物强度低、压缩性高，力学性能差。水合物的存在改善了沉积物的力学行为，增大了土体的强度和刚度。由于气候变暖、海平面变化及天然气开采的人为干预（如降压、升温），当压力和或温度从水合物稳定的热力学平衡状态转变为不稳定时，天然气水合物分解为水和气。这种分解将导致水合物沉积物（HBS）的力学性能（如强度、刚度、变形）退化，诱发各种灾害，如海底滑坡、差异沉降、海底管道地基失稳等。因此，探究HBS的力学特性对于天然气的安全开采至关重要。
　　HBS的力学特性多通过室内三轴试验和弯曲元共振柱测试获得。因获取未受扰动的天然试样极具挑战，现有的相关研究多在室内制备HBS。常用的制样方法包括过量气法和过量水法。然而不同制样方式制备的HBS，测试结果变异性很大。此外，试验条件（如排水条件、温度、孔隙流体、气压水压）的差异也会引起测试结果离散性大，不利于试验结果的传播和实际应用。
　　针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室博士后侯晓坤和祁生文研究员等人，严格筛选和整理HBS水合物赋存状态（即水合物的分布和排列特征）和力学性质，发现制样方式通过影响水合物的赋存状态显著影响HBS的力学特性：过量水法主要通过密实效应（即有效孔隙比减小）、过量气法主要通过胶结效应影响HBS的力学性质；并基于此提出了HBS微观破坏的概念模型。
　　自然界中水合物的赋存状态主要分为两大类，即颗粒挤出型（图1a图1g）和孔隙侵入型（图1h图1m）。颗粒挤出型是指水合物在成核后逐渐增大并不断排开周围土颗粒，肉眼可见，如脉状、透镜状、结节状、块状，多出现在细粒沉积物中。孔隙侵入型是指水合物成长过程中未改变原沉积物颗粒排列方式，水合物在沉积物孔隙中均匀或非均匀分布，肉眼难以区分，其赋存状态包括颗粒包裹型、胶结型、局部饱和型、孔隙填充型和荷载承重型（图1m），多出现在粗粒沉积物中（如砂土）。由于粗粒沉积物中的水合物易于开采，此类HBS是当前主要研究对象。过量气法制备的HBS中水合物的赋存模式多为胶结型，随水合物饱和度SH（水合物体积占孔隙体积百分比）的增大，胶结面积逐渐增大；过量水法制备的HBS，随着SH的增大，水合物赋存模式由孔隙填充型转变为荷载承重型，进而变为胶结型。
　　图1水合物在沉积物中的赋存状态
　　使用过量水法合成的HBS，其力学参数，如剪切模量（图2a）、体积模量（图2b）、泊松比（图2c）、内聚力（图2d）和剪胀角（图2f）与水合物饱和度SH具有凹幂关系。而采用过量气法合成HBS时，其体积模量（图2a）、剪切模量（图2b）和剪胀角（图2f）为凸幂关系，内聚力接近线性关系（图2d），两种制样方式对HBS的内摩擦角（图2e）影响不大。水合物对HBS力学参数的影响可统一采用幂函数表达。水合物赋存模式对固结曲线和应力应变特性的整体影响可见图2（图2g、图2h、图2i）。在微观破坏机制上，若无水合物（SH0）（图3a），土颗粒会经历低应力约束下的应变软化剪胀（图3a1）和高应力约束下的应变硬化剪缩（图3a2）。剪切过程会引起土颗粒的旋转、滑动和重新排列。这种局部变形集中在剪切带，并扩大形成滑面，当滑面上的剪切应力超过剪切强度时，土体破坏。过量水法制备的HBS（图3b），在低水合物饱和度（0emSemHemSemHC）下，孔隙填充或荷载承重型水合物在低应力约束下会经历旋转，滑移和重排（图3b2），在高应力约束下会发生破裂和压缩（图3b2）；而在高水合物饱和度（SHCemSemH）下，剪切过程中会水合物可脱离土颗粒（图3c1）或发生压缩（图3c1）和破裂（图3c2）。过量气体法制备的HBS，水合物的粘合力和胶结强度在剪切过程中起着重要作用，在低应力和低饱和度下，水合物发生破裂并从颗粒表面脱离（图3d1、图3e1）；随着应力或饱和度的增加，会出现垂直剪切面（图3d2、图3e2）。此时，水合物的力学特性决定了HBS的力学特性。
　　图2过量气与过量水法制备HBS的力学参数随水合物饱和度的变化（af）及固结曲线（g）、应力应变曲线（h）和体变曲线（i），其中（a）为剪切模量，（b）为体积模量，（c）为泊松比，（d）为粘聚力，（e）为内摩擦角，（f）为剪胀角
　　图3提出的HBS响应剪切的微观失效机制。当SHemSemHC时，孔隙填充型或荷载承重型水合物占主导地位；当SHSHC时，胶结水合物占主导地位；当SHemSemHCr时，胶结贡献变化显著；当SHSHCr时，胶结贡献变化缓慢
　　该研究系统性探究了水合物的赋存模式及其对HBS力学特性的影响，水合物对HBS力学特性的贡献体现在胶结效应和密实效应（有效孔隙减小）两个方面。此外，归纳总结了HBS的蠕变特性、开采过程中HBS的力学响应、表征HBS力学特性的本构模型并探讨其优缺点，以期加深人们对HBS力学行为的理解，助力水合物沉积物的安全有效开采。
　　研究成果发表于国际学术期刊G4（侯晓坤，祁生文，黄晓林，郭松峰，邹宇，马丽娜，张琳鑫。Hydratemorphologyandmechanicalbehaviorofhydratebearingsediments：acriticalreview〔J〕。GeomechanicsandGeophysicsforGeoEnergyandGeoResources，2022，8（5）：136。DOI：10。1007s40948022004618）。该研究受中国科学院地质地球所重点部署项目（IGGCAS201903402）和国家自然科学基金项目（42141009，4182501841790442，42107188）资助。
　　美编：傅士旭（华东师范大学）
　　校对：万鹏