天然氣水合物開采的土力學問題：現狀與挑戰

韋昌富 顏榮濤 田慧會 周家作 李文濤 馬田田 陳 盼

1.巖土力學與工程國家重點實驗室·中國科學院武漢巖土力學研究所 2.廣西巖土力學與工程重點實驗室·桂林理工大學

0 引言

天然氣水合物（以下簡稱水合物）可存在于海洋大陸架邊緣地層或寒區永久凍土層中[1]，本文主要討論海底水合物儲層的情況。海底水合物儲層不同于凍土儲層，除了環境溫度在0 ℃以上以及孔隙中不含冰外，所處水深大、埋深淺，骨架固結程度弱或沒有固結，工程地質條件復雜。此外，海底水合物儲層不僅具有普通深海沉積物所具有的內部結構與工程地質特性，而且還因水合物的可相變性，其內部結構及工程特性隨著水合物開采過程均在不斷地演變中。可相變性指在合適溫度、壓力及水化學條件下，沉積物孔隙中固體水合物可以分解成液態水和天然氣；反之，孔隙中液態水和天然氣也可生成水合物。正是這種可相變性，使得含水合物沉積物在環境荷載作用下表現出比普通海底沉積物更為復雜的工程力學行為特征，并伴有顯著的多相、多場、多過程耦合效應。特別地，在水合物開采過程中，水合物分解產生天然氣和液態水并吸收周圍的熱量，從而引起滲流、擴散、熱傳導等耦合過程；同時，隨著水合物的分解，水合物的膠結作用逐漸受到破壞，沉積物骨架抗剪強度減弱，壓縮性增大，從而導致沉積物變形或骨架坍塌，最終引發流泥、流沙、井壁破壞、儲層沉降或失穩、大范圍海底滑坡等重大工程或地質災害問題[2-3]。因此，有效確定含水合物沉積物的工程力學特性并厘清其隨著水合物分解過程的變化規律，是實現水合物安全、高效開采的前提保證。

筆者圍繞著水合物開采中所涉及的關鍵土力學問題，從含水合物沉積物的物理力學特性的關鍵測試技術、含水合物沉積物的變形與強度特性、含水合物沉積物的物理力學模型、水合物開采過程的數值模擬方法等幾個方面，分析和評述國內外相關研究現狀和進展，并在此基礎上探討這些方向的未來發展趨勢及所面臨的挑戰。從巖土工程的角度來看，水合物開采還涉及許多其他的重要方面，如原位取樣、原位土工測試、原位監測、海底穩定性分析、深海基礎工程（如錨固基礎）等。毫無疑問，這些方面的工作也是不可或缺的，但本文除了在討論未來發展趨勢時有所涉及外，重點只放在含水合物儲層的工程力學特性方面。本文中，“含水合物沉積物”和“水合物儲層”這對名詞可以互用。在一些文獻中[4]，含水合物沉積物也被稱為“能源土”，但本文將采用國際比較流行的說法，即“含水合物沉積物”（hydratebearing sediment）[2]。

1 物理力學特性的測試方法和技術

1.1 含水合物沉積物試樣的制備方法

由于水合物穩定條件較為苛刻，鉆取和運輸過程中壓力和溫度的變化會導致水合物分解，使得原狀含水合物沉積物試樣的獲取與運輸極為困難，因此，實現人工制備含水合物沉積物試樣顯得尤為重要。在此之前，了解水合物于沉積物中的賦存模式則是人工制備含水合物沉積物試樣的前提條件。

自然界中，天然氣水合物主要存在擴散型、滲漏型及復合型等3種成藏模式[5-6]。在擴散型成藏模式下，水量豐富，天然氣滲漏通量低，稱為富水環境，氣體只能通過擴散進入水合物穩定帶與水結合形成水合物；而在滲漏型成藏模式下，構造裂隙發育，天然氣滲漏量高，稱為富氣環境，下部游離氣體沿著構造裂隙往上運移至水合物穩定區和當地的孔隙水結合形成水合物[7-8]；復合型兼具擴散型和滲漏型兩者的成藏特征。因此，在這3種典型環境中，水合物在粗粒土中主要以4種模式存在：①孔隙填充模式。水合物顆粒主要懸浮于孔隙水中，與附近土顆粒無實質接觸[9]。②持力體模式。這種模式由孔隙填充模式發展而來，當水合物含量達到一定量后部分水合物起支撐作用并橋接相鄰的顆粒，從而成為承重骨架的一部分。一般地，當水合物飽和度超過25%～40%時，填充型水合物會變成持力型水合物[9-12]。③膠結模式。水合物優先在多孔介質顆粒接觸處及附近生成，使土顆粒接觸并黏合在一起，從而膠結成一個固體骨架[13-14]。④包裹模式。水合物包裹于土顆粒周圍。在細粒沉積物中，水合物一般以分散的結核狀、透鏡體或脈狀塊體形式存在[15-18]。

為了模擬原位的水合物賦存情況可在實驗室制得含水合物沉積物試樣，目前實驗室制備試樣使用的主要有飽和法、非飽和法、冰種子法、混合法等。飽和法是指在一定壓力條件下制備氣體的超飽和溶液，將其注入沉積物后，通過降低溫度在沉積物孔隙中生成水合物[19]。這種方法可以很好地制得孔隙填充模式和持力體模式試樣，但由于甲烷等天然氣體的溶解度較低，該方法制備的水合物飽和度較低且耗時。為了克服這一困難，有學者嘗試利用添加劑來增大甲烷氣體溶解度[20-21]。非飽和法利用沉積物在非飽和情況下具有較高氣—水接觸面積的特點，使過量氣體與孔隙水在合適溫度、壓力條件下充分反應，從而在沉積物中生成較高飽和度的水合物，該方法已被證實能很好地模擬膠結模式和包裹模式的試樣[22-24]。冰種子方法是將冰粉與土混合制樣或將試樣預先凍結，在供氣條件下逐漸升溫，孔隙冰融化后與氣體結合形成水合物[25-26]。該方法可以加快水合物的生成過程，但在制樣過程中存在冰粉壓融現象，如果預先凍結試樣，則可能因為“凍吸力”引起水分遷移而造成水合物分布不均。上述3種方法均是先制備沉積物，再通過控制溫度和壓力條件在沉積物孔隙中形成水合物。為了進一步提高水合物制備效率及水合物飽和度，Hyodo等[27]通過先制備水合物粉，然后與沉積物按一定比例混合，壓制成含水合物沉積物試樣，這類方法稱為混合制樣法。由于水合物的形成條件較為苛刻，對試驗條件要求較高，應用這種方法的關鍵在于抑制制備過程中水合物粉的分解，避免水合物含量計算不準確。

總體上，雖然目前的實驗室制樣技術能夠初步滿足含水合物沉積物物理力學試驗要求，但仍有以下幾個關鍵問題亟待解決：①制備大尺度的孔隙填充模式和持力體模式的含水合物試樣，以供開展物理模型試驗；②克服制樣過程中的重力和吸力的影響[28]，制備物理力學試驗所需的均勻含水合物沉積物試樣；③在水合物形成過程中實現含量的精準控制與測量。

1.2 水合物含量的確定方法

含水合物沉積物的物理力學特性與水合物含量密切相關[12,23-24,27]，因此準確地確定水合物含量是研究含水合物沉積物物理力學特性的關鍵問題之一。目前常用的水合物含量的確定方法主要包括[29-31]：壓降法計算、含水量消耗計算、時域反射技術、核磁共振技術等。壓降法是指通過水合物生成前后氣壓變化計算出氣體消耗量從而計算得到水合物的生成量。在非飽和法制樣中，客體氣體分子一直保持過量，通過假定沉積物中水分完全參與水合反應生成水合物，即可利用所消耗的水量來計算出水合物飽和度。而時域反射（TDR）技術則是通過測定水合物生成前后孔隙水介電常數變化來反算水合物飽和度。近年來，田慧會等[31]利用低場核磁共振技術確定了天然氣水合物的水合數，進而求得了水合物含量大小。現有的各種水合物含量的確定方法均存在一定局限性，如測量精度難以確定、不同方法間缺乏一致性等，研發高精度的沉積物水合物含量測量方法仍是一項亟需開展的任務[32]。

1.3 微細觀組構探測技術

現有的沉積物組構的探測技術主要包括：①聲波技術[33-35]。即根據實測的聲波參數如波速、衰減及其頻散特性反演水合物沉積物的孔隙度、水合物飽和度、彈性模量等參數，并分析水合物在沉積物中的賦存狀態。②電阻率法[36-38]。基于沉積物電阻率與復電阻率頻散特性隨著水合物含量及賦存模式的變化規律，測定沉積物中水合物的含量與分布。③TDR技術[29,39]。根據介電常數與含水量的關系，推算出沉積物試樣中水合物含量的變化。④計算機輔助成像（CT）技術[40-42]。利用含水合物沉積物不同組分對X射線衍射的吸收與透過率不同而形成含水合物沉積物的微觀圖像，并由此觀測和表征水合物體積以及剪切過程中微細觀結構變化。⑤核磁共振（NMR）技術[31,43-44]。利用孔隙水核磁信號與弛豫時間探測含水合物沉積物中水合物含量及賦存狀態。

在以上5種探測技術中，前3種探測技術主要根據含水合物沉積物的波速、電阻及介電常數隨沉積物各組分和組分含量的變化關系來反演其內部微細觀組構，此類辦法能定性反映體系中水合物相變過程以及微細觀結構變化，但不適用于在微細觀層面進行定量探測和分析。與其他方法相比，CT技術和NMR技術是兩種極具潛力的組構探測及參數測定技術，其最大的優勢在于它們是直接、定量、快捷的測試方法。但是，X射線衍射存在輻射效應需要特殊材料進行試驗防護，NMR技術則必須保證相關試驗設備對含水合物沉積物無核磁信號干擾。另外，昂貴的價格也限制了CT技術和NMR技術在水合物研究領域的應用。

1.4 水力特性的測試方法

含水合物沉積物的水力特性包括滲透性和持水曲線。傳統上，沉積物滲透率的測定方法主要有非穩態法和穩態法。穩態法是在穩態滲透狀態下通過測定試樣兩端的壓力差及孔隙水的滲流量，再由達西定律求得滲透系數。在含水合物沉積物滲透系數的測定試驗中，穩態法比較流行[45-47]。然而，穩態法的測試時間比較長，在測試過程中水合物易發生分解，從而影響到測試精度。相比之下，非穩態法所需時間較短，只需要測定水流量（或孔隙壓力）隨著時間變化關系，然后利用數學模型來反演得到滲透率。目前，非穩態法已開始應用于含水合物沉積物滲透率的測定中，例如：Jaiswal[48]采用JBN非穩態法測定了含水合物沉積物的有效滲透率；張宏源等[49]基于瞬態壓力脈沖法測定了含水合物粉細砂的滲透率。除了上述兩種方法，一些間接的滲透系數方法，例如，Kleinberg[50]利用T2分布特征采用Kenyon公式計算了含水合物沉積物中的相對滲透率，這種方法在石油領域測井中廣泛應用；Kneafsey等[51]基于CT技術監測沉積物中不同組分的密度變化，推算出了含水合物砂土的滲透系數。總之，含水合物沉積物滲透性的測試難點在于水滲流過程會引起水合物的溶解或分解，減小水合物含量。因此，如何有效避免或減小水合物含量的變化是優化含水合物沉積物滲透性測試的關鍵。

持水曲線是指沉積物中吸力與液態水含量的關系，其受到水合物含量的影響。Mahabadi等[52]在傳統的非飽和土持水曲線測試裝置上增加了控溫系統，測試了含THF水合物砂土在不同水合物飽和度條件下的持水特征曲線；Ghezzehei等[53]對壓力室進行了改造，使試樣處于高壓環境，并且提高溢出水端口壓力保證氣—水壓力差在高進氣值陶土板可控范圍內，同時增加了控溫裝置來控制系統溫度，在此基礎上測得了含水合物沉積物的脫濕和吸濕曲線。由于持水特征曲線測試非常耗時，其中水滲出過程可能導致水合物分解，而施加的氣體壓力則有可能導致水合物進一步形成，從而影響到測試結果的精度。為了克服這一問題，有學者采用物理仿真模擬來研究水合物賦存對含水合物沉積物持水特征曲線的影響[54-55]。目前有關含水合物沉積物持水曲線的直接測試工作非常稀缺，主要問題在于如何通過控制溫度、壓力以及其他手段來保證測試過程中水合物不產生二次形成或分解，以保證水合物含量的恒定不變，從而提高測試結果的精度。

1.5 力學特性的測試技術

力學特性包括應力應變關系、壓縮特性、抗剪強度特性等，可通過直剪儀、三軸剪力儀等儀器來測定。盡管直剪儀操作簡便，適合于工程應用，但目前利用直剪儀來測試含水合物沉積物抗剪強度的報道非常少。中國科學院武漢巖土力學研究所是最早開展這方面研究的單位之一，研制了國內首臺含水合物土直剪儀（圖1）。該設備將剪切盒安裝于反應釜內，通過氣瓶提供生成水合物所需的高壓氣體，用恒溫箱控制反應釜內試樣的溫度，最終形成水合物沉積物試樣；通過活塞式加載桿實現法向力和切向力的加載與卸載，用氣瓶輸出壓力提供法向壓力而用恒流泵提供切向推力。Liu等[56-57]采用該設備開展了一系列含CO2水合物沉積物的直剪試驗，揭示了含水合物沉積物的抗剪強度隨水合物飽和度的變化規律。

三軸剪切試驗是測試含水合物沉積物力學特性最常用的方法，可以測得應力—應變關系以及變形和強度特性。表1列出了國內外各主要研究單位的含水合物沉積物三軸剪切系統的基本信息。各種三軸儀的主要差別在于所采用的試樣制備、水合物含量確定、試樣體變測量等方法上，這些正是含水合物沉積物三軸試驗的難點。在大多數三軸試驗中，試樣均采用非飽和法制備，通過配置不同初始含水量來控制水合物飽和度。假設試樣中孔隙水完全轉化成水合物，Ghiassian等[24]及Hyodo等[66]通過確定試驗結束后水合物分解所釋放的氣體量反算得到水合物含量大小。目前在三軸試驗中體變測定主要有以下3種方法：①在恒定圍壓時，通過圍壓泵驅動液體積變化換算獲得[24,65]；②類似于非飽和土試樣體積量測的雙壓力室法[66]；③采用徑向應變傳感器進行量測[67]。為了評價現場所取的含水合物沉積物試樣的力學特性，Yoneda等[68]開發了一套新型的三軸試驗系統（TACTT），可將原位取得含水合物試樣直接嵌入三軸壓力室進行試驗，并保證整個過程中試樣處于穩定狀態。這套系統采用了圖像處理技術來監測三軸剪切過程中試樣的體積變化。

圖1 含水合物土直剪儀的結構示意圖[56-57]

表1 各種含水合物沉積物三軸試驗系統對比表

目前有關水合物沉積物的工程力學特性試驗仍然存在許多問題，如測試方法與標準沒有統一、各種試驗數據之間缺乏可比性、試樣制備方法單一、試驗結果不能真實反映原位沉積物的行為特性等。這些均為目前亟待解決的難題，是弄清含水合物沉積物工程力學特性，揭示剛度、強度等物理力學參數的變化規律以及識別其關鍵影響因素所必須解決的關鍵問題。

2 含水合物沉積物的變形與強度特性

2.1 含水合物沉積物的抗剪強度特性

含水合物沉積物的抗剪強度是指沉積物達到破壞時所能承受的剪應力。Winters等[69]通過試驗證明了水合物沉積物的抗剪強度取決于孔隙中水合物、液體水、天然氣、冰等填充物的相對數量和空間分布形態。李洋輝等[70]將水合物顆粒與土顆粒混合制成試樣并開展了三軸試驗，發現水合物含量增加顯著提升了試樣的抗剪強度，且水合物的主要貢獻在于增加黏聚力，而對內摩擦角影響較小。Masui等[25]通過開展三軸剪切試驗發現，冰—砂混合物制得試樣只有在水合物飽和度超過25%時才能提升其抗剪強度，而水—砂混合物制得試樣的抗剪強度隨水合物飽和度的增大而顯著上升。Miyazaki等[71]的試驗結果表明，含水合物砂的抗剪強度和剛度隨水合物飽和度和有效圍壓的增加而增加，而割線泊松比隨有效圍壓增加而降低。顏榮濤等[23]分別用非飽和法、飽和法制備水合物沉積物試樣并開展三軸試驗，發現非飽和法制作的水合物試樣抗剪強度隨飽和度增大而顯著提高，而飽和法制作試樣的力學性質受水合物含量的影響不大；這種差異性可歸因于水合物賦存模式的不同，非飽和法制備的試樣中水合物以膠結形式存在，而飽和法產生填充型水合物。Liu等[57]采用直剪儀研究了CO2水合物沉積物的抗剪強度特性，發現峰值抗剪強度和殘余抗剪強度均隨水合物飽和度和法向應力的增加而提高。綜上所述，水合物含量和賦存模式對含水合物沉積物強度都會產生明顯影響，并且水合物主要貢獻于增加黏聚力，而對內摩擦角影響較小[12,23,25,71]。

2.2 含水合物沉積物的剪脹/剪縮特性

研究結果表明，水合物的形成會影響含水合物沉積物的剪脹/剪縮特性。Miyazaki等[71]用人工合成水合物砂試樣進行三軸試驗，在軸向荷載逐漸增加，試樣逐漸從剪縮變為剪脹，偏應力也在到達最高點后迅速下降呈現應變軟化現象。Hyodo等[66]的試驗也證實了水合物沉積物的剪脹性隨著水合物飽和度的升高而明顯增大。Masui等[72]利用水合物沉積物的鉆井巖心進行三軸試驗，發現與室內合成的水合物砂相比，剪脹性弱于人工合成水合物試樣。從微觀層面，Pinkert等[73]認為在剪切作用下水合物顆粒破碎損傷引起了試樣應變軟化的出現，破碎后的水合物顆粒與砂顆粒一起運動，相互翻轉跨越導致試驗出現剪脹變形。顯然，水合物生成使含水合物沉積物試樣從開始階段的應變硬化向應變軟化轉變，同時伴隨著剪脹現象。隨著水合物飽和度的增加，應變軟化和體積剪脹性會更加明顯[66,74-77]。另外，增大的圍壓會限制顆粒之間的相互翻轉跨越運動，使沉積物的剪脹性變弱，甚至出現剪縮現象[78-79]。

水合物沉積物的剪脹機理可用圖2來進行說明。剪切面兩側土顆粒受到法向力FN和剪切力FT，作用在每個顆粒上。當顆粒松散排列時切向變形使其排列更密集，從而使土體收縮并顯示出應變硬化行為（圖2a→b）；相反，當顆粒處于密實狀態時，在剪切過程中則可能發生體積膨脹即剪脹（圖2b→a）。一旦水合物形成，孔隙空間就會被水合物部分填充，從而使土體的固體骨架變得更加致密，因此剪脹性隨水合物飽和度增大得以提高（圖2-c）。如圖2-d所示，取剪切面上局部土顆粒和水合物顆粒對其進行受力分析，FN和FT的合力與土顆粒和水合物顆粒接觸面構成夾角α。在較低圍壓時FN較小，夾角α較小，土顆粒和水合物顆粒發生滑動跨越導致土體膨脹增大而發生剪脹，同時由于膠結結構喪失導致應變軟化變形特征（圖2-e）；當圍壓增大時，FN增大導致夾角α增大，當α大于土顆粒與水合物顆粒之間的摩擦角時，土顆粒與水合物顆粒組成的系統將產生自鎖效應而無法沿接觸面滑動，水合物顆粒被不斷增大的FT壓碎，從而形成更緊密的結構表現為剪縮（圖2-f），在此過程中水合物沉積物應變軟化特征減弱甚至轉變為應變硬化。

2.3 含水合物沉積物的小應變剛度

小應變剛度指的是應變為10－5～10－8情況下試樣的變形模量或剪切模量，聲波探測是研究試樣小應變剛度的有效方法。Lee等[81]在砂土、粉土和黏土中形成THF水合物，通過測試試樣的P波和S波研究了小應變剛度特性。其試驗結果表明，含水合物沉積物的P波和S波受水合物飽和度、有效應力和沉積物比表面積的影響顯著。由于水合物的膠結和填充作用，含水合物沉積物的小應變體積模量和剪切模量會隨著水合物增大呈現明顯的上升趨勢[82-84]。Priest等[84]采用“富氣法”和“富水法”分別制備含水合物砂土試樣，發現兩種試樣顯示明顯不同的波速響應。對于“富氣法”形成試樣，水合物主要起到膠結作用，少量的水合物就可以明顯提高含水合物沉積物的剛度；而“富水法”形成試樣，水合物主要填充于孔隙中，只有當水合物達到一定含量時，水合物賦存模式從填充型轉變為持力體型，含水合物沉積物的剛度才能得以提升。這一結論在Choi等[34,82]所進行的實驗室中也得到了驗證。可見，水合物含量及賦存模式對沉積物的小應變（10－5～10－8）剛度具有顯著的影響[9-11,85]。

圖2 水合物沉積物剪切變形機理示意圖

基于水合物含量及賦存模式對含水合物沉積物試樣的小應變剛度的影響機制，研究人員針對于不同水合物賦存模式建立了預測含水合物沉積物波速的理論模型，通過測定剪切波速、壓縮波速與水合物飽和度關系來綜合判別沉積物中水合物的賦存模式[86-87]。這種水合物賦存模式的識別方法目前已得到一定程度的應用[34,88-90]。

綜合上述分析可知，水合物含量及其賦存模式對沉積物強度和變形特性的影響已經成為當前重點研究的問題。盡管現有的研究成果已初步揭示了水合物含量和賦存模式對沉積物物理力學特性的影響規律，但囿于制樣方法與實驗技術，目前對含水合物沉積物物理力學特性的研究仍然存在以下幾個問題：①對在水合物含量變化下填充型向持力體型轉變過程中沉積物的物理力學變化規律缺乏深入系統的認識；②對水合物分解過程中因水合物局部分解而導致的含水合物沉積物抗剪強度的衰減及壓縮性的增加規律幾乎沒有涉及；③流泥流沙情況下含水合物沉積物骨架的物理力學特性衰化規律仍然沒有厘清。另外，目前有關沉積物物理力學特性的試驗數據均在特定試驗條件下獲得，缺乏一致性、可比性和系統性，需要針對典型水合物儲層介質的物理力學特性開展系統深入的試驗研究工作。

3 含水合物沉積物的物理力學模型

3.1 沉積物體系中水合物相平衡模型

沉積物中水合物相平衡模型描述了水合物在平衡時溫度、壓力與其他狀態變量（如水合物含量、液態水含量、含鹽量等）之間的關系，是含水合物沉積物最基礎的本構關系之一。最早的水合物相平衡模型是由 van der Waals 等[91]所建立的，主要預測非沉積物中純水合物的相平衡壓力和溫度條件。在沉積物中，由于沉積物顆粒表面物理吸附和孔隙毛細管效應的影響，孔隙水活度降低影響了相平衡條件，因此相平衡模型應該考慮沉積物孔隙大小及分布特征的影響。Clennell等[92-93]將Gibbs-Thomson方程引入vdWP模型，從而考慮了孔徑引起的毛細管效應，建立了沉積物中水合物相平衡模型。該模型只適合于描述具有單一或窄孔徑分布的沉積物中水合物相平衡條件。為突破這一局限性，顏榮濤等[94]引入了孔徑分布函數，并根據水合物分解的孔徑大小順序，確定了孔徑大小分布與水合物飽和度的關系，從而得到了p—T—Sh三維相平衡關系。最近，利用沉積物孔徑分布與持水特性的內在關聯性，顏榮濤等[95]通過引入持水曲線，建立了沉積物中水合物的宏觀相平衡模型。

近年來，Wei[96]基于多孔材料的連續介質理論建立了能考慮骨架與孔隙溶液之間復雜物理化學作用的多相巖土介質化學—力學耦合理論，并提出了能考慮滲透、毛細管、吸附等效應的孔隙溶液各組分化學勢的一般數學表達式。在此基礎上，Zhou等[97]建立了能夠考慮復雜物理化學效應的水合物相平衡方程，該方程給出了平衡溫度偏移量與毛細管吸力和鹽溶液濃度的關系，揭示了沉積物持水特性與相平衡條件的內在聯系。結合所提出的相平衡方程和沉積物的持水特征曲線，進而提出了水合特征曲線（SHCC）的概念，即含水合物沉積物中液態水含量與平衡溫度偏移量的關系曲線。在p—T—w三維空間中（w為液態水含量），SHCC描述了沉積物中水合物的相邊界。如圖3所示，對于任意指定的水合物沉積物，在平衡時含水合物沉積物中的溫度、壓力和液態水之間存在唯一關系，這與實驗觀測結果是完全一致的。該模型克服了傳統水合物相平衡模型不能預測任意平衡的溫度和壓力下沉積物中液態水含量問題，不僅形式簡單（沒有涉及微觀參數），而且還能綜合考慮鹽分、毛細管以及物理化學吸附的影響。

圖3 在p—T—w空間中含CO2水合物沉積物的相平衡面及其在各平面上的投影[97]

3.2 含水合物沉積物水力模型

含水合物沉積物的水力模型包括滲透率函數模型和持水曲線模型，其中，滲透率函數不是嚴格意義上的本構關系，而只是一條輔助的經驗關系式。在處理土體滲透性時，通常的做法是根據孔隙分布特征把孔隙簡化成不同孔徑大小的平行的毛細管，再利用流體力學的原理來確定其滲透性[98]。基于這種思想，考慮到孔隙包裹型和孔隙填充型對平行毛細管特征的影響，Kleinberg[50]分別建立了能夠考慮孔隙包裹型與填充型水合物賦存模式的水合物沉積物滲透率模型。然而，這類模型沒有考慮土體中滲流路徑的曲折性，也沒有考慮水合物形成后對孔隙聯通性的改變，因此該模型的預測結果與實際情況有一些差距。在自然界中，根據所處環境條件與水合物含量，包裹型和填充型水合物可同時出現于海底沉積物中，并且同時對滲透率存在影響，只是程度不同而已。針對于這種情況，Delli等[99]提出了一個混合式模型，該模型可以考慮包裹型和填充型兩種水合物模式共存的情況。此外，對于水合物分布不均勻的情況，Dai等[100]修正了Kozeny-Carman模型，較好地模擬了滲透率隨水合物飽和度的變化。

含水合物沉積物的持水特性控制了氣—水滲流過程，并影響著沉積物的其他工程力學特性。在有關水合物開采的邊界值問題分析中[101-102]，一般均采用非飽和土的van Genuchten模型來描述含水合物沉積物的持水特性[103]。然而，由于水合物的生成/分解，含水合物沉積物的孔隙大小及分布都在不斷變化中，因此沉積物持水特性也隨之發生變化。Gupta等[104]通過引入修正系數來考慮水合物飽和度和孔隙率對毛細管吸力的影響。該模型主要是從模仿孔隙中微生物生長對骨架產生的影響修正而來，并沒有真正考慮水合物生成對土體結構的影響。Yan等[105]分析了水合物形成對含水合物土毛細管吸力的影響機理，考慮了水合物填充的效應，建立了含水合物沉積物的土水特征曲線模型。雖然該模型很好地描述了含水合物沉積物的持水特征關系，特別是水合物對進氣值和殘余飽和度的影響，但是其有效性仍需要進一步驗證。

總體上，現有的多數含水合物沉積物的水力模型（滲透率函數和持水曲線模型）都是基于高度簡化的含水合物沉積物結構，對現有的水力模型修正來建立的，所以其模擬精度及適用性受到限制。因此，后期發展的水力模型應該能夠考慮水合物含量及賦存模式對孔隙水/氣遷移過程的影響，在大量試驗結果基礎上，建立能統一考慮水合物含量及賦存模式影響的含水合物沉積物的滲透率函數和持水曲線模型。

3.3 應力應變本構關系模型

含水合物沉積物的應力應變本構關系大體上可分為非線性彈性模型和彈塑性模型兩大類。前者主要包括Duncan-Chang類[106-109]和彈性損傷模型[110-113]等。Miyazaki等[106]建立了含水合物沉積物強度和剛度與飽和度的經驗關系式，修正Duncan-Chang模型來模擬了含水合物沉積物的應力應變關系。Yu等[107]把含水合物沉積物在受荷過程中的破壞分成結構性快速破壞和結構性完全破壞（即屈服）兩個階段，并且在初始切線模量和極限偏應力中考慮了溫度的影響，建立了包含溫度、圍壓、應變速率等不同參數的修正Duncan-Chang本構模型。這類模型的優勢在于形式簡單，參數易于測定，易于在數值模型中進行求解。然而，該類模型雖然考慮了水合物飽和度對試樣強度和剛度的增強效應，但不能模擬應變軟化及剪脹行為。下一步工作中，可以重點考慮對Duncan-Chang本構模型進行修正，使其能反映含水合物沉積物的應變軟化或剪脹行為。

吳二林等[110-111]較早引入彈性損傷概念來模擬含水合物沉積物的本構行為，后期經過了李彥龍、祝效華、顏榮濤等[112-114]研究者的發展。該模型的主要思想是將沉積物視為由水合物和土體骨架組成的復合材料，利用混合律計算出沉積物的等效彈性模量，將統計損傷、概率等概念考慮進去，使其能反映沉積物受力時水合物對微結構和應力應變的影響，從而建立含水合物沉積物的彈性損傷模型。此類模型較好地反映了剪切過程中含水合物沉積物中的損傷過程，從而有效模擬了含水合物沉積物的應變軟化行為，但該模型不能很難描述剪切過程中試樣體積的變化。

Pinkert及其合作者主要發展了含水合物沉積物的Mohr-Coulomb類本構模型[73,115-116]，該模型很好地模擬了含水合物沉積物的應變軟化效應，采用的Rowe應力剪脹理論對含水合物砂土剪脹行為有較好的描述。盡管如此，Mohr-Coulomb類模型還是沒有充分考慮體積屈服效應以及剪切過程中水合物膠結作用衰減或喪失所帶來的影響。

為了更全面地描述含水合物沉積物的本構行為，一些學者嘗試在臨界狀態彈塑性理論框架內建立水合物沉積物的本構模型。目前比較常用的方式主要是通過改變屈服面大小來反映水合物的影響，結合硬化規律、屈服函數、流動法則和加卸載準則及彈性行為模擬，給出了一套內容完整、物理意義明確、結構清晰的理論體系。例如，Klar等[102]所建立的理想彈塑性模型、Sultan等[117]和Uchida等[118]提出的修正劍橋模型、Zhang等[119]提出的修正亞塑性模型等、Lin等[120]基于SMP準則的彈塑性本構模型等。在目前發表的臨界狀態彈塑性模型中，主要關注含水合物沉積物的以下幾個典型特征：①強度和剛度隨水合物含量的增大；②應變軟化效應會隨著水合物含量的增加而增強；③隨著水合物含量的增大，試樣的剪脹效應會明顯增大[117-118,120-123]。這些模型主要通過修正原劍橋模型中的屈服函數和剪脹函數來考慮水合物含量對含水合物沉積物力學特性的影響規律。這些屈服函數和剪脹函數的建立主要依賴于理論假設，缺少足夠的試驗數據支持。此外，一些其他影響因素也在臨界狀態模型中進行了考慮。例如，Shen等[124]分析了水合物對臨界狀態以及剪脹函數的作用，建立了依賴密實度的含水合物砂土的臨界狀態模型；Yan等[121]重新定義了含水合物土的有效應力，并且在屈服函數、流動法則和硬化規律中嵌入了水合物膠結和毛細管吸力的影響，提出了有效考慮水合物飽和度和賦存模式對力學特性、模擬分解誘發的土體變形的含水合物土的本構模型；鄒遠晶等[125]考慮重點分析了受荷情況下含水合物沉積物膠結結構的破壞情況，基于擾動狀態概念建立了描述膠結結構破壞的全過程的含水合物土的應力—應變模型。

近年來，含水合物沉積物的應力應變本構關系模型發展迅速，新的模型變得越來越完備，除了能夠考慮一般土體的主要力學行為特征外，還能模擬水合物含量及賦存模式的影響，但代價是模型變得越來越復雜，包含了許多物理意義不明確的且難以獲取的模型參數，從而導致了這些新模型很難應用于解決實際工程問題。

4 水合物開采土力學多場耦合過程的數值模擬方法

數值模擬方法為水合物儲層的開采潛力評價及開采場地安全性預測提供了一條重要途徑[126-127]。然而，針對水合物開采的數值模擬需要求解復雜的非線性多過程耦合問題。由于存在強耦合作用，常常會出現物理上的奇異和數值計算上的不穩定。另外，水合物儲層是一種多相孔隙介質，其物理和化學性質較強地依賴于水合物含量、溫度、壓力等狀態變量，強烈的非線性特征使得求解的困難程度大為增加。因此，發展針對水合物開采模擬的穩定高效數值計算方法目前依然是重要的科學難題。

針對于開采潛力評價的數值分析（針對于產能預測），目前國際上已研發出一系列較為成熟的水合物開采數值模擬器，如美國勞倫斯伯克利國家實驗室的TOUGH+HYDRATE[128]、日本石油工程公司和東京大學合作開發的MH-21HYDRES[129]和加拿大CMG公司的CMG-STARS[130]等。這些模擬器主要是基于孔隙介質的質量和能量守恒方程，考慮了相變、傳熱、液氣運移和組分擴散過程，忽略了土體變形/破壞對其他物理場的影響。筆者主要針對開采過程中含水合物儲層的穩定性和井壁穩定性的研究進行論述。寧伏龍[3]研究了水合物地層鉆探過程中出現的井壁穩定性問題，指出實際鉆井過程中井壁圍巖地層的孔壓和應力分布情況是流體流動和固體變形共同作用的結果。程遠方等[131]基于有限元法，采用流固耦合模型對降壓開采過程中儲層的應力狀態以及物性參數的動態變化規律進行了研究。然而，該模型忽略了溫度場的變化，并采用了解耦方法對滲流場和變形場進行了單向順次求解。Rutqvist等[132-133]采用單向耦合的方法將TOUGH+HYDRATE和FLAC結合起來，采用前者計算溫度、孔壓、水合物含量等，模擬水合物儲層的傳熱、滲流以及水合物分解過程，采用后者計算應力應變，模擬分析儲層的變形和穩定性問題。兩者之間通過專門設計的通信模塊來實現數據的單向傳遞。與此思路相同，Qiu等[134]通過單向耦合MH21-HYDRES和3D FE地質力學模擬器分析評價了日本Nankai海槽水合物藏降壓開采過程中的井筒完整性。

為了提高計算精度，Kim等[135]進一步發展了TOUGH+HYDRATE和FLAC的交錯耦合模型，模擬水合物分解過程中的流體滲流和巖土體變形之間的耦合作用。與單向耦合法相比，交錯耦合法（即雙向耦合法）將信息由單向傳遞變為雙向傳遞，使計算過程能夠符合不同物理場之間是相互影響的這一基本事實。為了克服FLAC作為商業軟件在源代碼和內存共享等方面的局限，Queiruga等[136]開發了有限元程序Millstone以替換FLAC來計算儲層的力學行為，并提出了新的不同網格間的數據傳遞方法，有效提高了計算效率。需要指出的是，單向耦合法和交錯耦合法同屬于解耦算法，雖然在計算方法上相對容易實現，可以利用已有的較為成熟的熱傳導、流體滲流和固體變形等單場求解程序，但未能將各個物理場放在同一地位進行考慮，理論上不能稱為嚴格的耦合算法。更重要的是，在處理像水合物開采這種瞬態非線性問題時，要統一協調不同軟件之間的時域積分和非線性迭代，解耦合法或多或少存在一些“相延遲”問題，通常不得不采用較小的時間步長，很難把握計算過程的收斂性，甚至會出現無法模擬某些重要的物理現象的情況，例如Biot流固耦合問題中經典的Mandel-Cryer效應。為此，不少學者開始嘗試將全耦合方法引入到水合物開采的多場耦合模擬中。

Salehabadi等[137]利用力學商業軟件ABAQUS結合Heriot-Watt大學開發的水合物分解模擬軟件HWHYD，研究了水合物分解條件下套管周圍應力場的變化，分析了水合物分解對井眼及套管的穩定性的影響。該研究中對流固耦合問題采用了全耦合方法，但對熱流耦合和熱固耦合問題只進行了單向耦合求解，即只考慮傳熱對滲流和變形的作用，而忽略了滲流和變形對溫度場的影響。Klar等[138]推導了氣液兩相滲流方程和動量平衡方程的顯式有限差分格式，采用了理想彈塑性模型來描述固體骨架的變形，最終通過對FLAC軟件的二次開發實現了解耦求解。不久前，Klar等[138]繼續補充了熱傳導方程，進一步考慮了溫度場的變化對開采的影響。Uchida等[139]首次將顆粒運移問題耦合到水合物開采過程中，使得該程序可模擬儲層出砂過程。模型中考慮了沉積物變形、顆粒分離、顆粒運移、顆粒沉降等過程，通過數值分析評估了出砂相關參數對固體骨架體變和水合物含量的敏感性。最近，Zhou等[140]在該程序中嵌入了修正的臨界狀態模型來模擬水合物儲層的力學行為，并對日本Nankai海槽東部海域的水合物開采過程進行了分析。由于采用了顯示算法，該數值模型雖然考慮了眾多參數的非線性特征，但并未引入迭代過程，而是直接采用上一時間步的結果對當前時間步的參數進行更新，其計算結果的準確性及其對時間步長的依賴性仍值得進一步研究。

除此之外，Kimoto等[101,141]、Raz[142]、吳二林等[143]也自主發展了水合物儲層開采模擬的多場耦合數學模型，并基于實測數據開展了地層力學參數演化及沉降變形預測的研究。與之前類似，上述研究并不完善，仍有部分計算過程采用了解耦策略，忽略或淡化了某些耦合作用，這與實際發生的強耦合物理過程是不相符合的。此外，當采用解耦合方法時，往往是直接調用現有的單場軟件。不同商業軟件對輸入和輸出數據的開放程度有很大的不確定性。受到可選用的單場軟件的限制，不同物理場的耦合求解經常不得不采用不同的數值方法，如滲流場采用有限體積法、位移場采用有限元法、溫度場采用有限差分法。如何在不同類型的計算軟件之間協調網格剖分、統一邊界條件、設計數據傳遞渠道，對于解耦方法來說目前仍然困難重重。

5 發展趨勢與未來的挑戰

5.1 物理力學特性測試方法和技術

目前發展出的多功能探測技術主要以定性為主，圍繞沉積物組構的精細定量探測手段相對缺乏。CT、聲波和核磁共振技術可以對土組構進行無損、定量的探測，但由于在信號解析上缺乏成熟的理論模型，這些技術在應用中仍存在困難。隨著CT、聲波技術與核磁共振技術的不斷發展，沉積物組構探測會逐漸走向定量化，并將與其他探測技術以及沉積物工程力學特性測試相結合，這是一種發展趨勢。在沉積物工程力學特性測試方面，試樣制備—組構探測—力學測試一體化、多種測試功能集成化、面向原位取樣的測試方法、模擬原位開采工況的大型模型試驗等將成為未來的重要研究方向。另外，由于含水合物沉積物的結構易損性，沉積物組構探測與工程特性的原位和船載測試技術會得到進一步發展，除了傳統的海洋原位土工試驗、地球物理、聲吶等技術會進一步完善外，新的測試技術（如水下光纖、機器人等）將越來越多地被應用。同時，室內與原位測試會更加緊密結合，相互取長補短。

5.2 含水合物沉積物的力學特性研究

在含水合物沉積物的力學特性方面，目前的試驗數據比較零散且各類數據相互獨立，缺乏針對典型水合物儲層介質的系統性試驗數據。這些問題對全面、準確地認識含水合物沉積物的力學特性及其變化規律是非常不利的。解決這一問題需要針對一些典型水合物儲層，系統開展相關沉積物的水力特性、力學特性以及相變特性的研究，建立完備的沉積物儲層物理力學特性數據庫。另外，隨著水合物分解/生成，水合物含量及其賦存模式在不斷變化中，使得水合物儲層介質具有明顯的動態結構性，因此，厘清水合物儲層介質的組構特性及其關鍵影響因素、揭示組構演化對沉積物力學特性的影響機理和規律也將成為未來有關水合物研究的重點方向。

5.3 含水合物沉積物的物理力學模型

開采過程中水合物分解會導致儲層介質會發生變形沉降，分析水合物儲層沉降對開采系統（特別是海底管線）所造成的影響，需要進一步發展能夠描述水合物開采過程的儲層介質多場、多過程耦合理論，建立能有效模擬在壓力、溫度、化學等復雜荷載作用下含水合物沉積物力學行為的實用本構模型。由于含水合物沉積物具有顯著的相變性和動態結構性（其結構隨著水合物分解、流泥流沙過程而不斷發生變化），需要對水合物沉積物組構進行定量表征，并在構建強度準則和本構模型時充分考慮組構演化的影響。盡管開采場地的沉降問題需要考慮，但相對而言，儲層破壞（如海底滑坡）、井壁失穩等破壞問題更加突出。針對這些問題，需要發展相應的計算模型和分析方法，包括：井壁穩定性分析、海底穩定性分析、錨固基礎抗拔承載力計算等，因此，含水合物沉積物的強度特性及其影響因素和變化規律將是未來需要重點關注的問題。

5.4 水合物開采土力學多場耦合數值模擬

水合物開采中產能預測以及開采場地力學安全性分析涉及到復雜的非線性問題求解。隨著水合物儲層特征刻畫的精細化、沉積物多過程耦合理論的進一步發展以及數值方法和計算技術的不斷進步，這一方向的發展趨勢具有以下兩種特征：①從分析尺度上看，逐漸實現從儲層介質的微細結構演變到宏觀場地尺度的變形破壞的跨尺度模擬分析；②從數值求解方法看，正在從傳統的單向耦合、交錯耦合等解耦算法轉到全耦合算法上，逐漸實現水合物開采邊值問題數值解法的根本性轉變。

5.5 含水合物沉積物力學研究面臨的挑戰

經過近20多年來的發展，有關水合物開采的理論、方法和技術均取得了顯著的進展，但從巖土力學的角度看，目前仍然面臨諸多挑戰。

5.5.1 大尺度含水合物沉積物試樣的人工制備

開展室內試驗和物理模型試驗需要在實驗室中制備大尺度均勻的含水合物沉積物試樣。由于含水合物沉積物物理力學特性強烈依賴于沉積物的結構，因此所制備試樣必須能夠真實反映原位含水合物沉積物的結構特征，特別是孔隙水合物的賦存模式應與原位一致。迄今為止，這仍然是沒有完全解決的難題。

5.5.2 含水合物沉積物微細觀組構的精細探測與定量表征

含水合物沉積物具有顯著的結構性，而且水合物分解/生成使得沉積物的微細觀結構處于動態演化中。因此，厘清含水合物沉積物的物理力學特性的變化規律必須能夠對其微細觀結構進行精細探測與定量表征，這正是目前有關含水合物沉積物力學研究中面臨的挑戰之一。

5.5.3 組構變化對含水合物沉積物力學特性的影響機理與規律

水合物分解會導致其膠結作用破壞，從而引起沉積物的強度和變形特性的變化。因此，闡明水合物含量、水合物賦存模式等組構因素變化對沉積物宏觀力學特性的影響機理與規律，是有效評價水合物儲層力學穩定性的重要前提。由于缺乏相應的試驗數據，這一關鍵問題目前尚未解決。

5.5.4 開采擾動下流沙發生條件及其對儲層穩定性的影響機制

實現水合物高效開采需要對開采擾動下流（出）沙過程進行有效控制，因此需要闡明流沙過程的發生機理和觸發條件。另外，流沙過程也會導致儲層或開采井壁破壞，從而影響到開采過程。目前對水合物開采過程的流沙問題認識有限，研究手段單一（主要基于離散元法），沒有建立有效的流沙判別準則，缺乏考慮流沙影響的儲層穩定性分析方法。

5.5.5 開采擾動下多相多組分含水合物儲層的多過程耦合問題

含水合物儲層是一種多相多組分孔隙介質，在開采擾動下，會發生熱傳導、氣—液流動、物質擴散、細粒流失（流泥流沙）、骨架變形、水合物生成/分解等耦合的多物理化學過程。雖然傳統理論很好模擬熱傳導—滲流/擴散—骨架變形等耦合過程，但對存在相變等化學過程情況仍存在明顯的局限性。另外，現有的多孔介質連續介質力學模型沒有充分考慮流沙問題的影響。

5.5.6 水合物分解/生成條件下含水合物沉積物的本構響應

在水合物分解或生成條件下，含水合物沉積物的內部組構可以在膠結模式—填充模式—持力體模式之間相互轉化。目前囿于試驗技術的限制，對這類組構不斷變化的土體的本構響應特征缺乏了解。已有的本構模型無法準確模擬組構變化的影響，而近年來發展起來的能考慮賦存模式影響的沉積物本構關系模型不僅結構復雜，而且涉及到模式判別問題，這限制了新模型的應用。因此，發展能有效模擬水合物分解/生成條件下含水合物沉積物本構關系模型仍然是目前亟需解決的難題。

5.5.7 有關水合物開采過程數學模型的適定性問題

目前模擬水合物開采過程的數學模型都是通過對原本只適用于描述單一過程的數學模型的簡單組裝而得到，如熱傳導采用的是經典的傅里葉法則，滲流過程采用的是達西定律，擴散過程則是菲克斯第一法則等。為了有效模擬水合物開采過程，必須首先回答該類數學模型解的存在性、穩定性和唯一性問題。

5.5.8 高效穩定的水合物開采過程的數值模型的全耦合解法

有關水合物開采過程模擬所采用的解耦或半解耦解法與實際物理過程嚴重不符，不僅精度低而且難以控制。因此，發展全耦合計算方法將是一種理想選擇。但是，采用全耦合計算方法除了需要從頭開始進行軟件設計開發，還需要發展高效穩定的全耦合數值算法，這是一項亟待解決的重大科學問題。