天然气水合物储层力学特性研究进展*

李栋梁 ，王 哲 ,5，吴 起 ,6，卢静生 ，梁德青 †

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2.中国科学院天然气水合物重点实验室，广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院广州天然气水合物中心，广州 510640；5.中国科学技术大学 纳米学院，江苏 苏州 215123；6.中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

天然气水合物是由水分子和气体分子在一定温压条件下形成的一种类冰状笼形化合物。自然界中的水合物一般产出于深水海底浅层未固结成岩的松散沉积物中和陆域冻土区岩石裂隙或孔隙中，受温度、压力和气源综合因素影响，具有典型的区域性分布特点，即水合物储层具有埋深浅、胶结性差、泥质低渗、类型多样等特征[1]。

水合物开采要求改变水合物的相平衡条件，即改变其稳定存在的温度和压力。这会导致地层胶结强度、孔隙度、地质结构等发生变化，从而引发一些地质灾害，例如海底滑坡[2]、海底沉降[3]和海啸[4]等，严重威胁水合物资源的安全开采。除此之外，水合物分解的甲烷等气体都是温室气体，其温室效应比二氧化碳强，如果大量的甲烷气体排放到大气中，将严重影响地球的气候。因此，研究含水合物沉积物的力学性质和水合物开采可能引发的地质灾害显得十分重要。

国内外学者从不同的角度对含水合物沉积物进行了大量研究，在试样制备方法、饱和度测试技术、试验温压条件控制、剪切速率控制等方面取得了很大进步[5-6]。本文在调研大量文献基础上，结合已有的天然气水合物制样、三轴力学测试研究现状，系统分析影响含水合物沉积物的力学特性的主要因素，梳理下一步研究方向，为促进含水合物沉积物力学强度研究提供参考。

1 静力学实验测试

1.1 制样及实验方法

早期由于没有适用于含水合物沉积物力学强度研究的仪器，研究者大多采用声学等间接方法测量其力学强度特性。WINTERS等[7]分别对水合物储层原位取芯试样、人工合成甲烷水合物试样以及含冰的沉积物试样进行了剪切强度和纵波速度测量实验，发现水合物的存在可以显著增强试样的剪切强度和纵波速率，且增强效应与水合物的含量和分布、沉积物本身性质以及实验条件有关。PRIEST等[8]利用共振柱实验对水合物沉积物的生成和分解过程进行了研究，结果显示水合物的生成对沉积物刚度的增强比较缓慢，但是水合物分解会显著影响沉积物的刚度。刘艳军等[9]通过利用SHW-III型水合物岩样声电力学测试装置进行了饱和度和颗粒类型对水合物沉积物基础物性（声波波速、动态力学参数、胶结强度）影响实验，发现同一粒径下的沉积物孔隙饱和度越高，声波传播速度越快，而相同类型的沉积物声波传播速度随其颗粒粒径的减小而增加；水合物沉积物的抗胶结程度随着沉积物颗粒粒径的减小而增强，随着孔隙饱和度的减小而下降。

目前实验室中对于含水合物沉积物的力学强度的研究仪器主要为低温高压三轴仪，但是实验室内合成天然气水合物通常需要较长的时间，且条件比较苛刻，直接研究甲烷水合物实验难度大，而四氢呋喃（tetrahydrofuran,THF）水合物与甲烷水合物具有相似的热物理性质，且实验室内人工合成THF水合物比较简单，利用其代替天然气水合物进行相关 实验研究可以显著提高实验效率[6]。

随着低温高压三轴剪切仪的研制和实验普及，在实验室内人工合成甲烷水合物沉积物并进行相关力学性质测试被认为是一种有效的研究天然气水合物储层的力学稳定性的实验研究手段。颜荣涛等[10]分别采用非饱和成样法和饱和试样气体扩散制样法合成了二氧化碳水合物沉积物试样，并进行了三轴压缩实验，发现不同的制样方法得到试样的强度随水合物饱和度变化影响并不完全一致。

由于目前没有统一的制样方法和标准，不同的研究者采用的实验方法各有差异，但总体而言可以分为两类，也即混合制样法和原位合成法。

混合制样法首先制备纯水合物，并将其制成粉末状，然后与沉积物混合（图1）。该方法可以很好地控制水合物饱和度，保证水合物在沉积物中均匀分布，且操作简单，可提高三轴试验的制样效率[5]。

图1 混合制样法示意图Fig.1 Schematic diagram of mixed sample method

图2 水合物原位生成系统Fig.2 Hydrate in situ formation system

原位制样法事先将一定含水率的沉积物试样转入测试模具中，然后通入高压气体，通过控制试样温度合成含气体水合物沉积物试样，合成完成后可直接进行力学测试。原位生成法与实际海底生成含水合物沉积物形成过程类似，测得的数据更接近实际情况，但无法保证水合物分布的均匀性，也不容易控制水合物含量。孙晓杰等[11]用覆膜砂烧结成岩样，然后采用直接合成法合成含水合物沉积物试样，其中水合物原位生成系统如图2所示。

李令东等[12]将覆膜砂和膨润土为沉积物骨架分别采用直接合成和混合制样两种方法制备含水合物沉积物试样，并进行不同实验条件下的三轴压缩实验。其采用两端供气法合成水合物，可以有效避免沉积物中孔隙水的流失。LUO等[13]以南海珠江口的沉积物为载体，在实验室重新合成含水合物沉积物试样。对于天然气水合物沉积物和天然气水合物高岭土，在相同实验条件下，其应力应变以及强度特性相同，在沉积物获取困难时，利用高岭土代替沉积物进行测试，也有一定的参考价值。

1.2 水合物与沉积物的相互作用

HYODO等[14]通过对不同粒径的含水合物沉积物的原位三轴压缩测试和平面应变测试，发现沉积物的强度由于水合物的胶结作用大幅度提高，而这种提高效应与沉积物颗粒粒径分布有关。在排水剪切实验中，试样的初始刚度和强度随着粉砂含量的增加而降低，且随着粉砂含量的增加，剪切过程中试样的剪缩效应愈加显著。在平面应变实验中发现，水合物对沉积物的初始刚度和强度均有增强效应，但是这种增强效应会受到沉积物颗粒本身性质的影响。天然气水合物对沉积物颗粒的胶结作用可以显著提高沉积物的力学强度，如果某些位置的水合物作为沉积物的承载骨架，其对沉积物稳定性的贡献将会更加显著。MASUI等[15-16]对比了原样取芯的沉积物试样和实验室合成的天然气水合物沉积物试样的三轴实验结果，发现当两种样品的颗粒尺寸分布一样的时候，两者具有相同的强度和形变特性。孙中明等[17]利用时域反射技术测量了THF水合物与甲烷水合物沉积物的水合物饱和度并将理论值与测量值进行了比较，发现含甲烷水合物沉积物在剪切过程中呈现脆性破坏，而甲烷水合物的饱和度的增加有助于沉积物整体的强度增加。李令东等[12]发现，水合物对沉积物的胶结作用并不会对水合物沉积物的力学起决定性作用，其力学性质主要受沉积物颗粒本身的性质影响。其中覆膜砂作为基质的沉积物的力学强度和弹性模量都明显高于膨润土材质，而膨润土作为沉积物骨架的试样塑性破坏更加显著。含水合物沉积物的强度和弹性模量与围压呈正相关关系，而围压对泊松比的影响并不明显。王淑云等[18]基于含THF水合物黏土样品在不同水合物饱和度、围压及水合物分解前后的高压三轴剪切试验和超声波测量数据，分析了含水合物黏土的应力-应变关系和强度特性，含水合物黏土的应力-应变曲线展现出弹性、塑性变形以及应变硬化三个阶段，与不含水合物黏土的应力-应变关系有明显不同；含水合物黏土在水合物分解前后的应力-应变关系存在明显的不同，水合物的存在增强了黏土颗粒之间的连结或胶结作用。

KAJIYAMA等[19]分别采用Toyoura砂、玻璃珠以及重组砂作为沉积物进行三轴压缩试验。从晶粒尺度的观点解释了颗粒特征对甲烷水合物沉积物力学的影响。与天然砂相比，含甲烷的玻璃珠具有类似的初始刚度，并且剪切强度在较小的轴向应变时迅速到达峰值。玻璃珠作为甲烷水合物沉积物存在应变软化现象，不同于天然砂的甲烷水合物。这是因为在剪切时，玻璃珠表面的水合物会直接脱落，而天然砂甲烷水合物的剪切强度是由内聚力和内摩擦角共同控制的。

MIYAZAKI等[20]利用不同粒径的石英砂和Toyoura砂作为水合物沉积物的骨架进行三轴压缩试验，发现水合物砂试样的强度和刚度随甲烷水合物饱和度的增大而增大，水合物的刚度取决于形成骨架的砂的类型，但强度与砂子的类型关系不大。HYODO等[21]在受控的温度和压力条件下人工制备具有不同细粒含量和三种密度的含有甲烷水合物的沉积物。实验结果表明随着细粒含量的增加，各向同性固结后样品的孔隙率趋于降低。细粒进入砂粒之间的孔隙空间并使试样致密化，含甲烷水合物沉积物中细粒含量的增加显著提高了峰值剪切强度并促进了扩张行为，这些影响对于松散状态的样品尤为突出。孔隙率的降低增大了含有水合物的沉积物和含有甲烷水合物的沉积物的剪切强度和刚度。

1.3 水合物客体的影响

目前，用于水合物力学特性研究的水合物客体有气体和液体两种。气体主要是CO2、CH4及模拟实际天然气组分的混合气体等，液体主要为THF溶液。由于不同种类水合物的力学性质不同，所以造成了含水合物沉积物力学性质的不同，因此，沉积物中不同种类的水合物对沉积物的力学性质影响受到了研究者的关注。孙中明等[17]利用时域反射技术测量了THF水合物与甲烷水合物沉积物的水合物饱和度并将理论值与测量值进行了比较，肯定了该技术测量水合物沉积物中水合物饱和度的可行性和准确性，实验发现相同条件下的甲烷水合物沉积物强度高于THF水合物沉积物的强度。LIU等[22]利用定制设备研究直接剪切下含二氧化碳水合物沉积物的机械和体积行为，指出水合物主要对含水合物沉积物的峰值强度产生凝聚力和膨胀性约束，水合物对残余强度的贡献主要是通过增加低水合物饱和度下的内聚力和高水合物饱和度下的摩擦力。

张旭辉等[23]在实验室合成了冰沉积物、甲烷水合物沉积物、二氧化碳水合物沉积物以及THF水合物沉积物，其中沉积物骨架均采用粉细砂土。在相同实验条件下，不同气体水合物种类的沉积物强度不同。如表1所示，水合物沉积物强度与冰沉积物强度有显著差异，与甲烷水合物沉积物相比，二氧化碳水合物沉积物的强度更高，也即二氧化碳水合物对沉积物的强度贡献比甲烷水合物更高。在相同实验条件下，内摩擦角从小到大依次为甲烷水合物 ＜

冰沉积物 ＜ THF水合物沉积物＜ 二氧化碳水合物沉积物，而内聚力从小到大依次为甲烷水合物沉积物=二氧化碳水合物沉积物＜ 冰沉积物 ＜ THF水合物沉积物。

表1 不同沉积物的饱和度及强度参数Table 1 Saturation and intensity parameters of different sediments

1.4 围压、水合物饱和度的影响

HYODO等[24]在不同的温度压力条件下合成水合物沉积物，然后在相同的试样条件下进行三轴压缩实验，发现在不同的温度压强合成条件，对最终含水合物沉积物的力学性质测试并没有显著的影响。含水合物沉积物的强度与水合物饱和度、试样背压、试样有效围压有关。水合物可以增强颗粒之间的胶结作用，在不同的围压条件下，天然气水合物沉积物的破坏强度更高。SONG等[25]利用自主设计的水合物三轴测试系统测定了不同温度，不同加载速率以及不同围压对甲烷水合物的力学性能的影响，结果表明偏应力和最大主应力随着应变速率的增加和温度的降低而增加。在一定的围压条件下，水合物的偏应力和最大主应力随着围压的增大而增大。LUO等[13]对从南海钻取的天然气水合物沉积物进行了一系列实验，结果表明含水合物沉积物的应力应变行为和强度性质与含水高岭土相似。在不同的围压条件下，甲烷水合物沉积物的强度高于含冰海水沉积物混合物的破坏强度，说明水合物颗粒增强了沉积物颗粒的胶结作用。通过对不同围压下三种混合物的摩尔圆和破坏包络的分析，可以推断，凝聚强度对水合物解离后含水合物海相沉积物的破坏强度起着重要作用。张旭辉等[26]利用THF水合物与粉细砂土以及蒙古砂土合成含水合物沉积物，实验结果表明水合物沉积物的破坏形式均为塑性破坏，围压对水合物的强度具有增强效应。李令东等[12]发现含水合物沉积物的强度和弹性模量与围压呈正相关关系，而围压对泊松比的影响并不明显。刘乐乐等[27]通过对含水合物饱和水海砂沉积物进行一系列三轴压缩实验发现，试样的应力应变曲线随着试样水合物饱和度的增大和有效围压的降低逐渐由应变硬化型转变为应变软化型，有效围压与试样的峰值强度和割线模量成正相关关系，同时水合物饱和度对试样的粘聚力影响显著而对其内摩擦角没有明显的影响。关进安等[28]在可燃冰三轴原位力学测试平台上开展了当地环境下的含甲烷水合物沉积物试样的生成及随后的初步原位三轴力学测试，发现在高围压和低温度时含甲烷水合物沉积物力学强度更大，高压低温环境下含水合物沉积地层更可能展现出弹塑性力学特征。李洋辉等[29]采用混合制样法将天然气水合物粉末与高岭土在低温条件下混合制样，并对不同围压条件下的含水合物沉积物试样进行三轴压缩实验。实验结果显示，在围压范围，试样的三轴破坏强度随着围压的增大而增大；超过一定的围压范围，试样的强度随着围压的增加有平缓下降的趋势。即试样的强度与试样所承受的围压并不是正相关关系。水合物沉积物的内摩擦角与沉积物中高岭土的含量关系不大，但高岭土的含量会影响沉积物的初始密度以及沉积物内部的胶结状态。围压与试样破坏强度关系如图3所示。

图3 围压与含水合物沉积物破坏强度关系[29]Fig.3 The relationship between confining pressure and the destructive strength of hydrate sediments

孙中明等[17]发现沉积物的内摩擦角基本不随水合物饱和度的变化而变化，而粘聚力受水合物饱和度的影响较为显著。颜荣涛等[10]发现水合物沉积物的强度由水合物饱和度以及水合物在沉积物中的赋存状态共同决定。同时，实验也发现随着水合物饱和度的增大，试样的剪胀特性越来越显著。水合物饱和度与试样的内聚力呈正相关关系，而其对试样的内摩擦角基本没有影响。孙晓杰等[11]发现沉积物中水合物的饱和度和围压的增加均可以提高沉积物试样的抗压峰值强度，水合物的饱和度对试样的内聚力的增大具有显著意义，而试样的泊松比和内摩擦角基本不受水合物饱和度的影响。其中水合物的饱和度与试样内聚力的关系如图4所示。

图4 水合饱和度与沉积物试样内聚力的关系Fig.4 The relationship between hydrate saturation and sediment sample cohesion

2 水合物开采过程中的力学特性变化

2.1 温度的影响

水合物开采引发的水合物分解将导致沉积物刚度的减小，甚至储层的破坏。冰和水合物沉积物的不同之处在于水合物沉积物的内摩擦角更大，而其内聚力相差不大，水合物分解时，内聚力对于沉积物的强度显得非常重要，而在水合物开采过程中主要有温度、压力和水合物饱和度的变化。刘芳等[30]采用通气法和预冻结法在实验室内人工合成了甲烷水合物以及含THF水合物的沉积物试样，发现温度的降低可以增强含水合物沉积物的宏观力学强度。张旭辉等[26]利用THF水合物与粉细砂土以及蒙古砂土合成含水合物沉积物，发现水合物的分解会导致沉积物的强度显著降低，也会强化沉积物的液化作用。李洋辉等[31]在不同温度和应变速率条件下，对天然气水合物沉积物进行三轴压缩试验。试验结果表明：（1）温度越低，水合物沉积物破坏强度越大，在一定温度范围内可用线性表示。随着温度的进一步降低，破坏强度的增加趋势有所减小，最终趋于定值；（2）水合物沉积物试样的破坏强度随着应变速率的增大而增大，应变速率可明显地改变材料的塑性性能；（3）割线模量E50随着温度的降低而线性增大。

2.2 降压过程的影响

针对降压过程中含水合物沉积物的力学特性变化，也有研究者进行了一些研究。HYODO等[32]在对含水合物沉积物的三轴剪切实验中，加入了注热和降压两种不同的实验手段，研究不同水合物开采方法对储层力学强度的影响。实验结果显示，当轴向荷载大于含水合物沉积物分解后的抗剪强度时，试样会因为温度升高而发生破坏，降压法在降压过程中没有观察到试样有显著的破坏，但是复压阶段可以观察到试样的屈服。KIMOTO等[33]发现孔隙压强的降低对试样的形变影响比较大，且这种影响不同于常规的多孔细节材料，主要是由于孔隙压强的降低伴随试样固体相的移动。AOKI等[34]通过特殊的实验装置研究了降压过程中含水合物沉积物试样的孔隙压强、温度与试样变形的关系。LI等[35]发现在降压分解过程中，含水合物沉积物试样的力学强度受到有效围压的增大和孔隙中水合物含量减少的综合影响。LI等[36]研究了不同水合物开采方法（排气／非排气条件下降压／加热、CH4-CO2置换）下多年冻土甲烷水合物沉积物的力学行为。结果表明，降压和加热都会降低混合法制备的含冰甲烷水合物沉积物的稳定性，含冰甲烷水合物沉积物的破坏强度和弹性模量略低于不同条件下含CO2水合物的沉积物，意味着当甲烷水合物完全被CO2水合物替代时，地层可能保持稳定。

3 剪切过程中的体积变形

3.1 剪切变形原理

水合物在沉积物中存在的三种不同模式，分别为孔隙填充、胶结作用、骨架承载，如图5所示。

图5 水合物在沉积物中存在的不同类型：（a）孔隙填充；（b）胶结作用；（c）骨架承载Fig.5 The different types of hydrate in the sediment: (a) pore filling;(b) contact cement;(c) sediment frame component

不同的赋存模式对岩层的岩石物性的影响不同。对于孔隙填充型，地层中水合物的生成和沉积对地层刚度没有任何影响，而主要影响孔隙流体的体积模量，因此完全可以以孔隙流体替代物来对待；对于骨架型，地层中水合物会降低地层孔隙度，地层刚度略微变化，主要考虑骨架矿物组成的力学性质；对于胶结型，水合物在孔隙中可能起到胶结沉积物颗粒的作用，水合物在降低地层孔隙度的同时强烈影响地层的刚度。计算流体饱和的沉积物的弹性模型采用的是Gassmann方程[37-38]：

其中，φ为沉积物孔隙度；Kdry是干固体骨架的弹性模量；Km和Kf分别为骨架矿物和流体的弹性模量；Ksat为饱和沉积物弹性模量；Gsat为剪切模量；Gdry为干固体骨架的剪切模量。孔隙模式中，水合物被认为是孔隙流体的一部分，仅改变流体的弹性模量；对于骨架模式，水合物被认为是岩石骨架的一部分，产生了两个效应，一个是使孔隙度减小，另一个是改变了骨架的体积模量和剪切模量；对于胶结模式，一方面在孔隙度降低方面等同于骨架模式，另一方面，岩石骨架的体积模量和剪切模量也需修正。

有研究表明，当水合物饱和度为25%～40%时，孔隙填充模式很可能转化为胶结模式[39-40]。UCHIDA分析了水合物分解对含水合物沉积物试样的力学影响过程[41]，如图6所示，当水合物颗粒对试样成承载作用时，轴向应力会使沉积物颗粒与水合物颗粒发生挤压，此时试样的主应力差会呈现增强状态，当水合物分解后，沉积物颗粒失稳，主应力差出现短暂的下降趋势，待沉积物颗粒重新挤压排列后，主应力差重新上升，并呈现新的应力应变模式。

图6 水合物分解对沉积物的力学影响过程示意图[41]Fig.6 Schematic diagram of the mechanical influence of hydrate decomposition on sediments

当水合物饱和度较高时，水合物可能在沉积物的某些部位充当了骨架结构。当降压操作开始后，试样的孔隙压强降低，引发试样内部的水合物分解，当承当骨架的那部分沉积物被破坏和分解时，试样的受力变化和体积变化都会受到较大的影响。相反，当水合物饱和度较低时，大部分的水合物在沉积物颗粒的孔隙中，极少的水合物对沉积物有胶结作用，所以当水合物分解后，沉积物体积和受力都不会发生特别显著的变化。但是，水合物对沉积物颗粒的胶结作用一旦被破坏，沉积物颗粒的束缚就会显著降低，所以即使水合物饱和度较低时，降压也会引发沉积物的应力减弱。

3.2 变形实验进展

HYODO等[32]实验发现在水合物分解过程中，试样表现出显著的剪缩效应，且当不存在剪切力状态下，这种剪缩效应与试样所受的有效围压是否减少没有关系。而在施加剪切力的条件下，试样的体积变化趋势将和试样是否达到临界剪切值有关。HYODO等[42]通过对气饱和以及水饱和的含水合物沉积物试样进行三轴压缩实验发现，试样中水合物含量越高，试样的破坏强度越大，剪胀作用也越明显。在相同的实验条件下，气饱和合成的试样要比水饱和试样的刚度和抗剪强度高，且相比于水饱和试样，气饱和试样在剪切过程中表现出显著的应变软化较大的体积应变行为。LI等[35]通过半降压剪切法以及完全降压剪切法对不同围压和水合物饱和度的试样进行了三轴剪切实验，发现在降压分解过程中有效围压对含水合物沉积物试样的体积应变有较大的影响，较高的有效围压会导致含水合物试样产生显著的剪缩现象，因此在水合物商业化开采之前需要评估地层沉降的可能性。

4 本构关系

4.1 弹塑性本构模型

为了进一步深入理解含天然气水合物沉积物的力学强度变化以及形变特性理论，天然气水合物沉积物力学强度及变形特性本构关系得到了不断发展。SULTAN等[43]在 Cam-Clay模型基础上，将水合物含量作为一个状态变量来模拟含水合物沉积物的骨架结构破坏及软化现象，由于其模型考虑的是弹塑性，模型参数较多，而且从其模拟结果来看，只能说明其模型所表达的应力-应变曲线变化趋势是正确的，与试验曲线还不能很好吻合。KLAR等[44]为研究水合物分解可能引发的海底滑坡、井筒变形等问题，开发了一个水合物与土壤相互作用的多物理模型。基于有效应力概念，建立了一种弹性-完全塑性的本构模型，研究了水合物饱和度对沉积物介质的刚度和强度的影响。MIYAZAKI等[45]基于Duncan-Change模型建立了一个适合于含水合物沉积物的非线性本构模型，讨论了有效围压以及水合物含量对试样材料的力学性质影响，模型简单易懂，但并不涉及试样的体积应变参数。针对含水合物沉积物三轴排水剪切过程中的应变软化行为，PINKERT等[46]开发了应变软化的本构模型，该模型同时考虑了试样剪切过程中试样体积膨胀和水合物含量减少的问题。在该模型中，当塑性剪切应力增加时，试样的表观粘聚力会下降，模型模拟结果与实验吻合度较高。YAN等[47]根据天然气水合物储层的变形特征，根据试验结果考虑水合物饱和度的影响，对Duncan-Chang模型进行了修正，得到了本构模型。结果表明天然气水合物储层的应力-应变曲线表现出不明显的压实阶段和峰值强度、短弹性阶段、长屈服阶段和显著的应变硬化特征。在天然气水合物沉积物上施加载荷后，内部固体颗粒脱位并滑动。当荷载很小时，沉积物表现出弹性变形。随着荷载的增加，内部出现塑性流动，水合物晶体重新定向，沉积物呈现塑性变形。初始切线弹性模量随有效围压增加，与水合物饱和度关系不大。此外，损伤率随有效围压的增加而增大，而随天然气水合物饱和度的增加而略有下降。SONG等[48]基于对水合物解离时间为0、1、6、12或24 h的含甲烷水合物沉积物的一系列三轴压缩试验，研究了不同温度下水合物解离过程中沉积物的力学性质，发现应变软化行为出现在较高的温度下，提出了在解离时间和温度方面的破坏强度和初始屈服强度的数学表达式，建立了考虑温度和水合物解离时间影响的含甲烷水合物沉积物的Duncan-Chang本构模型，并通过实验验证了计算结果的有效性。

UCHIDA等[49-50]开发了适用于水合物沉积物的临界状态（methane hydrate critical state,MHCS）模型，分开考虑了水合物在沉积物中的赋存状态（孔隙填充、胶结作用、骨架承载）对沉积物力学及形变的影响。

模型中涉及的屈服方程为：

其中：f为屈服函数；q为剪应力；M为临界状态下的应力比；p'为有效主应力；R为次加载率；pc' 为预固结应力。

这里剪应力q定义为：

其中，σ1'、σ2'、σ3'分别为z、y、x三个不同方向的有效应力。

按照原剑桥模型的思想，当试样的应力状态处于破坏屈服面以内时，试样应该为完全弹性应变，而当试样处于破坏屈服面上时，试样则表现为塑性应变。这里由于水合物存在的作用，试样的破坏屈服面在原有的初始屈服面上增加了范围，也即试样的抗剪强度会有所增加。模型中的次加载率R最开始由HASHIGUCHI[51]提出，此时模型的屈服函数会出现一个额外的加载面，最终使得试样一直处于弹塑性状态，但是由于试样的应力状态不同，弹塑性参数中弹性和塑性作用所占的比例会逐渐变化，这和三轴剪切实验的结果是相吻合的。

试样的刚度主要由其弹性刚度矩阵决定，这里纯砂试样的刚度矩阵为：

其中，K为体积模量，G为剪切模量，E为杨氏模量，而水合物的存在对试样刚度增强的作用也体现在其对试样材料刚度矩阵的影响。

临界状态模型是修正经典剑桥模型得到的，即采用帽子屈服面、相适应的流动规则并以塑性体应变为硬化参数，与Duncan-Chang模型相比较，临界状态模型可以较为全面地描述沉积介质的力学性质。

4.2 损伤统计本构模型

吴二林等[52]采用 Drucker-Prager破坏准则来表示含天然气水合物沉积物微元强度，并假设其微元强度服从Weibull分布，从而建立了含天然气水合物沉积物的损伤统计本构模型，与不同有效围压下的试验结果及已有研究成果相比较，表明了所建模型能够很好地模拟三轴剪切条件下含水合物沉积物试样的应力-应变关系特性。杨期君等[53]考虑了水合物与沉积物颗粒之间的不同作用机制，分别采用修正的剑桥模型以及弹性损伤模型对含水合物沉积物试样的三轴剪切应力应变曲线关系进行数值模拟，不同水合物含量的试样实验结果与模拟结果吻合良好。颜荣涛等[54]基于含CO2水合物沉积物的三轴压缩数据，建立了适用于含水合物砂土的本构模型，该模型将水合物和沉积物颗粒骨架看成复合胶结特性材料，引入相关的屈服函数以及非关联流动法则，模拟了不同围压、水合物饱和度的试样的应力应变关系。李彦龙等[55]基于含水合物沉积物微元强度服从Drucker-Prager准则和Weibull分布的基本假设，将统计强度理论与统计损伤理论有机结合，建立了能同时描述含水合物沉积物应变软化规律和应变硬化规律的损伤统计本构模型，探讨了模型参数求解思路，验证了模型的准确性。

水合物含量和水合物赋存模式都会对含水合物沉积物的力学特性产生影响，但目前本构模型很少考虑水合物赋存模式的影响。颜荣涛等[56]在分析水合物赋存模式对含水合物沉积物力学特性影响机制基础上，提出采用有效水合物饱和度来描述水合物赋存模式对沉积物力学特性的影响，并基于前人建立的含水合物沉积物的统计损伤本构模型，假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布，采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度，建立考虑水合物赋存模式影响的含水合物沉积物的统计损伤本构模型。模型修正了水合物含量和试验围压对弹性模型的影响关系式，能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系，反映水合物含量和水合物赋存模式对含水合物沉积物的刚度、强度、应变软化等力学特性的影响规律。张峰等[57]总结了含水合物沉积物力学模拟本构模型的研究，认为建立参数意义明确、模型与试样数据高度吻合的本构模型还有很多挑战。

5 结论与建议

目前关于含水合物沉积物的力学实验研究在单因素影响条件下已经有比较多的数据，不同的沉积物类型、水合物类型的力学研究也积累了不少数据，也取得了一些共识：

（1）不同含水合物沉积物制样方法、水合物形成介质、不同的剪切方法等因素是导致沉积物宏观强度参数差异的重要原因，温度、围压、加载速率、初始孔隙率也会影响含水合物沉积物的力学强度，而详细的测试方法和测试条件仍是不同研究成果横向可比较性差的主要原因。

（2）含水合物沉积介质的剪切强度随水合物饱和度增大而增大，水合物的分解将导致沉积介质力学强度降低，增大的程度与水合物的赋存状态有关。

（3）常规土力学的本构模型经改进后能够描述含水合物沉积物的应力-应变关系，反映水合物含量和水合物赋存模式对含水合物沉积物的刚度、强度、应变软化等力学特性的影响规律，但通用型还存在问题，临界状态模型是目前适用型较好的模型之一，损伤统计本构模型目前在考虑水合物赋存状态方面也取得了较满意的效果。

主要存在的问题如下：

（1）定量角度很难形成共识。目前水合物沉积物三轴力学参数测试所形成的共识基本停留在定性表述上，很难从定量的角度达成共识，因此需要建立水合物沉积物三轴试验相关的统一标准和测试规程，同时建立试验测试数据库，利用大数据和统计的方法给海洋水合物工程提供设计依据和数据支持。

（2）基于仪器条件等原因，高压、多因素同时作用与含水合物沉积物试样的力学实验并不多见，较高的围压条件下，试样强度与围压的关系仍需要进一步实验探究。

（3）关于含天然气水合物沉积物的力学特性数值模拟大多基于已有的土力学本构模型，而目前的研究大多采用引入新参数、改变试样破坏条件等方法对原有模型进行修正。参数意义明确、智能修正参数的模型仍需进一步研究。

天然气水合物开采涉及的核心问题是开采效率与安全保障。我国南海水合物藏具有泥质低渗非成岩特征，开采难度大，尚缺乏符合我国水合物矿藏特征的高效开采理论与安全防控技术，需要研究天然气水合物分解对力学特性的影响、开采扰动下的相变特性及开采井失效破坏、开采扰动下的井筒内多相流过程及开采井稳定性、微结构坍塌和水合物分解过程及其与软化特性的关联规律、微结构胶结和触变过程及其与宏观承载特性关联规律、渐进破坏和水合物储层承载力的分析方法，发展水合物相关的界面弱化理论，解决水合物开采工程安全设计与储层稳定性预测问题，以实现南海水合物安全、高效开发。