李彥龍 劉昌嶺 廖華林 董 林1, 卜慶濤 劉志超

1.自然資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室 3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院 4.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

0 引言

海洋天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）對(duì)其賦存的沉積物骨架具有一定的膠結(jié)支撐作用，水合物開采將引起儲(chǔ)層整體強(qiáng)度的降低[1-3]。厘清水合物開采過程中儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)的演化特征對(duì)管控工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、延長(zhǎng)試采周期至關(guān)重要[4-7]?；趯?duì)水合物儲(chǔ)層孔隙度、滲透率特征以及技術(shù)可采難度的認(rèn)識(shí)，國際主流觀點(diǎn)普遍認(rèn)為賦存在砂層沉積物中的水合物應(yīng)該是水合物試采的優(yōu)選目標(biāo)[8-11]。目前國內(nèi)外大部分針對(duì)含水合物沉積物人工合成樣品進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)大部分也是基于砂質(zhì)沉積物展開的[12-14]，并建立了考慮水合物飽和度、有效圍壓的含水合物砂質(zhì)沉積物破壞模式識(shí)別模型[15-16]。

然而，全球天然氣水合物總量的90%以上都賦存于海底黏土質(zhì)粉砂或淤泥質(zhì)沉積物中[17-18]。2017年中國在南海北部陸坡開展的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物試采獲得成功，首次證明該類儲(chǔ)層具備技術(shù)可采性[19-21]。然而，目前對(duì)泥質(zhì)粉砂水合物儲(chǔ)層基礎(chǔ)物性及其動(dòng)態(tài)演化特征的了解則相對(duì)較少，尤其是缺乏泥質(zhì)粉砂水合物沉積物的強(qiáng)度預(yù)測(cè)理論。Lei等[17,22]的研究結(jié)果表明，泥質(zhì)粉砂中水合物合成過程會(huì)排擠占據(jù)細(xì)顆粒的原有位置，形成非均質(zhì)性明顯的脈狀、條帶狀或透鏡體狀裂隙型水合物，這一結(jié)果與野外測(cè)井結(jié)果、保壓取心樣品的X-CT掃描結(jié)果都高度一致[23-25]，但與砂質(zhì)沉積物中的水合物孔隙充填、膠結(jié)模式[26-28]截然不同。因此含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物與砂質(zhì)沉積物在力學(xué)特征、滲透系數(shù)響應(yīng)及演化等方面存在著本質(zhì)上的差異[18,29-31]。

目前含水合物泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層基礎(chǔ)物性研究面臨的最大制約因素是人工樣品的制樣效率[17]。在含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物試樣制備過程中，選用水溶性更好的液體（如四氫呋喃、環(huán)戊烷等）分子代替氣體形成水合物，是提高含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物制樣效率的可選途徑。Liu等[32]采用四氫呋喃（THF）代替甲烷形成水合物驗(yàn)證泥質(zhì)粉土中水合物的生長(zhǎng)及分布規(guī)律，證明THF水合物在泥質(zhì)粉砂中的生長(zhǎng)規(guī)律也類似顆粒排擠替代，THF水合物—沉積物接觸面形態(tài)與氣體水合物—沉積物接觸面形態(tài)類似。因此，采用THF代替甲烷從定性角度評(píng)價(jià)含水合物泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)具有可行性[33]。

筆者采用南海北部神狐海域W18/19礦體水合物儲(chǔ)層上部的泥質(zhì)粉砂沉積物，制備含THF水合物沉積物樣品并對(duì)其進(jìn)行三軸力學(xué)參數(shù)測(cè)試，分析含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積物的力學(xué)參數(shù)隨水合物含量的變化情況，進(jìn)而探討了泥質(zhì)粉砂沉積物—水合物混合體系力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)體系的發(fā)展方向。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用自行研制的含水合物沉積物三軸儀完成（圖1）。實(shí)驗(yàn)裝置主要由柔性薄膜容器、壓力盒、低溫制冷冰箱、儲(chǔ)氣容器、圍壓控制器、壓力傳感器，三軸加載儀、位移計(jì)、溫度計(jì)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集等部分組成，含水合物沉積物試樣規(guī)格為直徑39.1 mm×長(zhǎng)度 120 mm[14-16]。

圖1 含水合物沉積物三軸儀流程圖[16]

本文所用沉積物樣品為南海神狐海域W18/19礦體靜力觸探孔站位非保壓取心樣。取心站位水深約1 272 m，主體水合物藏埋深介于133～162 mbsf（mbsf是meter below sea floor的縮寫，表示海底以下的深度，單位為m），水合物飽和度可達(dá)64%[34-35]。本次實(shí)驗(yàn)所用沉積物取樣深度為128 mbsf，取樣過程中觀察到該沉積物從巖心桶內(nèi)取出后存在水合物分解產(chǎn)生的裂隙，處于水合物層頂邊界，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試沉積物干密度介于1.68～1.70 g/cm3，相對(duì)密度為2.71，原位靜力觸探測(cè)試孔隙水壓力介于3.30～3.35 MPa，錐尖阻力介于3.65 ～ 3.91 MPa，側(cè)摩阻力介于 43.8 ～ 56.2 kPa[18,29]，沉積物水平滲透系數(shù)介于 0.96×10－9～ 3.70×10－9m/s[30]，沉積物原始含水率介于50.0%～52.4%。

圖2所示為沉積物的粒度分布曲線及其在光學(xué)顯微鏡下的沉積物表面結(jié)構(gòu)特征。沉積物粒度中值為7.57 μm，其中泥質(zhì)組分約占36.0%，粉砂組分含量約為63.0%，砂質(zhì)組分含量小于1.0%，沉積物分選系數(shù)為2.24，均勻系數(shù)為7.86，屬于分選性極差的不均勻沉積物[36-37]；沉積物液限值介于62.5%～66.5%，塑限值介于26.7%～29.2%，塑性指數(shù)介于36.3%～38.4%，表現(xiàn)出明顯的親水性黏土特征。在光學(xué)顯微鏡下呈深灰色，沉積物中未見明顯的有孔蟲殼體顯示，在高倍物鏡下可觀察到明顯的石英顆粒，推斷粉砂的主要成分為石英。

實(shí)驗(yàn)所用的THF由國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，純度大于等于99.9%，水分小于等于0.002%，密度為0.889 g/cm3；使用的去離子水為一次過濾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

根據(jù)Liu等[32]、Lei等[17]的結(jié)論，泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物合成將會(huì)排擠置換原有沉積物顆粒，形成脈狀、透鏡體狀等非連續(xù)、非均質(zhì)體系，原有沉積物孔隙結(jié)構(gòu)完全破壞，在泥質(zhì)粉砂微孔中沒有明顯的水合物顯示。因此，筆者采用平均質(zhì)量豐度（Rmh）來指示沉積物中的水合物含量，其定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的沉積物—水合物混合體系中，水合物所占的質(zhì)量百分比，即

圖2 實(shí)驗(yàn)用沉積物樣品粒度分布曲線及顯微掃描結(jié)果圖

式中Rmh表示水合物—沉積物混合體系中水合物的質(zhì)量豐度；ms、mwf、mh、mTHF分別表示水合物—沉積物混合體系中沉積物、殘余孔隙水、水合物、水合物反應(yīng)所需THF的質(zhì)量，g；MTHF、Mh、分別表示THF、THF水合物和水的摩爾質(zhì)量，g/mol；Rmw表示殘余含水率，即當(dāng)THF完全反應(yīng)后，剩余的孔隙水含量占水合物沉積物體系總質(zhì)量的百分比；Rms表示水合物—沉積物混合體系中沉積物所占的質(zhì)量百分比。

由于前人在描述含水合物沉積物體系力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律時(shí)往往采用飽和度概念，為了在低質(zhì)量豐度條件下將本文的結(jié)果與前人結(jié)果直接對(duì)比，假定水合物生成過程不破壞原始沉積物孔隙體積，則質(zhì)量豐度與飽和度間的轉(zhuǎn)化關(guān)系可表示如下：

式中Sh表示水合物飽和度；Vprime表示水合物合成之前根據(jù)沉積物相對(duì)密度、干密度、試樣體積計(jì)算的沉積物內(nèi)部孔隙總體積，本文中Vprime=54 mL；Vh表示水合物的體積，cm3；ρh表示純THF水合物的密度，取 896.565 5 kg/m3。

THF水合物在常壓下的相平衡溫度為4.4 ℃，THF水合物的水合指數(shù)為17，理想狀態(tài)下促使去離子水和THF完全反應(yīng)生成水合物所需的THF質(zhì)量濃度為19%。本實(shí)驗(yàn)為了保證THF完全反應(yīng)生成水合物，在配置THF溶液時(shí)水過量（濃度小于19%）。本實(shí)驗(yàn)控制的水合物質(zhì)量豐度及實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。表1中去離子水與THF總體積均大于54 mL，保證在裝樣條件下沉積物處于完全飽和狀態(tài)，孔隙中不存在殘余空氣。

表1 THF水合物黏土質(zhì)粉砂沉積物力學(xué)測(cè)試規(guī)劃表

首先按照表1所述的平均質(zhì)量豐度將經(jīng)過打散烘干的210 g沉積物試樣與特定質(zhì)量的THF溶液混合均勻，靜置；分4次將混合均勻的沉積物樣品加入反應(yīng)釜內(nèi)部膠桶，分層壓實(shí)。試樣安裝過程通過膠桶外包卡箍抱緊膠桶，保證沉積物試樣為標(biāo)準(zhǔn)的?39.1 mm圓柱形。將反應(yīng)釜連接好外部管路后置入步進(jìn)式恒溫箱，快速降溫至0.5 ℃，并保持24 h，使沉積物內(nèi)部的THF與水反應(yīng)生成水合物。表1中水合物平均質(zhì)量豐度與殘余含水率之和約為20.4%。

制樣結(jié)束后，打開孔壓進(jìn)氣管路和圍壓進(jìn)水管路，向圍壓腔注入蒸餾水，向沉積物內(nèi)部注入氮?dú)?，使孔壓和圍壓均勻升高，此過程中始終保證圍壓略大于孔壓。當(dāng)孔隙壓力達(dá)到4.5 MPa后，停止孔壓加載，繼續(xù)注入圍壓液，使圍壓值分別達(dá)到5.5 MPa、6.5 MPa 和 8.5 MPa（有效圍壓為 1 MPa、2 MPa 和4 MPa）。然后斷開孔壓供氣管路，啟動(dòng)三軸加載儀，設(shè)置剪切速率為0.9 mm/min開始剪切，剪切過程中利用圍壓跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整圍壓值，保證沉積物所受的有效圍壓值始終恒定，記錄軸向載荷、軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)控制沉積物中水合物完全合成后沉積物中的殘余含水率介于3.7%～16.3%，小于沉積物本身的塑限值（26.7%～29.2%）。為了與前人利用飽和度概念測(cè)得的部分沉積物應(yīng)力—應(yīng)變特征做橫向?qū)Ρ?，假定水合物在沉積物孔隙中生成且不發(fā)生沉積物顆粒替代，此時(shí)水合物平均質(zhì)量豐度可根據(jù)式（2）轉(zhuǎn)化為“飽和度”，表1中S1～S4對(duì)應(yīng)的水合物飽和度值分別為15%、30%、45%和60%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

對(duì)于砂質(zhì)沉積物而言，隨著水合物飽和度的增加，水合物在孔隙中的賦存形態(tài)從孔隙充填型、骨架支撐型向顆粒膠結(jié)型過渡[28,38]，膠結(jié)型含水合物沉積物通常呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)有效圍壓、沉積物類型的不同，目前砂質(zhì)水合物沉積物發(fā)生應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)化臨界飽和度值通常介于20%～40%[39]，且應(yīng)變硬化條件下沉積物應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈平滑雙曲線型過渡。然而，含THF水合物沉積物的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征，無明顯的峰值點(diǎn)（圖3），即表現(xiàn)出類似于低水合物飽和度砂質(zhì)沉積物的延性破壞特征。在相同的應(yīng)變條件下，隨著水合物平均質(zhì)量豐度的增加，水合物—沉積物體系的偏應(yīng)力增大。在小應(yīng)變范圍內(nèi)（＜1%），水合物—沉積物體系的偏應(yīng)力迅速增大；隨著應(yīng)變的持續(xù)增加，偏應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩；水合物—沉積物體系應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力快速上升及應(yīng)變強(qiáng)化兩個(gè)階段，存在明顯的拐點(diǎn)。

上述應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征與Yun等[40]基于含THF水合物松散高嶺土獲得的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系變形規(guī)律類似（圖3-a）。為便于描述，將這種存在明顯拐點(diǎn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線稱為雙線性變形，其中第一線性段對(duì)應(yīng)的軸向變形約為1%，第二線性段軸向變形介于1.5%～15.0%，軸向變形介于1.0%～1.5%，為兩個(gè)線性段的過渡期。雙線性應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征可能反映了沉積物內(nèi)部雙重介質(zhì)特征，以水合物在沉積物中呈透鏡體狀分布條件下的可能變形破壞特征為例（圖4）。其中圖4-a為實(shí)際泥質(zhì)粉砂沉積物中THF水合物脈狀賦存狀態(tài)的X-CT掃描結(jié)果[32]，圖4-b為無軸向加載條件下泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物透鏡體伸展?fàn)顟B(tài)。在三軸加載作用下，沿豎向定向排布的水合物透鏡體會(huì)向最小主應(yīng)力方向翻轉(zhuǎn)，水合物透鏡體發(fā)生方位重整，翻轉(zhuǎn)嵌入到沉積物中，同時(shí)沉積物被壓密（圖4-c），因此沉積物整體呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。然而，受當(dāng)前剪切軸向應(yīng)變極限通用做法的制約，在應(yīng)變硬化條件下目前通常認(rèn)為軸向應(yīng)變達(dá)到15%以后不再繼續(xù)觀察后續(xù)變化特征，因此15%的應(yīng)變量可能不足以排除進(jìn)一步壓縮狀態(tài)下水合物透鏡體及沉積物內(nèi)部可能的變形行為（圖4-d），這將在后文中作進(jìn)一步的討論。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)條件下南海水合物沉積物應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線圖

2.2 抗剪強(qiáng)度與切線模量

圖4 含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積變形破壞過程原理示意圖

圖5 含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積物抗剪強(qiáng)度與起始切線模量圖

如前所述，本實(shí)驗(yàn)中全部應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化破壞模式，因此直接取軸向應(yīng)變?yōu)?5%所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值作為抗剪強(qiáng)度[13,41]。圖5-a為含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積物抗剪強(qiáng)度的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，相同水合物豐度條件下，其峰值強(qiáng)度隨有效圍壓的增加而增大；相同有效圍壓下沉積物抗剪強(qiáng)度隨水合物豐度的增加而線性增大，與應(yīng)變硬化狀態(tài)下砂質(zhì)水合物沉積物抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律類似[39]。其中有效圍壓對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響可理解為：隨著有效圍壓增大，水合物透鏡體相對(duì)于沉積物發(fā)生滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)要克服更大的摩擦阻力，需要消耗更多的能量使試樣發(fā)生變形破壞，表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度增加。而水合物豐度則與沉積物中的透鏡體數(shù)量、透鏡體尺寸正相關(guān)。因此隨著豐度的增大，抗剪強(qiáng)度線性增大。

切線模量是應(yīng)力—應(yīng)變曲線上各點(diǎn)的斜率。泥質(zhì)粉砂沉積物—水合物混合體系的應(yīng)力—應(yīng)變曲線（圖3）存在明顯的拐點(diǎn)。當(dāng)軸向應(yīng)變小于1.0%時(shí)，沉積物體系的偏應(yīng)力基本呈線性增大；當(dāng)軸向應(yīng)變大于1.5%時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線斜率近似恒定。因此以軸向應(yīng)變?yōu)?.0%時(shí)的切線模量作為含水合物沉積物的起始模量，用起始模量作為第一線性段的剛度性能指標(biāo)（圖5-b），以軸向應(yīng)變?yōu)?.5%～15.0%范圍內(nèi)的平均切線模量作為衡量沉積物體系第二線性段剛度性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖6）。

圖6 含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積物在第二線性變形階段的切線模量圖

由圖5-b和圖6可知，含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積物在第一、第二線性段的切線模量均隨水合物豐度、有效圍壓的增大而升高。第一線性段的切線模量介于130～670 MPa，而第二線性段的平均切線模量則為2～21 MPa。這表明，對(duì)于泥質(zhì)粉砂水合物儲(chǔ)層而言，雖然發(fā)生儲(chǔ)層失穩(wěn)破壞后沒有完全失去承載能力[42]，但其剛度折損率高達(dá)97%，儲(chǔ)層發(fā)生破壞后基本上呈塑性流動(dòng)狀態(tài)。另外，由圖6可知，當(dāng)水合物—沉積物體系中水合物豐度與殘余含水率之和相等時(shí)，水合物豐度越大，第二階段平均切線模量的離散性越強(qiáng)，從側(cè)面反映出水合物在沉積物中的分布非均質(zhì)性，非均質(zhì)性越強(qiáng)，一定豐度條件下的切線模量離散性越強(qiáng)。

2.3 內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角

圖7所示為含泥質(zhì)粉砂沉積物—水合物混合體系的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的變化情況。沉積物的內(nèi)聚力隨著水合物豐度的增大而增加，與人工復(fù)配黏土、泥質(zhì)粉土、砂質(zhì)沉積物的內(nèi)聚力變化趨勢(shì)和量級(jí)一致。這說明裂隙分散型水合物沉積物與孔隙充填型水合物在低豐度條件下的內(nèi)聚力特征有一定的相似性。然而，含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積物的內(nèi)摩擦角介于8.4°～12.4°，平均值為10.4°，與砂質(zhì)沉積物（≈30°）[13]和復(fù)配粉質(zhì)黏土（≈3°）[41]存在較大差異。在本文涉及實(shí)驗(yàn)條件下當(dāng)沉積物內(nèi)部水合物質(zhì)量豐度達(dá)到16.7%時(shí)，存在內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)的反轉(zhuǎn)。Ghiassian等[43]在砂質(zhì)沉積物中當(dāng)水合物飽和度從50%上升到60%及以上時(shí)，也觀察到了類似的內(nèi)摩擦角變化趨勢(shì)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這一方面指示，當(dāng)水合物含量超過一定值后砂質(zhì)沉積物和泥質(zhì)沉積物表現(xiàn)出一定的相似性，另一方面可能指示當(dāng)水合物含量超過特定值后，水合物本身對(duì)沉積物體系的破壞過程控制作用明顯增強(qiáng)。

圖7 含THF水合物泥質(zhì)粉砂沉積物內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角圖

3 存在的問題及建議

從以上對(duì)低豐度條件（≤16.7%）下泥質(zhì)粉砂沉積物—水合物混合體系應(yīng)力—應(yīng)變曲線、抗剪強(qiáng)度、起始模量、內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角的分析來看，泥質(zhì)粉砂沉積物除了沒有表現(xiàn)出應(yīng)變軟化破壞模式，其力學(xué)參數(shù)與砂質(zhì)儲(chǔ)層變化趨勢(shì)基本一致。豐度越高，水合物合成過程中對(duì)泥質(zhì)粉砂沉積物顆粒的擠壓替代作用越明顯。如果按照水合物飽和度概念評(píng)估沉積物中的水合物含量，則當(dāng)本實(shí)驗(yàn)中泥質(zhì)粉砂沉積物孔隙水合物飽和度達(dá)到100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量豐度僅為27.8%，顯然不足以描述泥質(zhì)粉砂型地層中常見的塊狀、結(jié)核狀、脈狀、透鏡體狀或裂隙型水合物類型[11]，從而導(dǎo)致對(duì)泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)評(píng)價(jià)與現(xiàn)場(chǎng)需求的脫節(jié)。

為了驗(yàn)證極端情況下水合物儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)，假設(shè)水合物儲(chǔ)層由純水合物構(gòu)成（不含沉積物），用質(zhì)量濃度為19%的THF溶液在0.5℃條件下制備THF純水合物柱狀樣，在相同加載條件下進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，有效圍壓1 MPa條件下的純水合物應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8所示。純水合物樣品加載前呈規(guī)則柱狀，內(nèi)含明顯的沿特定方向延伸的原生裂紋（圖8中紅色虛線標(biāo)注），加載軸向應(yīng)變達(dá)到25%后將試樣取出，觀察到試樣完全被壓碎。純水合物表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，峰值強(qiáng)度為1.62 MPa，峰值模量為58 MPa。試樣在軸向應(yīng)變2%存在明顯拐點(diǎn)，可能是受原生裂紋的影響所致。

圖8 有效圍壓1 MPa條件下純THF水合物的力學(xué)特性圖

常規(guī)含水合物砂質(zhì)沉積物三軸力學(xué)剪切實(shí)驗(yàn)通常遵循如下原則：①若剪切過程中試樣呈應(yīng)變硬化，則當(dāng)試樣軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)停止剪切；②若試樣剪切過程中出現(xiàn)應(yīng)變軟化，則當(dāng)試樣應(yīng)力趨于穩(wěn)定時(shí)停止剪切。圖8所示的應(yīng)變軟化破壞曲線在軸向應(yīng)變8%左右達(dá)到穩(wěn)定。為了進(jìn)一步驗(yàn)證大變形條件下沉積物的變形特征，本文持續(xù)加載軸向應(yīng)變至25%，在軸向應(yīng)變15%附近觀察到應(yīng)力應(yīng)變曲線的第二峰值。這說明純水合物被剪切破壞后可能發(fā)生了二次壓實(shí)作用。然而，在目前常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)變硬化類曲線加載至軸向應(yīng)變15%以停止加載（圖3），但隨著進(jìn)一步的加載，當(dāng)沉積物內(nèi)部水合物透鏡體走向完全平行于最小主應(yīng)力方向后，隨著進(jìn)一步壓縮，不排除可能出現(xiàn)水合物本身被壓裂產(chǎn)生裂紋或沉積物整體被壓裂的可能性（圖4-d）。

因此，用水合物飽和度概念和軸向應(yīng)變15%為標(biāo)準(zhǔn)開展泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)不足以涵蓋全部泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物儲(chǔ)層類型，也可能無法反映多類型天然氣水合物儲(chǔ)層的完整破壞變形過程。筆者提出如圖9所示的泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)理論框架，采用豐度（質(zhì)量豐度或體積豐度）參數(shù)將全部泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層囊括進(jìn)來。在圖9所示的泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)框架中，含水合物沉積物以沉積物為連續(xù)相，水合物以不同的形態(tài)穿刺沉積物；而含沉積物水合物則以水合物為連續(xù)相，泥質(zhì)成分分散于水合物中，兩者在小應(yīng)變狀態(tài)下的應(yīng)力—應(yīng)變主控因素存在差異。特別是對(duì)含水合物沉積物體系而言，可認(rèn)為沉積物—水合物混合體系中的水合物相不存在液態(tài)水，水相僅存在于沉積物相中，在泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)過程中考慮沉積物相中的含水率，應(yīng)特別是注重液限、塑限值對(duì)泥質(zhì)粉砂沉積物流動(dòng)變形過程的影響。

圖9 泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)框架圖

4 結(jié)論

1）中國南海北部神狐海域W18/19礦體水合物頂部沉積物為泥質(zhì)粉砂型沉積物，沉積物中未見明顯的有孔蟲殼體顯示，粒度中值為7.57 μm，屬于分選性極差的不均勻沉積物。筆者通過一系列三軸剪切實(shí)驗(yàn)表明，在水合物質(zhì)量豐度較小情況下含水合物沉積物體系的抗剪強(qiáng)度、起始模量都隨水合物含量、有效圍壓的增大而增大；泥質(zhì)粉砂沉積物—水合物混合體系應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的雙線性特征，在低應(yīng)變條件下沉積物快速壓實(shí)，破壞后呈現(xiàn)出一定的流塑性特征。

2）泥質(zhì)粉砂沉積物中水合物呈現(xiàn)出塊狀、脈狀、結(jié)核狀、裂隙狀等基本賦存形態(tài)，與砂質(zhì)沉積物中的孔隙充填模式存在根本差異。含水合物泥質(zhì)粉砂沉積物在低豐度條件下發(fā)生雙線性變形特征的原因可能是水合物相本身在15%應(yīng)變范圍內(nèi)沒有發(fā)生破壞，而是朝最小主應(yīng)力方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，嵌入沉積物內(nèi)部。15%應(yīng)變范圍不足以反映進(jìn)一步應(yīng)變條件下水合物本身可能發(fā)生破碎或變形。純水合物試樣呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化破壞特征，脆性明顯，與低水合物豐度條件下的沉積物體系變形破壞特征截然不同。

3）在泥質(zhì)粉砂儲(chǔ)層中，水合物合成過程導(dǎo)致原生孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或失去孔隙，不能用水合物飽和度概念統(tǒng)一泥質(zhì)粉砂型水合物—沉積物體系力學(xué)性質(zhì)的評(píng)價(jià)。因此在泥質(zhì)粉砂水合物儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)的時(shí)候，建議依據(jù)水合物豐度將儲(chǔ)層劃分為純沉積物、含水合物沉積物、含沉積物水合物、純水合物等基本類型，并考慮泥質(zhì)粉砂沉積物中含水率對(duì)破壞過程的影響，以此來統(tǒng)一泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)體系。