关于非成岩含水合物沉积物在原位静态条件下的力学性质研究

《Fuel》：Study on mechanical properties of non-diagenetic hydrates-bearing sediments under in-situ static conditions

水合物储层力学特性及剪切破坏机制研究，通过三轴试验分析非均质裂缝充填型储层在不同围压和水合物饱和度下的力学参数变化规律，提出粒子尺度机制解释剪切破坏过程，为南海盆地水合物开发提供理论支撑。

　　本研究聚焦于非成岩天然气水合物储层的机械性能与强度预测问题，通过三轴力学实验对非成岩水合物储层中的黏土质粉砂样本进行了系统分析。这些样本在原位静态条件下进行测试，以揭示其在不同有效围压和水合物饱和度下的力学特性变化规律。研究团队对非成岩水合物储层的异质性裂隙填充结构（THFHBS-Hetero）与均质性孔隙填充结构（THFHBS-Homo）进行了对比，发现当有效围压为2 MPa、水合物饱和度为40%时，THFHBS-Hetero的破坏强度比THFHBS-Homo高出31%。这一结果表明，非成岩水合物储层的异质性结构对其机械性能有显著影响。

水合物是一种特殊的物质，通常以冰状晶体的形式存在，其内部含有大量的天然气分子。由于其独特的物理和化学性质，水合物在地质学、能源工程和环境科学等多个领域都具有重要的研究价值。天然气水合物因其高能量密度和丰富的储量，被视为一种潜在的清洁能源。然而，水合物的开采面临诸多挑战，特别是在非成岩储层中，由于其埋藏较浅、胶结较弱且地质结构复杂，使得储层的稳定性控制成为一项技术难题。

在非成岩储层中，水合物主要分布在孔隙和裂隙中，形成了一种复杂的微观结构。这种结构对储层的宏观力学性能产生了深远的影响。研究发现，当水合物填充在裂隙中时，其对储层的增强作用比孔隙填充更为显著。这是因为裂隙结构在一定程度上提供了额外的承载路径，使得水合物能够更有效地与颗粒之间相互作用，从而提高储层的整体强度。然而，这种增强作用并不是绝对的，当裂隙填充水合物的饱和度较低时，储层的强度反而会有所下降。这表明，水合物在非成岩储层中的分布模式和填充程度是影响其机械性能的重要因素。

为了更深入地理解非成岩水合物储层的机械行为，研究人员采用了多种实验方法。其中，三轴力学测试是一种常用的手段，可以模拟地层中的应力状态，从而评估储层在不同条件下的力学响应。通过改变有效围压和水合物饱和度，研究团队发现，随着有效围压的增加，储层的破坏强度和弹性模量都会显著提升。然而，当有效围压较低时，储层的变形特性则表现出更多的非线性特征，例如体积应变和剪切膨胀的变化。这些发现为理解非成岩水合物储层在不同地质条件下的行为提供了重要的理论依据。

此外，研究还关注了水合物饱和度对储层机械性能的影响。实验结果显示，当水合物饱和度较高时，储层的破坏强度和剪切膨胀均有所增加，但其弹性模量则呈现下降趋势。这一现象可能与水合物在颗粒间的分布方式有关，当水合物填充在孔隙中时，其对颗粒的胶结作用更为均匀，从而提高了储层的整体强度。然而，当水合物填充在裂隙中时，由于裂隙的不连续性，其对储层的增强作用可能受到局部应力分布的影响，导致储层在整体上表现出较低的弹性模量。

研究团队还对非成岩水合物储层的颗粒尺度机制进行了探讨。他们发现，水合物的破坏主要表现为“水合物-沉积物”胶结颗粒的分离、滑动和旋转。这一过程受到多种因素的影响，包括有效围压、水合物饱和度以及裂隙填充层数。例如，在较高的有效围压下，颗粒之间的胶结作用增强，从而提高了储层的整体强度。而在较低的水合物饱和度下，颗粒之间的胶结作用减弱，导致储层更容易发生破坏。这些发现不仅有助于理解非成岩水合物储层的破坏机制，也为储层稳定性控制提供了重要的理论支持。

为了验证实验结果的可靠性，研究团队还对实验室制备的样品进行了对比分析。他们将实验数据与文献中的相关数据以及南海神狐海域的重塑岩芯进行了比较，发现实验室样品的机械性能与实际地质条件下的样品具有较高的相似性。这表明，实验室制备的样品能够较为准确地模拟非成岩水合物储层的物理和力学特性，为后续的储层研究和工程应用提供了可靠的依据。

研究还特别关注了南海神狐海域的水合物储层特性。该地区的水合物储层主要由黏土质粉砂组成，具有较高的异质性和复杂的裂隙结构。通过对该区域水合物储层的分析，研究团队发现，水合物的分布模式和填充方式对储层的稳定性有着重要影响。例如，当水合物填充在裂隙中时，其对储层的增强作用更为显著，但同时也可能引发局部的剪切膨胀和体积变化，进而影响储层的整体稳定性。因此，在进行水合物开采时，需要综合考虑这些因素，以确保储层的稳定性和安全性。

此外，研究团队还探讨了水合物储层在不同应力状态下的行为。他们发现，当储层处于较高的有效围压下时，其剪切强度和体积变化均表现出较为稳定的特点。而在较低的有效围压下，储层的剪切强度和体积变化则更加敏感，容易受到外部应力的影响。这一现象表明，有效围压是影响非成岩水合物储层机械性能的重要参数之一，需要在实际工程中进行精确控制。

在实验过程中，研究团队还采用了多种技术手段，包括扫描电镜、X射线衍射和岩芯分析等，以更全面地了解水合物储层的微观结构和物理特性。这些技术手段不仅能够提供储层的宏观力学数据，还能够揭示水合物在颗粒间的分布方式和胶结作用机制。例如，扫描电镜分析显示，水合物在颗粒间的分布呈现出不均匀的特点，这可能与储层的地质历史和沉积环境有关。X射线衍射分析则表明，水合物的晶体结构对储层的物理特性有着重要影响，特别是在应力作用下，水合物的晶体结构可能会发生变化，从而影响储层的强度和变形行为。

为了进一步提高水合物储层的机械性能预测能力，研究团队还对关键参数与机械性能之间的关系进行了系统分析。他们发现，水合物饱和度、有效围压和裂隙填充层数等因素之间存在复杂的相互作用，这些相互作用可能会导致储层的机械性能出现非线性变化。例如，当水合物饱和度增加时，储层的破坏强度和剪切膨胀均会有所提升，但其弹性模量则可能下降。这种现象表明，水合物的分布和填充方式对储层的机械性能有着重要的影响，需要在实际工程中进行综合考虑。

研究团队还对南海神狐海域和南海琼东南盆地的水合物储层进行了对比分析。他们发现，尽管这两个地区的水合物储层在地质条件上存在一定的相似性，但其具体的机械性能却有所不同。这可能与两个地区沉积物的粒径分布、矿物成分以及水合物的填充方式有关。例如，南海神狐海域的水合物储层主要由细粒沉积物组成，而南海琼东南盆地的水合物储层则可能包含更多的粗粒沉积物。这种粒径分布的差异可能会导致两个地区的水合物储层在机械性能上表现出不同的特点。

在实际应用中，水合物储层的稳定性控制是天然气水合物开采的关键环节之一。研究团队认为，通过对非成岩水合物储层的机械性能进行深入研究，可以为后续的井筒稳定性控制和储层开发提供重要的理论支持。例如，在进行水合物开采时，需要根据储层的具体条件调整有效围压和水合物饱和度，以确保储层在开采过程中的稳定性。此外，还需要对储层的裂隙结构和水合物分布方式进行综合分析，以优化开采方案并降低工程风险。

综上所述，本研究通过对非成岩水合物储层的三轴力学测试，揭示了其在不同有效围压和水合物饱和度下的机械性能变化规律。研究发现，非成岩水合物储层的异质性结构对其机械性能有显著影响，特别是在裂隙填充水合物的情况下，储层的破坏强度和弹性模量均有所提升。此外，水合物的分布方式和填充程度对储层的稳定性控制具有重要影响，需要在实际工程中进行综合考虑。这些研究成果不仅为理解非成岩水合物储层的机械行为提供了重要的理论依据，也为天然气水合物的开发和利用提供了新的思路和技术支持。