海洋超固结天然气水合物沉积物的应力-应变与蠕变行为及其工程安全意义

针对超固结天然气水合物(NGH)储层开采中因压力释放导致的蠕变变形加剧问题，研究人员通过三轴剪切与蠕变实验，系统研究了不同超固结比(OCR)和水合物饱和度下沉积物的强度与蠕变特性。结果表明，OCR提升显著增强含水合物样品的破坏强度，而蠕变变形速率随OCR和水合物饱和度增加而降低。该研究为NGH安全开采提供了关键力学依据。

　　

在能源需求持续增长的背景下，天然气水合物(Natural Gas Hydrates, NGH)因其储量巨大（相当于全球常规油气资源的3.2%）被视为战略性能源。然而，全球多个海域钻探发现，NGH储层普遍处于超固结状态(Overconsolidated Hydrate-Bearing Sediments, OHBSs)——即历史上承受的压力远超当前自重应力。这种地质特性如同一把双刃剑：开采过程中压力释放可能引发储层蠕变加速，进而导致海底沉降、甲烷泄漏甚至地质灾害。更棘手的是，现有研究多关注常规水合物沉积物，对OHBSs这一特殊储层的力学行为认知几乎空白。

针对这一关键问题，燕山大学的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究，首次揭示了OHBSs的短期强度与长期蠕变规律。通过自主研发的高压低温三轴实验系统（轴向载荷50kN，精度0.1%），团队模拟海底环境开展了系列实验。样本采用南海黏质粉砂，通过控制围压、孔隙水压及甲烷水合物生成条件，精确调控OCR（1-8）和水合物饱和度（0-40%）。

应力-应变行为
• 无水合物样本在所有OCR下均表现应变硬化，而含水合物样本呈现显著应变软化
• OCR提升使含水电样本破坏强度增幅达20-35%，但对无水样本无影响
• 水合物饱和度>30%时，OCR对弹性模量的强化效应提升3倍

蠕变特性
• 相同破坏强度下，OCR从2增至8可使稳态蠕变速率降低40-60%
• 高水合物饱和度(40%)样本的加速蠕变阶段延迟约72小时
• 当破坏强度差异显著时，蠕变行为仅受蠕变应力比(当前应力/破坏应力)控制

这项研究构建了OHBSs力学行为的完整图谱：短期强度受OCR与水合物饱和度的协同调控，而长期蠕变则遵循"应力主导"与"结构强化"双机制。工程意义上，首次量化了OCR对储层稳定性的保护效应——当开采使OCR从6降至2时，蠕变风险需重点监控。成果为南海等超固结储层区的安全开采提供了理论基石，其揭示的"水合物-应力"耦合规律更可指导降压法、热激法等开采参数的优化设计。

值得注意的是，团队发现高OCR样本在蠕变后期出现异常声发射信号，暗示微观裂缝的定向扩展，这为后续地质灾害预警提供了新监测指标。正如讨论部分强调的，未来需结合原位监测数据验证实验室结论，并开发考虑OCR动态变化的流固耦合模型，以应对实际开采中多场耦合的复杂挑战。