高压环境下甲烷水合物砂层微生物诱导碳酸钙沉淀的性能优化与工程应用研究

为解决深海甲烷水合物勘探中砂层渗透性高、强度低导致的砂粒产出问题，研究人员开展了高压对Sporosarcina newyorkensis微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)的影响研究。通过大规模砂柱实验，发现该微生物在20 MPa高压下可有效沉淀CaCO3，降低砂层渗透性两个数量级，并提升无侧限抗压强度(UCS)，为深海资源开发提供了创新的生物加固技术。

　　

在深海能源勘探领域，甲烷水合物被誉为“未来燃料”，其储量丰富但开采面临巨大挑战。甲烷水合物砂层在高压环境下易发生砂粒产出问题，导致井壁失稳和开采效率低下。传统化学固砂方法成本高且环境风险大，而微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbiologically Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP）技术通过微生物活动沉淀碳酸钙（CaCO₃），为砂层加固提供了绿色解决方案。然而，深海高压环境（可达20 MPa以上）对MICP性能的影响尚不明确，尤其缺乏针对耐压微生物的系统研究。这限制了MICP技术在深海工程中的应用，亟需探索高压下微生物的矿化机制与工程效能。

为突破这一瓶颈，研究人员聚焦于一种特殊的深海微生物——Sporosarcina newyorkensis。该微生物分离自日本南海海槽的甲烷水合物沉积层，能在低温高压环境中高效存活并催化尿素水解，诱导CaCO₃沉淀。通过实验模拟深海条件，研究发现S. newyorkensis在20 MPa高压下不仅维持高活性，还能显著降低砂层渗透性并提升强度，为解决深海砂粒产出问题提供了新途径。相关成果发表在土壤与耕作研究领域权威期刊《Soil and Tillage Research》上，为深海资源开发奠定了生物技术基础。

研究采用了几项关键技术方法：首先，利用小规模高压渗透性测试装置（模拟3.5 MPa和20 MPa覆岩压力），结合液压传导率公式（k=2.303aL/[A(t₂-t₁)]log₁₀(h₁/h₂)）测量渗透性变化；其次，通过大型砂柱实验（直径60 cm、高度70 cm），以Tohoku silica sand No. 8（东北硅砂8号）模拟甲烷水合物砂层，采用注射法注入微生物-胶结混合液；最后，结合酸消化法量化CaCO₃沉淀量，并使用张力计与Yamanaka硬度计转换公式（UCS=98.0655×100y/[0.7952(40-y)²]）测定无侧限抗压强度（UCS）。样本来源于日本南海海槽压力岩心提取的S. newyorkensis，确保了生态相关性。

3.1. Effects of high pressure on MICP performance
3.1.1. Hydraulic conductivity
通过比较S. newyorkensis（SN20）与S. pasteurii（SP20）在20 MPa高压下的渗透性，发现SN20仅需