从微观力学角度分析含水合物沉积物的剪切行为：基于离散元方法（DEM）的模拟研究

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Analysis of shearing behavior in hydrate-bearing sediments from a micromechanical perspective: A DEM simulation study

水合物饱和度和围压显著影响含气水合物沉积物的力学行为，通过PFC3D-FLAC3D耦合模型揭示微观胶结破坏、配位数提升（达40%）、孔隙率降低与各向异性增强的宏观力学强化机制，抑制应变软化。研究为海底水合物开发中的工程设计与灾害防控提供理论支撑。

　　

张家伟|张永超|刘乐乐|王磊|李彦龙|季云凯|邹波|刘长岭

中国地质科学院，北京100037

摘要

含水合物沉积物（HBS）的力学稳定性对于安全开采天然气水合物和预防地质灾害至关重要。尽管现有研究主要集中在HBS的宏观响应上，但其微观力学机制仍不够明确。本研究开发了一个PFC3D–FLAC3D耦合数值框架，用于模拟HBS的三轴剪切行为，并引入了柔性边界以更真实地再现实验条件。通过系统改变水合物饱和度和围压，我们分析了宏观强度和变形特性与微观因素（包括胶结键断裂、配位数、孔隙度和结构各向异性）之间的关系。结果表明，提高水合物饱和度显著增强了凝聚力，而高围压通过促进剪切主导的键断裂抑制了应变软化。将围压从1.0 MPa增加到3.0 MPa时，颗粒结构变得更加紧密，在高水合物饱和度下配位数提高了多达40%，同时显著降低了孔隙度。此外，水合物胶结作用加剧了力学各向异性，影响了局部变形模式。本研究为HBS的力学强度和不稳定性提供了新的微观机制见解，为水合物资源开发的工程设计和风险缓解提供了科学依据。

引言

天然气水合物（NGH）是一种由水和天然气（主要是甲烷）组成的冰状结晶化合物，在海底沉积物和永久冻土中高压低温条件下形成³²。由于其高能量密度和巨大的储量，NGH被视为一种有前景的替代能源^{40, 5, 57}。目前的开采技术主要采用减压和热注入方法，通过改变水合物的相平衡将其分解为气体和液体以便后续回收⁵⁶。尽管中国2017年和2020年在南海神湖地区进行的开采试验证明了海底水合物开采的可行性，但这些现场测试也表明，地质力学不稳定性和沙子产生仍然是阻碍长期高效气体回收的关键挑战^{21, 38, 41}。此外，水合物的分解会改变含水合物沉积物（HBS）的结构，从而可能引发井筒不稳定、海底沉降和海底滑坡等风险^{11, 22, 42}。因此，深入研究HBS的地质力学特性对于确保水合物储量的安全高效开发以及预防潜在的环境灾难至关重要^{20, 23, 53, 9}。

随着实验观测和计算模拟技术的进步，对HBS力学特性的研究显著加深。最初，实验研究主要集中在宏观尺度。通过模拟水合物储层的原位条件，进行了考虑多种因素的物理实验来研究HBS的力学特性^{19, 24, 26, 52}。主要使用的方法是三轴剪切实验。这些研究表明，水合物饱和度、围压和温度会影响HBS的力学特性，其中水合物饱和度的影响尤为显著。Ghiassian和Grozic¹⁰采用改进的三轴装置准确测量了水合物饱和度，发现HBS的割线模量和偏应力随水合物饱和度的增加而增加。Yan等人⁴³观察到HBS的割线模量随围压的增加而增加。Hyodo等人的实验¹³进一步证实，围压的增加和温度的降低增强了HBS的强度。这些实验研究为HBS在相变过程中的宏观力学特性演变提供了总体理解。随着研究的进展，学者们越来越关注中观尺度研究。Sell等人³⁰利用X射线微断层扫描技术研究了中观尺度波浪诱导的流体流动对HBS力学行为的影响。同时，Wang和Zhou³⁶提出了一个多尺度损伤模型，描述了HBS在微观、中观和宏观尺度上的损伤演变。这些多尺度研究共同提供了对HBS力学行为的更全面理解。

数值模拟相比物理实验具有多个优势，包括微观可视化和定量分析的能力^{35, 4, 51}。离散元方法（DEM）作为一种广泛使用的数值模拟方法，已被用于分析HBS的力学行为^{12, 17, 48}。Brugada等人³开发了一个HBS的三维DEM模型，研究了水合物对沉积物基质内应力演变的影响。结果表明，HBS的力学增强主要归因于孔隙中水合物的摩擦特性。然而，该研究没有考虑其他水合物形态的影响。You等人⁴⁵对含有三种不同水合物形态的HBS进行了三轴剪切模拟，发现样品应力的变化与内部力链网络的发展相关。You等人⁴⁶研究了颗粒大小对HBS力学特性和变形行为的影响，发现由较小颗粒组成的样品表现出比大颗粒样品更高的强度。Jiang等人¹⁸利用DEM研究了水合物分布模式对HBS在宏观和中观尺度上的力学行为的影响，结果表明水合物层厚的增加增强了HBS的应变软化行为，同时提高了其峰值强度和割线模量。

基于对以往研究的回顾，HBS实验测试的主要挑战在于实现样品均匀性和提高测量方法的准确性。不同研究人员报告的力学结果存在显著差异，这限制了它们的可比性，并阻碍了对潜在机制的严格定量分析²⁸。此外，传统的三轴剪切实验通常无法捕捉HBS内的孔隙尺度信息，从而限制了我们对其力学机制的理解。虽然DEM模拟提供了克服这些实验局限性的有效工具，但以往的DEM研究主要集中在HBS的宏观力学参数（如强度和变形行为）上，分析了水合物饱和度和外部载荷条件的影响。变形过程中微观因素的定量演变及其对宏观行为的影响尚未得到充分探索。

本研究采用PFC3D-FLAC3D耦合方法构建了三维HBS模型。FLAC3D提供了柔性边界，通过模拟真实的实验条件克服了传统离散元的局限性。三轴剪切模拟研究了围压和水合物饱和度对HBS宏观力学特性的影响。微观力学参数的分析揭示了宏观行为背后的机制。这些发现为水合物开采和地质灾害预防提供了宝贵的见解。

部分摘录

数值模型建立

在物理三轴剪切实验中，通常用橡胶膜将圆柱形样品密封以维持围压，同时通过刚性加载板对其顶部和底部表面施加轴向载荷。在传统的DEM模拟中，刚性边界被建模为无摩擦壁，无法再现橡胶膜的弹性变形。这种方法人为限制了样品的侧向变形，无法有效捕捉非均匀性

微观力学响应和变形行为

在不同的饱和度和围压条件下对HBS样品进行了三轴剪切测试。图4展示了偏应力-应变和体积应变关系。不含水合物的样品（图4a、4b和4c中的S? = 0%）表现出明显的应变硬化行为，即在较高围压下强度和刚度都会增加。然而，随着水合物饱和度的增加，这种应变硬化响应减弱了。

工程建议

本研究深入探讨了HBS的力学特性，特别关注水合物饱和度和围压对其力学行为的影响。随着海底水合物开采的进展，了解HBS的力学特性变得至关重要。沉积物中的水合物不仅影响其强度和刚度，还与潜在的工程地质灾害密切相关

结论

本研究采用PFC3D-FLAC3D耦合方法模拟了HBS的三轴剪切行为，重点研究了不同水合物饱和度和围压下强度和变形的微观力学起源。主要结论如下：

• (1).
  HBS的力学强度显著受到水合物饱和度和围压的影响。当饱和度从0%增加到70%时，凝聚力从122 kPa增加到484 kPa，而内摩擦角

作者贡献声明

张永超：撰写——审稿与编辑、资源管理、方法论、数据管理。张家伟：撰写——初稿、可视化、软件应用、方法论、数据管理、概念化。王磊：资源管理、正式分析。刘乐乐：验证、监督、软件应用。季云凯：监督、资源管理、调查。李彦龙：撰写——初稿、资源管理、方法论。刘长岭：撰写——初稿、验证、方法论、调查，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（U2444215）、中国自然科学基金（42576245）、山东省自然科学基金（编号ZR2022YQ54）和泰山学者计划的支持。