天然气水合物分解引起海床沉积物孔压动态变化规律研究

Undersea gas hydrate is expected to become an important alternative energy in the future, because of its huge reserves. At the same time, the change of existing state will cause seabed instability and other geological disasters, and bringing great risks to the construction and operation of subsea engineering. Currently the research on the seabed sediment physical and mechanical state changes and seafloor instability failure mechanism caused by hydrate decomposition is not yet perfect. The topic choses sediment pore pressure as key indicators, research the response rule of sediment pore pressure caused by hydrate decomposition. First through indoor experiment, contracting the pros and cons of different hydrate deposits sample preparation method, and then carrying out the dynamic property test in the self-improvement triaxial test apparatus including hydrate sediments, and analyzing the relationship between the change of physical and mechanical properties and the law of pore pressure response. On this basis, to modify and optimize sediment pore pressure calculation model, then the revised model carries on the value simulation and the seabed pore pressure in situ monitoring and verification. Eventually to quantitative judge the hydrate sediment pore pressure threshold and seabed instability process. Project aims to reveal the dynamic change law characteristics of pore pressure caused by hydrate decomposition, and provide the necessary technical support for large-scale exploitation of marine gas hydrates in the future.

海底天然气水合物以其巨大的储量有望成为人类未来重要的替代能源，同时其赋存状态发生改变时会引起海底失稳等地质灾害发生，对海底工程建设和运营带来极大隐患，目前关于水合物分解引起海床沉积物物理力学状态变化及海底失稳破坏机制的研究尚不完善。本课题选择沉积物孔隙压力作为关键指标，研究水合物分解所引起的沉积物孔隙压力响应规律。首先通过室内试验，对比分析不同的水合物沉积物试样制备方法的优劣，进而在自行改进的含水合物沉积物三轴试验装置中开展动力学性质测试，分析其物理力学性质变化与孔压响应规律的关系。在此基础上，对沉积物孔隙压力计算模型进行修正与优化，然后对修正的模型进行数值模拟以及海床孔压原位监测验证，最终对水合物沉积物孔隙压力阈值与海床失稳过程进行定量判断。课题旨在揭示水合物分解所引起的孔隙压力动态变化规律特征，为今后海底天然气水合物大规模开采提供必要的技术支撑。

海底滑坡通常发生在较低的海底坡度上，这表明滑坡过程必然会涉及到高的超孔隙压力，可能是由于天然气水合物分解，地震，冰川载荷或低渗透沉积物的快速累积造成的。.针对该问题，本项目首先通过室内模型实验，分析了水合物分解引起地层破坏的基本模式、典型现象和破坏演化发展过程，着重分析了水合物分解过程中沉积物孔隙压力变化规律；然后重点围绕水合物分解引起的上覆斜坡的稳定性展开物系统研究，建立含水合物海床孔隙压力本构模型；在此基础上，认识水合物储层系统与其分解导致的上覆海床破坏之间的动态关系，研究含水合物海床失稳破坏现象并分析其产生机制，讨论不同地质条件对海床稳定性的影响效应，明确水合物沉积物孔隙压力阈值与海床失稳的界定关系。.（1）天然气水合物热分解引起地层破坏模拟实验.用四氢呋喃水合物代替甲烷水合物展开实验，设计了一套适用于观察、分析水合物沉积层破坏过程的水合物加热分解实验模型箱，观察分析水合物地层破坏和地层孔压对热源温度、上覆层渗透性、上覆层厚度及沉积层坡度的不同响应，总结实验过程中出现的破坏方式及典型现象。.（2）水合物热分解引起的孔压变化分析.水合物分解产生的气体使沉积物体积发生膨胀，所增加的体积与环境压力、温度、水合物含量等因素有关。根据沉积物中气体连通性的差异，分别计算气封闭沉积物和气联通沉积物中水合物分解引起的孔压变化。以上述计算模型为依据，考虑地层中一维加热引起水合物分解，建立水合物热分解过程引起沉积物最大孔隙压力的计算公式。.（3）海底沉积物孔隙压力观测探杆的设计研究.海底沉积物孔隙压力观测是海洋地质调查的常规项目，能够分析沉积物物理力学性质，而本课题组开展的室内模型试验更直接证明了超孔压比的数据可以为预测海底斜坡稳定性提供重要参考。本课题组结合国内外理论研究基础，主要基于光纤光栅传感技术，采用压差式测量，设计双向开放的孔隙压力观测探杆，以实现海底沉积物的孔隙压力高精度动态量测。