含水合物細粒土的強度和變形特性

劉 莉, 馬慧龍, 蔣 平, 陳孔磊， 顏榮濤

(1.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室， 桂林 541004； 2.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院， 青島 266100； 3.廣西北投興東置業(yè)有限公司， 南寧 530029)

天然氣水合物(俗稱可燃冰)是由氣體(主要為甲烷)和水在高壓低溫條件下形成的類冰狀非化學(xué)計量的籠型化合物[1]，廣泛分布在海洋陸地邊緣和寒區(qū)凍土深處的孔隙中[2]。在中國，甲烷水合物主要存在于南海、東海和青藏高原等地域，中國正處在快速發(fā)展的階段，對能源需求量的日益增大，由于甲烷水合物儲量大、潔凈、能源密度高、埋藏淺等特點吸引了國家的高度重視，并取得了一系列的重要進展。中國于2007年、2008年、2013年分別在南海神狐海域、祁連山凍土區(qū)、珠江口盆地等地區(qū)成功獲取了天然氣水合物實物巖心試樣[3-5]。特別是2017年和2020年，中國地質(zhì)調(diào)查局在南海神狐海域的兩次成功試采[6-7]，標(biāo)志著中國在該領(lǐng)域走在了世界前列。

天然氣水合物是一把雙刃劍，在給人類帶來機遇的同時，也讓人類面臨著重要的挑戰(zhàn)。水合物在開采過程中產(chǎn)生氣體和水，孔壓急劇上升，同時水合物的分解弱化了土顆粒間的膠結(jié)作用，引起儲層的強度降低，可能會引發(fā)海底沉降，海底滑坡等災(zāi)害，造成鉆井平臺失穩(wěn)、海底管道損壞、井壁崩塌等事故，以及未及時捕獲甲烷，甲烷逃逸到海水和大氣中，造成海水中大量生物的死亡和溫室效應(yīng)等后果[8]。因此，深度刻畫含水合物沉積物的強度和變形特性是保證天然氣水合物安全高效開采的重要前提。

Winters等[9]對含水合物原狀砂樣和重塑的含水合物渥太華砂樣進行三軸試驗，證實了含水合物砂樣剪切強度增加的程度與孔隙中水合物的含量和分布狀態(tài)有關(guān)。Hyodo等[10-11]通過低溫高壓三軸儀器對重塑的含甲烷水合物砂樣進行測試，顯示了含水合物砂樣的強度受到水合物飽和度，剪切速率，反壓等因素的影響。Choi等[12]對含非膠結(jié)型水合物沉積物進行多級加荷和單級加荷三軸試驗，結(jié)果表明兩種試驗方法的峰值強度和剪脹特性吻合較好，但剛度相差很大。為了探究水合物賦存的多孔介質(zhì)對強度產(chǎn)生的影響，Yun等[13]合成了含四氫呋喃(THF)水合物砂、粉土、黏土試樣，并對其進行三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)含水合物沉積物的強度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與沉積物的粒徑密切相關(guān)。王哲等[14]合成了含水合物不同粒徑的石英砂樣，通過三軸試驗發(fā)現(xiàn)破壞強度隨著石英砂平均粒徑的增大而變大。吳起等[15]以砂為載體，形成了含甲烷水合物試樣，為了保持水合物飽和度和分布不變，對一個試樣進行三級加載三軸剪切，研究了兩種降壓方式下含水合物試樣的強度和變形，結(jié)果顯示在不同的降壓時期水合物的含量和有效圍壓對強度和變形的影響程度不同。吳楊等[16]合成了3種含不同細粒含量的甲烷水合物試樣，發(fā)現(xiàn)破壞強度和剪脹性均隨著細粒含量的增加而顯著提高。Priest 等[17]對來自印度近海的試樣進行三軸剪切，發(fā)現(xiàn)含水合物粗粒土的不排水剪切強度高于無水合物的細粒土剪切強度。考慮到形成二氧化碳水合物所需的溫壓條件較為容易，同時二氧化碳可以置換天然氣水合物中的甲烷等原因，一些學(xué)者也對二氧化碳水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)進行研究，顏榮濤等[18]研究了不同的水合物形成方法對含二氧化碳水合物砂樣強度的影響。為了比較二氧化碳水合物和甲烷水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的差異，Miyazaki等[19-20]合成了含甲烷水合物砂樣和含二氧化碳水合物砂樣并進行三軸壓縮測試，從微觀的角度解釋了在高飽和度情況下含甲烷水合物砂樣的剪切強度和切線模量大于含二氧化碳水合物沉積物的原因。

從上述可以看出，對含水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)的研究目前主要還是針對砂土骨架，對于含水合物細粒土的研究很少[21]，而中國南海神狐海域水合物賦存區(qū)的沉積物是以泥質(zhì)粉細砂為主[22]，其沉積物含有大量的細顆粒土。針對南海神狐海域水合物賦存區(qū)的沉積物，石要紅等[23]、魯曉兵等[24]利用三軸壓縮試驗對含THF水合物細粒土沉積物的力學(xué)特性進行了研究。但這些研究并不系統(tǒng)，若要清楚深入揭示水合物形成對細粒土沉積物的變形和強度影響規(guī)律及機理仍需要大量的試驗數(shù)據(jù)。泥質(zhì)粉細砂為骨架的含水合物土強度和變形性質(zhì)的試驗數(shù)據(jù)仍然缺乏。在此背景下，現(xiàn)依據(jù)南海神狐海域水合物賦存區(qū)的沉積物顆粒級配，配置細粒土沉積物，并且用THF水合物替代甲烷水合物制備含水合物細粒土沉積物，通過溫控三軸儀器對其進行剪切測試，分析含水合物細粒土沉積物變形和強度特性，進一步揭示水合物形成對沉積物強度和變形特性的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

考慮到獲取含天然氣水合物原狀巖樣和進行原位試驗技術(shù)的局限，目前進行力學(xué)性質(zhì)試驗的主要手段是在實驗室內(nèi)合成含甲烷水合物試樣。但是由于甲烷在水中的溶解很低，合成甲烷水合物條件苛刻，需要特殊的高壓低溫設(shè)備，并且很難獲得均勻試樣，可重復(fù)性低。試驗采用THF水合物代替甲烷水合物，這是因為THF水合物與甲烷水合物在一些物理性質(zhì)上(熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、重度等)比較相似，盡管含THF水合物沉積物和含甲烷水合物沉積物的力學(xué)特性并不一樣，但是通過含THF水合物沉積物的力學(xué)特性來分析含甲烷水合物沉積物的力學(xué)特性仍然存在科研價值[25]。一些學(xué)者均采用過THF水合物代替甲烷水合物來研究含水合物沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)[13,23-24]，此外，THF和水可互溶，在常壓和4.4 ℃以下即可形成水合物，易形成水合物均勻分布的試樣。因此，本試驗選用THF代替甲烷，來研究含水合物沉積物的力學(xué)性質(zhì)。參照2007年水合物鉆探GMGS-1航次在中國南海神狐海域鉆井SH2[22]、SH3[26]、SH7[22]獲取的原狀含水合物巖樣，配置了本次試驗所需的細粒土沉積物，比重為2.69，其顆粒級配曲線如圖1所示。試驗所采用THF由西隴科學(xué)股份有限公司生產(chǎn)，純度>99%。

圖1 沉積物骨架的顆粒級配曲線

1.2 試驗裝置

所有試樣的強度測試均在溫控三軸裝置中進行，圖2為試驗裝置實物圖。該裝置主要由雙腔室，溫度控制系統(tǒng)，壓力加載系統(tǒng)，軸向加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。三軸裝置的最大軸向載荷為 9 kN；外腔室通過從恒溫水浴中流動的制冷液體(乙二醇和蒸餾水混合液)精確控制試驗所需的溫度環(huán)境，可提供的溫度范圍為-20～80 ℃，精度為0.1 ℃。圍壓泵可提供的最大壓力為3 MPa，精度為1 kPa。溫度傳感器(Pt 100型，精度為0.1 ℃)位于試樣的底部，用于測量試樣的溫度。計算機采集并記錄圍壓、圍壓體積、溫度、軸向位移和軸向載荷等數(shù)據(jù)。所有的管道均用保溫材料包裹，以優(yōu)化試驗所需的工作環(huán)境。

圖2 三軸試驗裝置實物圖

1.3 制樣制備及剪切過程

1.3.1 樣品的制備

根據(jù)文獻[27]，當(dāng)THF和水的質(zhì)量比為19∶81時，二者可完全轉(zhuǎn)化為THF水合物。本研究中考慮到制樣過程中THF可能揮發(fā)，故設(shè)定THF和水的質(zhì)量比為20∶80，根據(jù)相平衡條件[14],在一個大氣壓和4.4 ℃以下即可形成水合物。參照文獻[24]中的預(yù)凍結(jié)法制備含THF水合物試樣。具體過程如下：①將一定量(根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)水合物飽和度)上述配置比例的THF溶液與制備好的細粒土在自封塑料袋中均勻混合，并靜置24 h；②在自制的壓樣器中按照干密度分四層壓實，層與層之間刨毛；③將壓實的試樣連同制樣器(使用保鮮膜完全密封)放入到-10 ℃的冰柜48 h(誘導(dǎo)水合物成核)，然后將取出的樣品放入1 ℃的冰柜中72 h(形成水合物)，即認(rèn)為含THF水合物沉積物樣品形成結(jié)束[23]，形成的樣品為非飽和狀態(tài)，即樣品孔隙中只有水合物和氣體。所有試樣的直徑均為39.1 mm，高度80 mm，干密度為1.6 g/cm3。

1.3.2 樣品中水合物飽和度的精確控制方法

以25%水合物飽和度的試樣為例，水合物飽和度(Sh)的定義為樣品孔隙中水合物的體積與孔隙總孔隙體積的比值。四氫呋喃(THF)水合物的分子式是C4H8O·17H2O。如上所述，設(shè)定THF和水的質(zhì)量比為20∶80。因此，水合物飽和度為25%的樣品所需的水和THF所需的質(zhì)量分別為

(1)

(2)

式中：ρh為THF水合物的密度，取0.967 g/cm3；Sh為水合物飽和度，取25%；V為試樣的體積，取 96 cm3；ρd為試樣的干密度，這里為1.6 g/cm3；Gs為土顆粒的比重，取2.69；ρw為水的密度。

因此，一個試樣(Sh=25%)所需干土153.6 g，所需THF的質(zhì)量為1.90 g，所需的去離子水質(zhì)量為7.61 g。一次制備500 g干土樣，則所需THF質(zhì)量為6.19 g，所需的去離子水質(zhì)量為24.77 g。為了精確控制THF溶液的質(zhì)量，將THF和水的質(zhì)量和的二倍(即61.92 g)在燒杯中均勻混合，從燒杯中提取30.96 g混合好的THF溶液和500 g土樣在密封塑料袋中均勻混合。實驗室有冷庫，制備試樣的所有過程均在冷庫中進行，冷庫的低溫環(huán)境可以減少THF的揮發(fā)。

1.3.3 樣品的剪切

將制備好的試樣置于三軸室內(nèi)，然后施加預(yù)先設(shè)定的圍壓，進行排水剪切，剪切速率0.1 mm/min，試驗剪切至軸向應(yīng)變20%試驗結(jié)束。在整個剪切過程中，通過水浴循環(huán)控制試樣的溫度在1 ℃以保證THF水合物不分解。為了探究水合物含量和圍壓對細粒土沉積物力學(xué)性質(zhì)的影響，本次試驗設(shè)定的圍壓為0.5、1、2 MPa，試樣控制的水合物飽和度分別為0%、25%、45%、60%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)力應(yīng)變曲線反映了一種材料在變形過程中的力學(xué)特征。圖3(a)～圖3(c)給出了0.5、1、2 MPa 圍壓下不同水合物飽和度的含水合物細粒土樣品的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其中體應(yīng)變正號表示壓縮。

圖3 不同圍壓下含水合物細粒土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

從圖3中來看，在0.5 MPa圍壓時，含水合物試樣均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，特別是水合物飽和度為45%和60%時應(yīng)變軟化更加明顯，即隨著飽和度的增加，試樣由弱軟化特征逐漸向強軟化特征變化；而在1 MPa和2 MPa圍壓下，所有試樣均沒有明顯的應(yīng)變軟化特征，呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性。在水合物飽和度相同時，如Sh=45%，隨著圍壓的增加，含水合物試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線從應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變。這一現(xiàn)象與前人試驗結(jié)果[11]一致，即圍壓越低、水合物飽和度越高，試樣表現(xiàn)出的應(yīng)變軟化特征越為明顯。

圖3顯示了含水合物試樣在剪切作用下體積應(yīng)變的演化(圍壓為0.5、1、2 MPa)。圖3中顯示出所有含水合物試樣均表現(xiàn)出剪縮。然而，隨著水合物飽和度的增加，這種剪縮效應(yīng)逐漸減弱。這主要是由于水合物形成膠結(jié)土顆粒，使土體結(jié)構(gòu)性越強，具備了更好抵抗體積變形的能力。另外，對于相同的水合物飽和度，剪縮效應(yīng)隨著圍壓的增大而增大，這是因為較大的圍壓使膠結(jié)土顆粒的水合物出現(xiàn)剝離和破碎，顆粒間發(fā)生重新排列致使粒間接觸更加致密，相應(yīng)的體積壓縮量也就越大。

對于含水合物砂土沉積物，剪切過程一般會使試樣表現(xiàn)出剪脹，而含水合物細粒土沉積物均表現(xiàn)出剪縮現(xiàn)象，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的根本原因如下：對于粗粒土，當(dāng)施加到一定的剪應(yīng)力時，砂土顆粒和水合物會出現(xiàn)剝離和解膠結(jié)，但是顆粒較大很難進入到孔隙中，剪應(yīng)力的作用促使水合物出現(xiàn)破碎，旋轉(zhuǎn)和越過土顆粒等行為，這些行為會使試樣出現(xiàn)剪脹。而對于細顆粒土，在剪切作用下，土顆粒和水合物旋轉(zhuǎn)和重新排列，細小的顆粒可以進入到孔隙中，使土樣致密化，試樣體積減小。

2.2 強度

強度反映了土樣抵抗破壞的能力，對強度進行分析可知：當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線存在應(yīng)變軟化時，取偏應(yīng)力峰值作為強度，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線屬于硬化型時，取15%軸向應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力作為強度。

圖4顯示了含水合物試樣的破壞強度隨飽和度和圍壓的變化關(guān)系。從圖4中可看出，飽和度相同時剪切強度隨著圍壓的增加而增加。這是由于圍壓的增加促使了顆粒與水合物的相互作用，增大了接觸面積和摩擦阻力，抑制了裂縫的增加，阻止了顆粒間的滑移或重新排列，使得土樣可以更強地抵抗由軸向荷載引起的破壞。

從圖4中還可看出，隨著水合物含量的增大，試樣表現(xiàn)出強度增大的趨勢，表明了在沉積物中的固體賦存物質(zhì)會提高土體的強度，這是由于水合物的形成對土體存在膠結(jié)或填充效應(yīng)，增大了土體的抗剪能力，進而導(dǎo)致土體強度的增加。

圖4 含水合物細粒土的破壞強度隨飽和度的變化關(guān)系

2.3 剛度

含水合物土為非彈性材料，獲取初始模量E0較為困難。本次試驗使用割線模量E50描述試樣的剛度。E50的定義為應(yīng)力應(yīng)變曲線中破壞強度值一半的點與原點連線的斜率。圖5給出了不同圍壓下含水合物細粒土試樣的E50隨飽和度變化關(guān)系圖。對于含水合物試樣來說，圍壓越大，E50就越大，是因為較大的圍壓使得試樣更加致密，在荷載作用下具有更大抵抗變形的能力；隨著水合物含量的增加，水合物在試樣孔隙中的膠結(jié)和填充程度也在增加，造成了較高飽和度的含水合物試樣模量大。

圖5 E50隨飽和度的變化關(guān)系圖

2.4 強度參數(shù)

基于莫爾-庫倫強度準(zhǔn)則，分析了含水合物沉積物的強度指標(biāo)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)隨飽和度的變化關(guān)系。圖6給出了黏聚力隨飽和度的變化趨勢。整體來看，含水合物沉積物的黏聚力隨水合物飽和度的增加明顯提升，這主要是由于水合物的形成對土顆粒間膠結(jié)作用提升了黏聚力。圖7中給出了魏厚振等[28]含CO2水合物砂土的黏聚力，對比可知本試驗測得黏聚力比魏厚振等[28]測試的含CO2水合物砂土的黏聚力要小。

圖6 黏聚力隨水合物飽和度的變化關(guān)系圖

圖7 內(nèi)摩擦角隨飽和度的變化關(guān)系圖

圖7中顯示了含水合物試樣的內(nèi)摩擦角隨飽和度的變化關(guān)系。可以觀察到含水合物試樣的內(nèi)摩擦角隨飽和度的變化基本保持不變，說明了水合物的存在對內(nèi)摩擦角的貢獻很小，這與含水合物砂土沉積物的結(jié)果一致[29]。隨著飽和度的增加，對含水合物沉積物破壞強度的提升主要是黏聚力強度的貢獻，而內(nèi)摩擦角貢獻很少。

2.5 含水合物細粒土強度與圍壓、水合物飽和度的關(guān)系

在圖8中顯示了應(yīng)力莫爾圓與強度包絡(luò)線相切時的傾角φ，此時表明土體在該點達到極限平衡狀態(tài)[30],即

(3)

式(3)中：O′A和O′O″的意義如圖8所示，其中O″為各向同性抗拉強度。化簡整理得

гf為破壞剪應(yīng)力；г為剪應(yīng)力

(4)

式(4)中：σ1為大主應(yīng)力；σ3為小主應(yīng)力(即圍壓)；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

從2.4節(jié)試驗結(jié)果可知，隨水合物飽和度的增加，含水合物沉積物的黏聚力明顯增加，而內(nèi)摩擦角基本保持不變。因此，假定含水合物土的黏聚力c為飽和度Sh的函數(shù)，內(nèi)摩擦角φ為一常數(shù)。式(4)可以進一步表示為

(5)

由于水合物飽和度增加而增加的強度增值為

(6)

通過上述試驗數(shù)據(jù)對Δσ1(Sh)與水合物飽和度(Sh)的關(guān)系進行擬合得

(7)

式(7)中：a=0.008 48，b=1.177 94。結(jié)合式(6)和式(7)，整理得

(8)

再把式(8)代入式(5)得

(9)

式(9)中：c(Sh=0)=0.025 41，φ=30.85°，a=0.005 310，b=1.020 980。

式(7)表示了含水合物沉積物的強度與圍壓、水合物飽和度的關(guān)系模型。將圍壓(0.5，1，2)、水合物飽和度(0，25，45，60)代入式(9)，得到破壞強度計算值(圖9)，并與破壞強度試驗值進行比較。

紅色字體為計算值，黑色字體為試驗值

在圖9中可以看出，在低水合物飽和度時試驗值和計算值吻合較好，在高水合物飽和度時有些偏差。2007年中國地質(zhì)調(diào)查局在南海神狐海域GMGS1航次SH2、SH3、SH7 3個站位中獲得的原位巖樣，顯示出水合物飽和度的范圍為0%～47.3%[27]。因此式(9)中關(guān)于含水合物沉積物的破壞強度與圍壓和水合物飽和度的關(guān)系式可以較好地分析該地區(qū)的強度變化。

3 結(jié)論

(1)水合物飽和度和圍壓協(xié)同影響含水合物細粒土沉積物的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征。含水合物試樣在剪切過程中均表現(xiàn)為剪縮。由于水合物膠結(jié)效應(yīng)，剪縮效應(yīng)會隨水合物飽和度增大而減小；剪縮效應(yīng)會隨著圍壓增加而變大，這是由于膠結(jié)土顆粒的水合物在較大的圍壓下出現(xiàn)剝離和破碎，水合物顆粒進入到土體的孔隙中，致使體積應(yīng)變增大。

(2)水合物的存在可以明顯改善土體的強度和剛度。并且隨著水合物含量和圍壓增大，試樣的強度和剛度也增大，這主要是因為水合物的膠結(jié)作用及圍壓的壓密作用。

(3)含水合物細粒土的黏聚力隨飽和度增加明顯增大，而內(nèi)摩擦角基本保持不變。

(4)建立了含水合物細粒土破壞強度與圍壓、水合物飽和度間的關(guān)系式，該關(guān)系式的強度計算值與試驗值基本吻合。