天然气水合物因其巨大的碳氢储量、广泛分布以及清洁环保的特性,被视为极具潜力的替代能源,广泛分布于全球90%的海域中,我国南海海域天然气水合物资源储量巨大,开采前景可观。南海海域的天然气水合物储层以泥质粉砂沉积物为主,试采区沉积物以细粒颗粒和黏土矿物为主,其中黏土矿物主要为蒙脱石和伊利石。黏土矿物的种类和含量直接影响宿主沉积物的物质组成和粒径分布,进而显著影响其力学特性。此外,黏土矿物具有较强的塑性,其存在会显著改变储层的蠕变特性,加剧储层变形甚至导致储层破坏,从而威胁水合物长期开采的安全性。因此,探究黏土矿物对水合物储层力学特性和蠕变行为的影响机制,是评估泥质粉砂型储层稳定性的重要基础。基于这一背景,本研究选取泥质粉砂沉积物为研究对象,开展了泥质粉砂水合物沉积物强度特性研究,分析了黏土矿物类型及其含量对泥质粉砂水合物沉积物蠕变特性的影响规律,以期为水合物安全开采提供理论支撑。 首先,开展一系列三轴剪切实验,研究了黏土矿物种类和含量对泥质粉砂水合物沉积物强度特性的影响。研究结果表明,沉积物的应力-应变行为表现为含蒙脱石水合物沉积物比含伊利石水合物沉积物更容易出现应变硬化,并且有更大的体积变形量,黏土含量的增加会加剧应变硬化和剪缩现象。沉积物的破坏强度和杨氏模量受黏土矿物种类的影响体现为在相同水合物饱和度条件下含伊利石水合物沉积物的破坏强度和杨氏模量均高于含蒙脱石水合物沉积物。同时,沉积物的破坏强度还受到黏土含量和有效围压共同影响,建立了破坏强度与黏土含量和有效围压的关系式。通过沉积物在不同有效围压的破坏强度进一步分析沉积物的强度参数,包括粘聚力和内摩擦角。因为黏土矿物种类的不同,粘聚力和内摩擦角随黏土含量的变化表现出不同的线性相关。建立了考虑黏土含量的莫尔-库仑破坏准则,该准则可用于预测不同伊利石及蒙脱石含量下的泥质粉砂水合物储层的抗剪强度。为下文继续开展蠕变实验,设置蠕变实验条件提供了理论基础。 在获得沉积物破坏强度的基础上确定了泥质粉砂水合物沉积物蠕变实验条件,开展了水合物稳定存在条件下三轴蠕变实验,研究不同应力水平下黏土矿物种类与黏土含量对沉积物蠕变特性的影响。研究结果表明:含蒙脱石水合物沉积物比含伊利石水合物沉积物有更大的初始变形以及最终变形,并且含蒙脱石沉积物的蠕变速率总是高于含伊利石沉积物。黏土含量与沉积物变形以及初始蠕变速率均呈负相关,并且较低黏土含量水合物沉积物蠕变速率达到恒定值所需要的应变更大。应力水平与沉积物变形均呈正相关并且很大程度上影响应变速率与应变之间的关系,含蒙脱石水合物沉积物对加载应力有更强的敏感性。同时,获得了含伊利石以及含蒙脱石水合物沉积物在中、低黏土含量下的长期强度。 开展了水合物分解过程中泥质粉砂沉积物的三轴蠕变实验,研究了水合物分解过程中黏土矿物种类、黏土含量以及应力水平对沉积物蠕变特性的影响。水合物分解过程中的蠕变实验结果表明,蒙脱石沉积物蠕变应变和速率普遍高于伊利石沉积物,这与水合物稳定存在条件下沉积物的变形趋势一致。含伊利石和蒙脱石的水合物沉积物在蠕变实验开始初期后,蠕变速率迅速增大,后期蠕变速率下降直至稳定。伊利石含量增加时,初始蠕变量减少,最终蠕变量增加。蒙脱石沉积物初始蠕变应变和最终蠕变应变均随黏土含量增加而增加。另外,黏土含量增加导致蠕变速率峰值增大,尤其在蒙脱石沉积物中明显。应力水平提高,两种沉积物初始应变和最终应变均增加,蒙脱石沉积物变化更显著。高应力水平下,蠕变速率峰值增大,且达到稳定所需轴向应变更大。 综上所述,本文对泥质粉砂水合物沉积物的剪切及蠕变特性开展了较为系统的研究,研究结果对泥质粉砂水合物沉积物长期稳定性以及安全开采具有重要意义。