1 绪论
在全球各国以发展为主旨的21世纪时代背景下，能源不仅作为人类社会生活与发展的物质基础，也作为国与国之间的战略资源，为各国日益重视[1]。以煤、石油等化石能源为代表的传统不可再生资源渐渐枯竭，无法满足人类社会发展需要。并且在全球变暖的危机下，寻找新的、大量的环境友好型能源迫在眉睫。而天然气水合物就是这样一种理想的新供能资源，它有着埋藏深度浅、资源密度高、全球分布广、清洁高效的特点，具有很高的开发价值[2]。2019年美国约20％的能源消耗来自化石燃料以外的其他来源，中国作为最大的发展中国家，开发利用天然气为大势所趋[3]。
我国国土面积辽阔，海陆兼备，且冻土面积广，有着“世界第三大海”南海，天然气储量丰富。开采天然气水合物对我国改善能源结构，优化环境，提高经济发展水平有着重大意义[4]。天然气水合物作为非常规能源，目前的研究尚处于初级阶段，实现天然气水合物的商业化开采仍面临诸多挑战。研究天然气水合物的力学特性，可以为商业化开采天然气水合物提供理论依据。
1.1 研究背景
1.1.1 天然气水合物成藏机理
天然气水合物（Natural Gas Hydrate/Gas Hydrate）即可燃冰，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质天然气水合物，常见于深海沉积物或陆上永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，如下图1.1所示[5]。海底厌氧型细菌分解有机物产生烃类气体逐渐溶解到沉积物孔隙，形成了天然气水合物。影响天然气水合物生成有三个主要因素：沉积物的沉积速率、岩石特性和有机碳含量。沉积物沉积速率越快，越利于天然气水合物生成。岩石特性也影响水合物生成，有的天然气水合物存于沉积物孔隙，而有的却在细小沉积物颗粒间成核。而沉积物中的有机碳含量必须大于0.5%，如果有机碳含量较少，则难以形成水合物[6]。
天然气水合物的成藏机理与其存在的环境有着密切的关系。其储存的规模和赋存状态主要由气源、沉积状况、构造、温压等条件控制[7]。气源条件：热解气总量大但是丰度小，难以富集且一般以渗透形式运移。在合适的温度与围压情况下容易局部富集成藏。所以分析气源条件主要看其下部是否有热解气源。富含油气盆地 (如墨西哥湾) 更容易在浅层形成大规模高丰度水合物矿藏[8]。沉积条件：赋存层的沉积速率与沉积相也与矿藏存在密切联系，天然气水合物的形成要有充足的气源，提供水合物形成所必须的天然气母质，还要有一定的孔隙空间和水介质，提供水合物的储集空间[9]。构造条件：构造条件是天然气水合物成藏的重要影响因素，构造影响着温度，围压等其他一系列的条件。温压条件：合适的温度与围压使天然气水合物作为亚稳态物质得以在自然界成藏保存而不自然分解。
图1.1 天然气水合物结构
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