绪论
近年来，随着常规油气的不断消耗增加，在不久的将来，人类将面临严重的能源危机，寻找新的能源储存库和新型清洁能源成为重中之重。天然气作为一种环境友好的新型清洁能源，具有埋藏浅，能量密度高，全球分布广泛，储存规模大等优点，具有很高的利用价值[1]。我国作为一个海陆兼备的国家，幅员辽阔，包含广阔的天然气水合物蕴含区域，拥有世界约10%的冻土面积和“世界第三大海”南海。开采天然气水合物沉积物对于改善我国富煤少油贫气的畸形能源结构、降低空气污染排放、解决能源安全问题等具有重大意义。
天然气水合作为一种新型能源，在开采方面还存有一些问题，在沉积层中，天然气水合物对其力学结构起到了重要的支撑作用，同时在开采过程中产生大量的自由水和自由气体会降低沉积物的储层强度，可能会导致海底滑坡等自然灾害；当甲烷进入海水，则会导致海水富甲烷化、引发赤潮等生态危机；进入大气的甲烷气体还会加剧温室效应。因此，研究天然气水合物沉积物的力学特性对于预防开采可能造成的不良环境影响尤为重要。
研究背景
天然气水合物的成藏机理
天然气水合物，又名“可燃冰”，是在低温条件下，由烃类气体（甲烷、乙烷等）和非烃类气体（硫化氢、氮气、氧气等）与水分子形成的似冰状笼型固态物质[2, 3]（如下图1.1所示），其稳定性主要取决于温度、压力和气体—水组份之间的关系。在世界范围内广泛分布于大陆和岛屿的永久冻土带和深海沉积物中[4, 5]。据估计全球天然气水合物中甲烷的含量约为（1.8~2.1）times;1016 m3，相当于当前已探明化石燃料（煤、石油和天然气）总含碳量的两倍。
在自然界中，天然气水合物的形成主要有扩散型、渗漏型及复合型等3种成藏模式[6,7]。在扩散型成藏模式下，水量丰富，天然气渗漏通量低，被称为富水环境，天然气气体通过扩散进入水合物稳定带与水结合形成水合物；而在渗漏型成藏模式下，通过构造裂隙发育，天然气渗漏量高，称之为富气环境，下部游离气体沿着裂隙往上运移至水合物稳定区和当地的孔隙水结合形成天然气水合物[8, 9]，复合型兼具扩散型和渗漏型两者的成藏特征。因此，影响天然气水合物形成的有三个重要因素：沉积物的沉积速率、岩石特性和有机碳含量。海底沉积物的沉积速率越快，越有利于天然气水合物的形成[7, 8]；海底岩石特性也会影响天然气水合物的形成，大地深处的油气通过断层和岩石孔隙扩散至海床附近与水结合形成天然气水合物，形成集中分布，丰度高的大规模矿藏，有较好的开采前景，如墨西哥湾的盐丘构造。扩散型成藏原理形成的水合物沉积物中的烃类气体主要由海底厌氧型细菌通过分解有机物产生，这些气体逐渐溶解到沉积物孔隙中，就地形成水合物沉积物，因此，沉积物中的有机碳含量必须大于0.5%，当有机碳含量较少时，难以形成天然气水合物[10]。这种方式形成的水合物沉积物分布广泛，但丰度低，很难形成局部富集，在自然界中存在的形式如图1.2。
图1.1 天然气水合物结构
图1.2 海洋或冻土地域中的天然气水合物储藏方式示意图[9]
天然气水合物的空间分布
天然气水合物分广泛，在陆地上的天然气水合物分布主要集中在麦索雅哈河流域、普拉达霍湾至阿拉斯加的北坡、麦肯切三角洲、青藏高原等地。海洋天然气水合物分布主要在北冰洋、大西洋、太平洋、印度洋以及大陆内海的天然气水合物赋存区域中。其中，海洋天然气水合物沉积物中的含量约占天然气水合物总含量的99%，分布面积达4000times;104km2，约占地球海洋总面积的1/4；且分布垂直范围较广，从300~500m的浅水区到4000m以上的深水区都可发现它的存在[11]。在水深大于200m的大陆岛屿斜坡地带和深海盆地的各种沉积物中，天然气水合物的存在形式较多，主要有散布状、斑块状和层状。目前为止，天然气水合物在全球共116个地区被勘探到，其中陆地有38处，海洋有78处，如图1.3所示[12]。
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