海洋含气土工程特性研究现状

赵阳阳，刘 润

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

0 引言

随着世界上石油、天然气资源的日趋枯竭，天然气水合物作为传统石化原料代替品，被称为21世纪最理想的、最具有商业开发前景的海洋新型能源。然而，由于天然气水合物对温压条件非常敏感，温度和压强的改变或者环境的轻微扰动，都会使天然气水合物分解产生大量的水，从而释放岩层孔隙空间使含气土层的固结性变差，严重破坏海洋地基的结构，易触发海岸滑坡、土体液化、基础沉陷、油气井喷、钻机平台倾覆、井壁垮塌、管道断裂等灾害事故[1]。因此，研究海洋含气土的工程特性，探索这种特殊土在扰动前后的工程性质变化规律，建立合理的理论体系揭示含气土独特的力学性状及灾变机理，成为保障天然气水合物开发利用和海洋工程基础建设的一项重要内容。

本文针对海洋含气土工程特性的相关研究，讨论了室内试验的样本来源，总结了微观结构观测试验、声学特性测试试验和土体力学特性试验的国内外研究现状和进展，并对含气土工程特性研究中存在的问题和发展趋势进行了讨论。

1 含气土室内试验样本的来源

1.1 原状土样钻取

由于海底含气土中的天然气水合物不稳定，易于分解、脱溶、逸散，破坏土体的原状结构，传统取样技术无法获取海底原状含气土样，最早的相关研究只能基于扰动后的土样展开，图1所示的是美国海洋钻探计划中钻取的含气土样。1981年，Denk[3]改进了取样方法，发明双筒保压取样器，能够在维持土样原有的压力状态下获取现场原状含气土样，而后再将样品转入人工高压舱内进行试验。随后Zuidberg[4]、Murray等人相继对这一技术进行了改进和完善。

图1 美国海洋钻探计划中钻取的含气土样 （摘自文献 [2]）

近年来，加拿大和日本先后在加拿大Mallik多年冻土区和日本南海海槽地区成功地获得了原状天然气水合物岩芯样，物理力学试验数据显示，土样性质参数稳定，说明土样扰动很小，获得的数据能比较真实地反映自然状态下含气土的工程性质。

1.2 室内试样的制备

对于含气土基本力学性质的室内试验研究，尽管技术上可以通过获取现场原状土开展试验，但受到取样费用高昂、运输保护要求过高等问题的困扰，促使学者们积极发展室内人工制备重塑土样的方法来模拟海底天然气水合物的自然存在状态。研究表明，天然气水合物饱和度控制在30%左右比较接近含气土的天然矿藏饱和度平均值[5]。1987年，Sobkowikz[6]采用CO2饱和水，用控制试样反压不变，逐渐降低围压的方法来制备土样。孔令伟[7]1991年采用使N2逐步驱替饱和砂土中水分的方法，制备初始饱和度较低的含气砂样；2002年，日本HyodoM等[8]将水和天然气在低温高压 （10℃、10 MPa）条件下混合生成水合物，多余的水分在16 MPa的压力晶析装置中析出，含气土样被压实成型，其示意过程如图2所示。

图2 含气土土样的制备过程 （摘自文献 [9]）

2005年Grozic[9]借鉴Sobkowikz的方法，但通过控制围压不变，逐渐降低反压的方式制备含气土样。

2 微观结构观测试验研究

微观结构观测试验是研究海洋含气土工程特性机理的重要手段，其目的是研究海底地基含气土的颗粒尺寸、孔隙结构、孔隙分布、胶结特性等微观结构及变化特征，主要的观测手段包括CT技术、核磁共振技术 （NMR）、电阻法探测技术、超声探测技术、扫描电镜技术 （SEM）、时域反射技术（TDR）等。Jin[10]等通过X射线扫描直接观测低温高压条件下松散沉积物中水合物的微观分布。Santamarina[11]在5.1 MPa，278 K条件下通过X射线观察4种不同粒径大小的含气土微观结构，如图3所示，对含气土的力学特性和三相动力相平衡进行了深入研究。

Kneafsey等[12]利用CT为观测工具，进行饱和砂样中天然气水合物形成和分解的动力学试验研究。Stern等[13]用扫描电镜进行微观颗粒结构和孔隙结构的观察，分析了微观结构与孔隙结构对天然气水合物生成过程的影响。虽然CT和NMR技术受到分辨率的限制而常常得不到理想的试验结果，但扫描电镜技术的精确度可以满足工程要求，只要发展其在低温高压环境下的应用技术，很有可能成为精确探测天然气水合物结构的有效手段[14]。

图3 含气土X射线CT图 （摘自文献 [11]）

3 声学特性试验研究

含气土中天然气水合物的存在会引起土体声波速度的改变，通过分析传播波速的数值差异可以间接反映和评价土体的工程性质，因此发展出一些新的现场探测技术，包括地震波法、声波法和测井法等。1981年，Johnston[15-16]首次利用声学特性研究了湖泊中的软土沉积物，发现气体的存在会导致声波波速衰减。随后，Anderson、Brandes、Wilkens和Richardson、 Thomas、 Wheeler 等学者[17-19]相继对海底沉积物中游离态天然气对声学特性的影响开展了大量的研究，并尝试建立声速与土体模量的关系。

中国科学院南沙综合科学考察队于1993-1994年对南沙群岛及其邻近海区进行了海底沉积物土层声学性质及物理力学性质的调查和研究，对土样进行了测量、计算和分析，积累了很多珍贵的数据资料。梁元博、卢博、李赶先等[20]研究表明，随着无侧限抗压强度的增加，含气土的压缩波速、剪切波速呈增大趋势，而且压缩波速、剪切波速随着贯入阻力、抗剪强度的增大而增大，但随着压缩系数的增大而减小。龚建明等[21]根据水合物钻探取样岩芯以及测井记录，将天然气水合物在海底地基中的分布形态归为3种模式。

国内一些学者还开展了含气土的压缩波速、剪切波速与液、塑限之间的关系研究，得出了适用于各自研究区域的经验公式[20，22-26]。图4所示的是国内常用的含气土样剪切波速测试装置。

图4 剪切波速测试装置 （摘自文献 [23]）

4 工程特性试验研究

4.1 低温高压三轴试验研究

海底含气土的工程力学试验受土样抗扰动性弱的约束和试验条件要求高的限制而进展缓慢，主要试验方法是低温高压三轴压缩试验和低温高压三轴剪切试验。1987年，Thomas[27]对海底含气土样进行了室内一维固结试验，借此提出了考虑气体溶解效应的双压缩模型。1999年，Grozic[28-29]在进行富含天然气水合物的砂土压缩试验时发现，当饱和度高于80%时松散砂土样表现为应变硬化，当饱和度小于80%时则表现为应变软化。2004年，青木一男等[30]采用图5所示的低温高压三轴仪对含气土样进行分级荷载压缩试验，分析了单个参数对含气土强度值的影响，试验表明，温度越低，围压越大，配比砂率越大，含气砂土强度越高，并受到砂土粒径大小的影响。

2006年Kvalstad等[31]研究发现，含气土样分解时孔隙中流体压力上升，产生超孔隙压力，导致有效应力和岩土剪切强度的明显降低。同年魏巍等[32]针对南海中沙水域的含气土岩芯进行力学性质指标测试，得到南海中部海底土的力学性质指标，见表1。

图5 低温高压三轴仪 （摘自文献 [30]）

表1 南海中沙含气土力学特性 （摘自文献 [32]）

2008年，Masui等[33]对日本南海海槽地区钻取的4个原状含气土岩芯和室内合成含气砂样进行了三轴试验对比研究，得到很多详实宝贵的数据资料。2011年，魏厚振等[34]开展了不同水合物含量的粉质砂的三轴剪切试验，研究表明随着水合物含量的增加，试样的初始剪切模量有上升趋势，内摩擦角随水合物含量增加而增大，但增幅不大，黏聚力增长明显。目前大连理工大学正在致力于开发一套海底天然气水合物土层的机械强度测试系统和变形预测模型，研究建立围压下水合物土层三轴强度的试验方法。

4.2 本构模型研究

由于天然气水合物的存在对海底地基的承载力和稳定性影响非常大，并具有显著的灾变性，学者们尝试提出合理的本构模型来预测海洋含气土的力学行为特性，目前描述含气土层承载力和变形特性的方法基本局限于修正与优化现有的土体本构模型。1986年，Wheeler[35]提出了一种含大气泡土的概念模型，并利用该模型预测了含气土的抗剪强度区间、弹性模量和固结变形特性，但模型并不能给出特定条件下含气土强度的定量值。1996年，Pietruszczak[36]建立了含大气泡砂土的本构模型，将计算结果与Wheeler的试验数据进行对比分析，证实该本构模型可有效地模拟土体强度随变形的发展。2005年，Grozic等[37]基于饱和土理论提出了考虑气相影响的本构模型，描述海洋含气土的变形特性，同时计算土样的不排水抗剪强度，可较好地吻合试验结果。2010年，刘峰[38]通过室内试验研究提出了气体释放路径下含气砂土的非线性弹性本构模型，初步实现了对海洋浅层含气砂土固、液、气三相耦合变形的描述。综上所述，目前国内外关于海底天然气水合物土层承载特性的研究成果较少，对于土体力学模型的建立更是处于研究起始阶段。

4.3 数值模拟研究

近年来一些学者将数值分析的思想引入了含气土工程特性研究的领域中。1991年，Yousif等[39]研制出一维、三相 （气、水、水合物）有限差分数值模拟程序，用该程序模拟Berea岩心的实验室降压生产过程，计算结果与实验室结果吻合较好。2004年，Atigh等[40]在Byrne基于Mohr-Columb弹塑性改进模型基础上，借助FLAC程序得出了弗雷则河含气松散沉积砂在部分排水条件下的体变和孔压的变化，并对弗雷则河流三角洲的水下滑坡进行了模拟和分析。2006年，Sun等[41]建立了一个三维模拟软件，研究孔隙介质中天然气水合物的形成和分解，对比分析了室内试验和现场试验的设计和结果。2007年，王淑云等[42]利用ABAQUS有限元程序模拟水合物分解对地层和管道稳定性的影响，大胆沿用Mohr-Columb本构模型来描述天然气水合物沉积层的强度。2011年，安晨歌等[43]以能量上限定理为理论基础，借助于EMU软件，采用二维极限分析方法分析了海底缓倾角边坡的滑坡机理，研究由于水合物分解形成的软弱夹层对海底缓倾角边坡稳定性的影响，并考察软弱夹层物理力学性质、埋深和水合物的分解产生气体膨胀压力的影响，结果表明由水合物分解引起的气体膨胀压力将大幅度降低斜坡的稳定性。

5 问题与展望

室内试验和原位测试是获得海洋含气土工程性质的主要手段，但在实践过程中还存在许多问题。海底原位取样时，气体水合物分布不均会降低室内试验结果的稳定性和可信度，土样难以二次加工成型和重复试验，无疑增加了试验成本；人工合成含气土的自由气体含量难以控制，难以有效评估人工合成样品和自然界取芯样品给试验结果带来的差异。另外，含气土工程特性的复杂性是由深海地质环境、组分温压敏感度、加载路径不确定等因素决定的，目前描述含气土承载力和变形特性的方法基本局限于修正与优化现有的土体本构模型，只能大概描述土体稳态变形过程，在适用性和普遍性上还存在缺陷。

对于海洋含气土工程特性的探索，一方面可继续深入对含气土的微观试验研究，使用精密仪器确定颗粒尺寸、孔隙结构、胶结特性等微观结构特征与变化，描述在不同荷载作用下土体内孔隙流体和土骨架之间的应力耦合作用，揭示海底天然气水合物分解对地基工程特性的影响机理。另一方面，应大力开发研制海底低温高压环境下试验和施工的仪器设备，来应对海洋工程施工环境复杂的问题。需进一步发展和完善含气土的原位取样和室内制样技术，为实验室条件下合理模拟和再现含气土的工程特性奠定前提基础。同时，可逐步积累和不断丰富原位试验的测试资料，继续深入研究含气土层声学参数和其物理、力学性质之间的定量关系，开发实施对含气土海域内工程建设稳定性的长期监测系统。

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