李彥龍，劉昌嶺，劉樂樂，黃　萌，孫建業(yè)，李承峰（1.中國科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；4.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

水合物沉積物三軸試驗(yàn)存在的關(guān)鍵問題分析*

李彥龍1，2，3，劉昌嶺2，3?，劉樂樂2，3，黃萌2，4，孫建業(yè)2，3，李承峰2，3
（1.中國科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；3.國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；4.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

三軸剪切試驗(yàn)是獲得含水合物沉積物強(qiáng)度參數(shù)最有效的途徑之一。目前國內(nèi)研究者從不同的角度進(jìn)行了大量研究，在某些關(guān)鍵科學(xué)問題上形成了共識，但仍存在諸多科學(xué)問題需要業(yè)內(nèi)同仁共同探討。本文在充分調(diào)研國內(nèi)外含水合物沉積物三軸力學(xué)測試成果的基礎(chǔ)上指出：由于缺乏統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，目前國內(nèi)含水合物沉積物三軸剪切試驗(yàn)仍存在不同研究成果橫向可比較性差、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄓ眯圆蛔恪y試結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際差距大等關(guān)鍵科學(xué)問題；制樣方法、粒度分布規(guī)律、沉積物本身固結(jié)程度、試驗(yàn)溫度、剪切速率、氣體類型、飽和度測量方法、試樣尺寸等的差異是造成上述問題的關(guān)鍵因素。為了增強(qiáng)研究成果的指導(dǎo)意義，筆者建議各研究者在發(fā)表研究成果的同時公布詳細(xì)的測試方法和測試條件，通過建立統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來促進(jìn)含水合物沉積物三軸剪切試驗(yàn)的發(fā)展，從而為水合物資源的安全高效開采提供科學(xué)依據(jù)。

天然氣水合物；水合物沉積物；三軸試驗(yàn)；力學(xué)特性；強(qiáng)度參數(shù)

0　引　言

天然氣水合物是一種潛在替代能源［1］。水合物儲層基質(zhì)屬于未固結(jié)、弱固結(jié)或裂隙發(fā)育沉積物［2］，水合物開采將引起地層膠結(jié)強(qiáng)度、孔隙度、有效應(yīng)力的改變，導(dǎo)致生產(chǎn)井出砂、地層沉降甚至產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重制約水合物資源的安全開發(fā)。我國海域天然氣水合物儲層屬于非固結(jié)儲層，隨著水合物的分解，水合物對儲層的充填和膠結(jié)作用降低，當(dāng)水合物完全分解后，儲層骨架結(jié)構(gòu)消失，儲層完全處于松散狀態(tài)，可能引起嚴(yán)重出砂、井壁坍塌等工程安全問題。因此，準(zhǔn)確預(yù)測含水合物儲層的力學(xué)性質(zhì)，揭示含天然氣水合物沉積物的變形規(guī)律，可以有效避免工程災(zāi)害的發(fā)生，為天然氣水合物的有效安全開發(fā)提供保障。

由于現(xiàn)場保壓取心困難，目前對含水合物沉積物力學(xué)特性的研究主要是利用室內(nèi)人工制得的含水合物沉積物試樣進(jìn)行試驗(yàn)。通過高壓低溫三軸儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)是獲取含水合物沉積物力學(xué)參數(shù)最有效的方式。國外水合物沉積物三軸測試數(shù)據(jù)集中在WINTERS（2007，2014）［3-4］、HYODO（2007，2013）［5-6］、MASUI 和YONEDA（2007， 2015）［7-8］、MIYAZAKI（2011， 2012）［9-10］、PRIEST（2014）［11］、SANTAMARINA（2007）［12］等學(xué)者的研究報(bào)道中。國內(nèi)魯曉兵（2007）［13］等利用內(nèi)蒙古砂和空心磚作為水合物賦存骨架，通過三軸測試證明水合物形成對骨架強(qiáng)度具有強(qiáng)化作用，此后張旭輝（2010，2011）［14-15］、顏榮濤（2012， 2013）［16-18］、李洋輝（2011，2012）［19-21］、程遠(yuǎn)方（2012）［22-23］、石要紅（2014，2015）［24-25］等從不同的角度進(jìn)行了大量研究，在試樣制備方法、飽和度測試技術(shù)、試驗(yàn)溫壓條件控制、剪切速率控制等方面取得了很大進(jìn)步，但目前仍存在許多問題。為此，本文將在充分調(diào)研國內(nèi)外含水合物沉積物三軸剪切試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，梳理目前含水合物沉積物三軸力學(xué)參數(shù)測試存在的主要問題及造成這些問題的原因，供業(yè)內(nèi)同仁共同探討，促進(jìn)含水合物沉積物力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)技術(shù)向前發(fā)展，增強(qiáng)三軸試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對工程實(shí)踐的指導(dǎo)作用。

1　國內(nèi)含水合物沉積物三軸試驗(yàn)存在的主要問題

為了對國內(nèi)含水合物沉積物力學(xué)參數(shù)測試進(jìn)行全面分析，筆者統(tǒng)計(jì)分析了目前國內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)的研究成果，如表1所示。

不同研究成果主要在以下幾個方面形成共識：（1）不同含水合物沉積物制樣方法、水合物形成介質(zhì)等因素是導(dǎo)致沉積物宏觀強(qiáng)度參數(shù)差異的重要原因；（2）含水合物沉積物的三軸剪切強(qiáng)度隨著水合物飽和度的增大而增大，水合物分解將導(dǎo)致沉積物強(qiáng)度降低；（3）含水合物沉積物三軸強(qiáng)度與試驗(yàn)條件相關(guān)，如溫度、圍壓、加載速率、初始孔隙率等［26］。

然而，縱觀國內(nèi)外相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，目前水合物沉積物三軸試驗(yàn)相關(guān)的研究主要存在以下問題：

（1）定量角度很難形成共識。目前水合物沉積物三軸力學(xué)參數(shù)測試所形成的共識基本上停留在定性表述上，而很難從定量的角度達(dá)成共識。如水合物飽和度對沉積物強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，雖然不同的學(xué)者試圖從自身試驗(yàn)角度出發(fā)建立強(qiáng)度參數(shù)隨飽和度的動態(tài)變化規(guī)律，但因目前學(xué)者們?nèi)S試驗(yàn)數(shù)據(jù)量有限，造成部分學(xué)者強(qiáng)度參數(shù)定量計(jì)算模型適用性低，不同研究者的定量表征方法很難形成一致。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ刃圆?。含水合物沉積物三軸測試的根本目的是建立沉積物強(qiáng)度參數(shù)的計(jì)算方法，探討水合物成藏或開采過程中可能導(dǎo)致的地層變形規(guī)律，從而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害，為水合物的長效開采提供依據(jù)。但國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的含水合物沉積物三軸測試標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程，導(dǎo)致目前不同研究學(xué)者進(jìn)行三軸試驗(yàn)過程中采用的試驗(yàn)方法差異較大，不同研究學(xué)者的研究數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ刃暂^差，很難將不同研究學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)聯(lián)合起來，建立統(tǒng)一的含水合物沉積物強(qiáng)度參數(shù)演化規(guī)律模型。

（3）經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄓ眯圆?。由于試?yàn)條件及控制參數(shù)等方面的差異，雖然已有部分研究者根據(jù)自身的室內(nèi)測試結(jié)果嘗試建立不同的強(qiáng)度參數(shù)隨含水合物飽和度、有效圍壓等變量的演化規(guī)律，但由于這些模型都只是針對一定試驗(yàn)條件的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，不同計(jì)算模型間的差異較大，不具有通用性。

（4）試驗(yàn)主控因素設(shè)置不明確。要對比分析不同的試驗(yàn)主控因素對含水合物沉積物強(qiáng)度的影響，必須保證其他影響因素相同，否則其試驗(yàn)結(jié)果對實(shí)際建模的指導(dǎo)意義將降低。如目前存在的沉積物中水合物飽和度估算方法均存在一定誤差，相互疊加的結(jié)果是誤差成倍放大。部分學(xué)者用不同的飽和度估算方法進(jìn)行計(jì)算，然后對比不同的水合物類型對沉積物強(qiáng)度參數(shù)的影響，這種做法實(shí)際上有待商榷。

（5）與礦場實(shí)際條件差異大。目前含水合物沉積物室內(nèi)三軸剪切模擬溫壓條件與實(shí)際水合物儲層存在差異，對實(shí)際工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)性差。如我國南海北部神狐海域海洋水合物儲層平均溫度在10～15℃，平均儲層壓力在12 MPa～16 MPa，但由于目前試驗(yàn)條件限制，很難在三軸儀條件下模擬實(shí)際海洋水合物儲層條件，這是導(dǎo)致目前試驗(yàn)結(jié)果工程指導(dǎo)價值不高的重要因素。

綜合目前國內(nèi)外含水合物沉積物力學(xué)性質(zhì)測試相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道，筆者認(rèn)為制樣方法、沉積物粒度分布規(guī)律、沉積物本身固結(jié)程度、試驗(yàn)溫度、剪切速率、水合物合成介質(zhì)類型、飽和度測量方法、試樣尺寸等因素的差異是導(dǎo)致上述問題的主要原因。以下結(jié)合目前國內(nèi)外已有典型文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)，重點(diǎn)探討造成上述關(guān)鍵問題的原因。

表1　目前國內(nèi)水合物沉積物三軸力學(xué)測試主要成果及其參數(shù)匯總Table 1　Domestic research results and relevant test parameters for triaxial test of hydrate-bearing sediment

2　導(dǎo)致關(guān)鍵問題的原因探討

2.1制樣方法的差異

目前國內(nèi)外尚無含水合物沉積物三軸力學(xué)測試試樣的統(tǒng)一制備方法及標(biāo)準(zhǔn)，目前三軸試驗(yàn)中用到的含水合物沉積物合成方法主要有以下兩類：

（1）混合制樣法。先在一定的壓力和溫度條件下利用水霧與氣體相結(jié)合形成粉末狀的水合物，然后將固體水合物顆粒與沉積物顆?；旌?，再把制成的混合物放入低溫的環(huán)境中以開展三軸剪切試驗(yàn)。目前四氫呋喃（THF）水合物沉積物試樣大都采用該方法合成。

（2）原位合成法。將沉積物砂樣（飽和或不飽和）安裝在壓力艙，然后控制溫度，施加一定壓力的氣體，經(jīng)一定的時間形成含水合物沉積物試樣。該方法在具體操作過程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的不同而存在較大差異。如孫中明（2012）［27］等直接將一定含水量的砂土填裝到壓力室，然后用氣過量法合成水合物；顏榮濤（2013）［17］等則為了試樣便于安裝，首先將試樣冰凍，安裝到壓力艙后再升溫使冰融化并合成水合物；也有部分研究者，如石要紅（2015）［24］等直接將THF水溶液與干砂混合，然后置于壓力室加圍壓，制冷2～3天自動形成水合物沉積物。

不同的制樣方法合成的試樣中水合物分布型態(tài)差異巨大，根據(jù)顏容濤（2011）等［18］的研究結(jié)論，不同的水合物分布模式對含水合物沉積物三軸力學(xué)參數(shù)的影響是巨大的。因此，要研究相同含水合物飽和度條件下其他試驗(yàn)控制因素對沉積物強(qiáng)度的影響，必須首先保證制樣方式是一致的。李令東（2012）等［22］采用不同的制樣法分別制得覆膜砂試樣和膨潤土試樣并進(jìn)行強(qiáng)度測試，得到覆膜砂試樣的彈性模量約為膨潤土試樣彈性模量的3.6～3.8倍，這種在非單一變量條件下得到的結(jié)論可靠性有待商榷。

2.2水合物合成介質(zhì)的差異

目前，含水合物沉積物制樣過程中用到的水合物合成介質(zhì)主要有氣體和液體兩種。氣體主要有CO2、CH4及模擬實(shí)際天然氣組分的混合氣體等。液體主要為四氫呋喃溶液，由于四氫呋喃合成水合物沉積物試樣周期短、合成條件要求低（1 atm下，當(dāng)溫度低于4.4℃時即可生成水合物），目前國內(nèi)關(guān)于水合物沉積物三軸試驗(yàn)相關(guān)的研究中，有超過50％集中在四氫呋喃水合物沉積物的研究方面。

張旭輝（2010）［15］等通過設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)，對比了甲烷、CO2、四氫呋喃水合物沉積物及冰沉積物的強(qiáng)度性質(zhì)。試驗(yàn)表明，雖然4種沉積物均表現(xiàn)為塑性破壞，但即使在水合物含量及其他試驗(yàn)條件相同情況下，不同介質(zhì)形成的水合物會導(dǎo)致沉積物強(qiáng)度的巨大差異。因此用THF水合物沉積物的試驗(yàn)結(jié)果可定性描述實(shí)際含水合物儲層的強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律，但很難直接應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行定量的計(jì)算。

因此，合成水合物試樣所用的介質(zhì)類型不同，其強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算模型或模型系數(shù)應(yīng)有所區(qū)別。如果針對特定區(qū)域的水合物儲層進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)測試，建議結(jié)合實(shí)測的氣體成分，使用與實(shí)際氣體成分接近的模擬混合氣體進(jìn)行試驗(yàn)，以增強(qiáng)三軸測試結(jié)果的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

2.3沉積物本身固結(jié)程度的差異

國內(nèi)大部分含水合物沉積物試樣三軸剪切試驗(yàn)采用的是直接在松散沉積物中合成水合物，研究水合物形成對松散沉積物強(qiáng)度的影響。也有部分研究者［22-23］用覆膜砂燒結(jié)制得弱膠結(jié)巖樣，然后在巖樣中合成水合物并進(jìn)行剪切試驗(yàn)。上述研究均表明，含水合物沉積物的強(qiáng)度隨含水合物飽和度的增大而增大。

由于以上兩種類型的沉積物其本身固結(jié)強(qiáng)度差異巨大，因此無法做橫向?qū)Ρ确治?，只能在各自的本身膠結(jié)強(qiáng)度條件下進(jìn)行縱向?qū)Ρ确治觥＿@也是導(dǎo)致目前部分研究成果無法進(jìn)行整合，建立沉積物強(qiáng)度通用模型的關(guān)鍵因素之一。

由于海洋天然氣水合物儲層多屬于非固結(jié)儲層，水合物對儲層的充填和膠結(jié)作用隨其分解而逐漸降低。水合物完全分解后儲層顆粒處于松散狀態(tài)，因此非固結(jié)儲層的膠結(jié)強(qiáng)度是由水合物飽和度控制的，沉積物本身可視為粘性土。為此，三軸試驗(yàn)?zāi)M需考慮實(shí)際模擬儲層本身的膠結(jié)強(qiáng)度，室內(nèi)模擬水合物對沉積物抗剪指標(biāo)影響規(guī)律需首先進(jìn)行水合物飽和度為0％條件下沉積物三軸剪切試驗(yàn)，從而排除沉積物本身膠結(jié)程度對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.4沉積物粒度分布的差異

由于目前原狀含天然氣水合物沉積物試樣獲取難度大，含水合物沉積物三軸強(qiáng)度測試試樣主要通過人工砂樣合成。導(dǎo)致實(shí)際試樣與合成試樣差異的重要因素就是沉積物砂粒的粒度分布規(guī)律。

沉積物粒度分布規(guī)律對試樣強(qiáng)度參數(shù)的影響主要表現(xiàn)在粒徑大小、不均勻系數(shù)、泥質(zhì)含量等方面。目前國內(nèi)研究者常用的水合物賦存介質(zhì)主要包括蒙古砂［14］、粉細(xì)砂［15］、高嶺土［20］、高溫?zé)Y(jié)覆膜砂［22］、粘性土粉砂［26］、天然海砂［27］等。也有部分研究者利用實(shí)際采樣得到的南海粉質(zhì)黏土［25-26］進(jìn)行含水合物沉積物強(qiáng)度測試試驗(yàn)。上述沉積物顆粒的粒度分布各異，均勻系數(shù)差距較大，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異較大，如劉文濤（2014）等［25］利用南海粉質(zhì)黏土進(jìn)行三軸測試表明，含水合物沉積物在小的應(yīng)力范圍內(nèi)近似為彈性變形，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到約6％會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力“平臺期”。石要紅（2015）等［26］用同樣的沉積物，觀察到了同樣的現(xiàn)象并完善了高含水合物飽和度條件下南海粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度特性。上述現(xiàn)象只有在針對南海實(shí)際取芯巖樣測試過程中被觀察到，在其他室內(nèi)模擬試驗(yàn)中均未觀察到上述“平臺期”現(xiàn)象。這說明沉積物骨架顆粒的差異是導(dǎo)致目前公開發(fā)表的試驗(yàn)結(jié)果多樣性的重要原因。

文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示，部分國內(nèi)研究文獻(xiàn)發(fā)表過程中甚至未公布其沉積物類型及其粒度分布，這很不利于將不同研究者的研究結(jié)論進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?，?dǎo)致其研究成果應(yīng)用價值較低。

2.5試樣規(guī)格的差異

目前暫無報(bào)道表明試樣高徑比和具體尺寸對含水合物沉積物試樣強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律，國內(nèi)文獻(xiàn)中采用的含水合物沉積物尺寸和高徑比通常參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123-1999）、煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法（GB/T 23561.9-2009）等或直接參考國外文獻(xiàn)報(bào)道確定。目前可見的含水合物沉積物三軸剪切試驗(yàn)試樣尺寸規(guī)格為：Φ50mm×100mm、Φ39.1mm×80mm、Φ25mm×50mm，高徑比為2∶1；但也有部分研究者用Φ50mm×75mm［21］、Φ39.1mm× 100mm［27］的試樣進(jìn)行測試，高徑比分別為1.5∶1 和2.5∶1。

針對常規(guī)粗粒土沉積物的研究結(jié)果表明：試樣高徑比［28］和尺寸［29］對試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角、峰值強(qiáng)度、割線模量等參數(shù)會產(chǎn)生較大的影響。因此，試樣規(guī)格的差異是導(dǎo)致目前不同研究者的研究數(shù)據(jù)無法進(jìn)行整合的重要原因，需要針對不同尺寸、高徑比的含水合物沉積物試樣進(jìn)行系列研究。

2.6飽和度測量方式的差異

水合物飽和度是指沉積物多孔介質(zhì)中所含水合物的體積占孔隙體積的百分比。已有研究中關(guān)于水合物飽和度的測量方法主要有以下幾種。

（1）首先按常規(guī)步驟進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切完成后升溫分解水合物，通過氣體（甲烷）收集裝置測量水合物分解釋放的氣體量，間接換算出水合物飽和度。

需要特別注意的是，由于CO2水溶性較強(qiáng)，且反應(yīng)釜體積有限，本身合成水合物的量有限，所以采用該方法將產(chǎn)生較大誤差，故不能用該方法測量CO2水合物飽和度。即使對于甲烷等難溶于水的氣體，該方法也存在一定的誤差：水合物合成、剪切過程中經(jīng)過長時間的高壓飽和，多孔介質(zhì)中含有大量的游離氣，剪切結(jié)束后降壓升溫過程中不僅能排出水合物分解氣，更重要的可能是空隙中本身存在的游離氣。因此該飽和度測量方法最關(guān)鍵是降低游離氣體積對測量結(jié)果的誤差影響。

（2）安裝試樣前稱量試樣（含水）及密封袋的總重，然后按常規(guī)步驟進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切完成后將試樣快速取出并放入密封袋，通過稱量樣品在試驗(yàn)前、后的質(zhì)量差，換算出含水合物飽和度。CO2水合物沉積物尤其適合用該法進(jìn)行飽和度測量。

（3）對于非飽和制樣法制得的含水合物沉積物，甲烷過量條件下，部分學(xué)者假設(shè)沉積物中的水完全轉(zhuǎn)化為水合物。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，利用參加反應(yīng)的水的質(zhì)量可以獲得生成水合物的質(zhì)量，進(jìn)而根據(jù)水合物密度得到水合物的體積。再結(jié)合已測得的骨架孔隙度可以得到沉積物的含水合物飽和度。特別地，對于THF水合物沉積物，由于THF水合物中THF的質(zhì)量濃度為19％，因此三軸剪切試驗(yàn)可以直接用質(zhì)量濃度為19％的THF溶液，非飽和制樣條件下認(rèn)為四氫呋喃完全轉(zhuǎn)化為水合物，從而換算出含水合物飽和度。

（4）利用時域反射技術(shù)（time domain reflection，TDR）測量。TDR技術(shù)根據(jù)電磁波在沉積物中的傳播速度來測量其介電常數(shù)，可以通過沉積物介電常數(shù)的測試結(jié)果估算沉積物中的含水率，結(jié)合初始含水量測量沉積物中的含水合物飽和度。

（5）壓力降落法確定水合物飽和度。在恒定溫度條件下，可以根據(jù)水合物生成前、后試樣孔壓的變化來換算生成的水合物飽和度。

（6）對于混合制樣法，由于混合過程中蒸餾水、純水合物和沉積物的體積都是已知的，經(jīng)過壓制后可以假設(shè)沉積物巖樣僅飽和水和水合物，則由其各自的體積可估算出水合物的飽和度。

由于不同的含水合物飽和度測量方法不可避免地存在測量誤差，當(dāng)不同測量方法得到的飽和度數(shù)據(jù)進(jìn)行含水合物沉積物強(qiáng)度參數(shù)演化規(guī)律分析時，誤差可能被成倍放大，橫向可比較性降低。因此目前需要建立統(tǒng)一的、適用于含水合物沉積物三軸剪切試驗(yàn)的水合物飽和度測試方法，或者對不同測試方法得到的結(jié)果進(jìn)行修正和比對，得出不同測量方法預(yù)測結(jié)果間的定量關(guān)系。

2.7剪切速率的差異

李洋輝（2012）等［19］研究了含冰水合物沉積物試樣在剪切速率分別為1mm/min、0.1mm/min、0.5mm/min時的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明含水合物沉積物試樣的破壞強(qiáng)度隨著剪切速率的增大而增大。因此剪切速率是影響含水合物沉積物三軸強(qiáng)度參數(shù)差異的重要因素之一。

目前研究文獻(xiàn)中控制剪切速率的方法主要有兩種：一種是控制三軸儀的推進(jìn)速度，單位是mm/min；另一種是控制三軸儀的施壓過程中試樣的應(yīng)變速率，單位是％/min。如果已知含水合物沉積物試樣高度，則兩者之間可以相互轉(zhuǎn)化：

其中：h為試樣高度，mm；νmm為用三軸儀推進(jìn)速度表示的剪切速度，mm/min；ν％為用試樣應(yīng)變率表示的剪切速度，％/min。

也有部分含水合物沉積物三軸剪切儀采用手搖泵對試樣加載［30-31］，這種方法操作簡便，其缺點(diǎn)是無法精確控制剪切速率，因此其研究成果無法定量表述加載速率對含水合物沉積物強(qiáng)度性質(zhì)的影響。

2.8試驗(yàn)溫度的差異

試驗(yàn)溫度是影響含水合物沉積物強(qiáng)度性質(zhì)的重要參數(shù)。國內(nèi)李洋輝等（2011，2012）［19-20］、于峰等（2011）［21］針對凍土區(qū)含水合物沉積物，研究了溫度低于冰點(diǎn)溫度時含水合物沉積物的力學(xué)參數(shù)隨試驗(yàn)溫度的變化規(guī)律。研究表明，在0℃以下時，含水合物沉積層強(qiáng)度隨著溫度的降低線性增加，且試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈應(yīng)變硬化型，未出現(xiàn)明顯峰值。

目前國內(nèi)尚無海洋水合物沉積物（溫度在0℃以上）的強(qiáng)度參數(shù)隨溫度變化規(guī)律的公開報(bào)道。由于設(shè)備承壓等條件的限制，針對海洋含水合物沉積物的三軸模擬試驗(yàn)溫度基本上控制在2℃或1℃左右。然而，我國南海海域含水合物儲層，特別是神狐海域水合物儲層，平均溫度13～16℃，溫度差異導(dǎo)致目前的室內(nèi)研究成果與實(shí)際工程參數(shù)可能存在較大差異，因此室內(nèi)研究成果的礦場指導(dǎo)意義有待商榷。

為此，需要進(jìn)行系列試驗(yàn)，驗(yàn)證冰點(diǎn)以上溫度條件下含水合物沉積物強(qiáng)度參數(shù)隨試驗(yàn)溫度的變化規(guī)律，并根據(jù)我國海域水合物資源試采區(qū)域的地質(zhì)條件合理選擇其他試驗(yàn)參數(shù)，才能為試采工程設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

上述諸因素的差異是導(dǎo)致目前含水合物沉積物三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果通用性差、對工程實(shí)踐指導(dǎo)意義不大的主要原因。為了增強(qiáng)發(fā)表文獻(xiàn)的參考性，建議不同研究者在發(fā)表其研究成果中公布制樣方法、水合物合成介質(zhì)、沉積物本身固結(jié)程度、沉積物粒度分布、試樣規(guī)格、飽和度測量方式、剪切速率、試樣溫度等全部數(shù)據(jù)。

為了對我國海洋水合物試采工程提供科學(xué)參考，必須綜合各家所長，建立統(tǒng)一的含水合物沉積物力學(xué)參數(shù)測試模式和測試標(biāo)準(zhǔn)，從制樣方式、氣體類型、沉積物粒度、試樣尺寸等多方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，才能建立行之有效的、較為通用的強(qiáng)度參數(shù)演化模型。另外，引入數(shù)值試驗(yàn)的方法［32］，利用離散元、有限元等方法，將物理試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)合，也是解決目前技術(shù)瓶頸的有效途徑之一。

3　結(jié)論與建議

（1）目前對水合物沉積物三軸強(qiáng)度參數(shù)演化規(guī)律的共識停留在定性層面，定量分析層面仍存在不同研究結(jié)果橫向?qū)Ρ刃圆睢⒏鹘?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ推者m性差、室內(nèi)研究成果對礦場實(shí)踐指導(dǎo)性弱等關(guān)鍵科學(xué)問題。制樣方法、水合物合成介質(zhì)、沉積物本身固結(jié)程度、沉積物粒度分布、試樣規(guī)格、飽和度測量方式、剪切速率、試樣溫度等的差異是導(dǎo)致上述關(guān)鍵科學(xué)問題的原因。

（2）為了增強(qiáng)研究成果的應(yīng)用價值，建議發(fā)表含水合物沉積物三軸測試相關(guān)的研究成果的同時一并公布結(jié)論（1）中涉及的全部參數(shù)。建立水合物沉積物三軸試驗(yàn)相關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和測試規(guī)程已迫在眉睫，只有建立統(tǒng)一的含水合物沉積物力學(xué)參數(shù)測試模式和測試標(biāo)準(zhǔn)，從制樣方式、氣體類型、沉積物粒度、試樣尺寸等多方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，才能建立行之有效的、較為通用的強(qiáng)度參數(shù)演化模型。

（3）引入離散元、有限元等數(shù)值試驗(yàn)方法，將物理試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)合，是解決目前技術(shù)瓶頸的有效途徑。

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Key Issues for Triaxial Test of Hydrate-Bearing Sediment

LI Yan-long1，2，3， LIU Chang-ling2，3， LIU Le-le2，3， HUANG Meng2，4，SUN Jian-ye2，3， LI Cheng-feng2，3
（1.Key Laboratory of Gas Hydrate， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；2.Laboratory for Marine Mineral Resources， Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology， Qingdao 266071，Shandong， China； 3.The Key Laboratory of Gas Hydrate， Ministry of Land and Resources， Qingdao Institute of Marine Geology， Qingdao 266071， Shandong， China； 4.Ocean University of China， Qingdao 266100， Shandong， China）

Triaxial test is one of the effective and direct ways to obtain strength parameters of hydrate-bearing sediments.Current researches have reached consensuses on some scientific issues， but there are still many critical problems left to be discussed.Extensive literature investigation shows that different research results are profoundly different， empirical models can’t be used universally because of lacking of unified testing standard or method.There is still a gap between experimental results and mineral conditions.Difference of sample preparation method， particle size distribution， degree of consolidation， test temperature， shearing rate， gas type， hydrate saturation decision method and sample size are critical factors lead to the above problems.Thus， in order to strengthen guiding significance of test result， detailed experimental conditions and test method should be announced when publishing research papers.What’s more， establishing a unified testing standard and method is extremely urgent for triaxial test of hydrate-bearing sediment.

gas hydrate； hydrate-bearing sediment； triaxial test； mechanical property； strength parameter

TK01；TE53

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.04.004

2095-560X（2016）04-0279-07

2016-05-03

2016-05-28

國家自然科學(xué)基金（41606078，41376078，11402131）；中國科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（Y607ke1001）

劉昌嶺，E-mail：qdliuchangling@163.com

李彥龍（1989-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事水合物開采相關(guān)的力學(xué)問題及出砂與防砂模擬研究。

劉昌嶺（1966-），男，博士，研究員，主要從事天然氣水合物模擬試驗(yàn)相關(guān)的研究工作。