南海北部深水淺層天然氣水合物儲(chǔ)層力學(xué)特性試驗(yàn)及強(qiáng)度準(zhǔn)則建立*

張懷文 程遠(yuǎn)方 李夢(mèng)來，2 韓修廷，3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 山東青島 266580；2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院） 重慶 400042； 3.大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)發(fā)展部 黑龍江大慶 163453）

南海北部深水淺層天然氣水合物儲(chǔ)層力學(xué)特性試驗(yàn)及強(qiáng)度準(zhǔn)則建立*

張懷文1程遠(yuǎn)方1李夢(mèng)來1，2韓修廷1，3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 山東青島 266580；2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院） 重慶 400042； 3.大慶油田有限責(zé)任公司技術(shù)發(fā)展部 黑龍江大慶 163453）

我國(guó)南海北部海域蘊(yùn)藏有豐富的天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）資源，但目前針對(duì)水合物儲(chǔ)層的力學(xué)特性研究較少，也缺乏相應(yīng)的儲(chǔ)層強(qiáng)度判定準(zhǔn)則。通過模擬我國(guó)南海北部水合物儲(chǔ)層的地質(zhì)條件，根據(jù)淺部地層特點(diǎn)制作黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層巖樣，進(jìn)行了不同天然氣水合物飽和度、有效圍壓條件下的三軸力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明：水合物儲(chǔ)層的抗壓峰值強(qiáng)度隨水合物飽和度增加而增加，但水合物飽和度對(duì)巖樣的剛度和泊松比影響不明顯；水合物儲(chǔ)層的抗壓峰值強(qiáng)度和彈性模量隨有效圍壓增大而線性增大，但增加幅度逐漸減小，而泊松比受有效圍壓影響沒有明確的函數(shù)關(guān)系；黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯的壓密階段和抗壓峰值強(qiáng)度，彈性階段較短，屈服階段較長(zhǎng)，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了適用于南海北部的黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度準(zhǔn)則，可計(jì)算不同有效圍壓、水合物飽和度情況下的儲(chǔ)層內(nèi)聚力，進(jìn)而預(yù)測(cè)不同條件下的儲(chǔ)層抗壓強(qiáng)度，從而為我國(guó)南海北部水合物儲(chǔ)層勘探開發(fā)過程中地層力學(xué)穩(wěn)定對(duì)策的制定奠定理論基礎(chǔ)。

天然氣水合物；南海北部；黏土質(zhì)粉砂巖；三軸力學(xué)試驗(yàn)；力學(xué)特性；強(qiáng)度準(zhǔn)則

天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）是具有良好前景的重要后續(xù)能源，具有分布廣、資源量大、能量密度高和無污染等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。水合物的高壓低溫存賦條件使其主要分布在深水海底沉積物及高緯度大陸地區(qū)永久凍土帶和極地陸架海［4-5］。水合物儲(chǔ)層的物理力學(xué)性質(zhì)具有很強(qiáng)的地區(qū)特性，而原位取心測(cè)試難度大、成本高，取心后保存技術(shù)要求高，無法廣泛大量開展［6］。對(duì)于水合物賦存地層物理力學(xué)性質(zhì)的研究多數(shù)是利用室內(nèi)制備含水合物巖土試樣進(jìn)行，但是在研究中必須考慮研究區(qū)的地質(zhì)條件和水合物成藏機(jī)制［7］，所得測(cè)試結(jié)果才具有良好的適用性，而目前針對(duì)我國(guó)南海北部水合物儲(chǔ)層的物理力學(xué)特性研究較少。

魏巍等［8］基于南海水合物遠(yuǎn)景區(qū)的樣品沉積物分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合性區(qū)域深水淺表地層工程地質(zhì)研究，利用雙端排水有側(cè)限垂向壓縮實(shí)驗(yàn)獲取了深水淺表地層的壓縮模量和壓縮系數(shù)，同時(shí)利用靜態(tài)三軸實(shí)驗(yàn)和直接剪切實(shí)驗(yàn)對(duì)地層抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了特征分析。盧靜生等［9］利用取自我國(guó)南海含水合物地層的砂粒在室內(nèi)重鑄巖樣并人工生成水合物，在20 MPa圍壓、17～19 MPa孔隙壓力條件下進(jìn)行了室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：圍壓增大，軸向偏應(yīng)力最大值增大；孔隙壓力增大，含水合物試樣強(qiáng)度降低。石要紅等［10］以南海水合物區(qū)域的海底粉質(zhì)黏土作為骨架制備含水合物沉積物樣品，并對(duì)其進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)研究，獲得了水合物分解前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度特性。上述研究主要集中在模擬試驗(yàn)現(xiàn)象分析，并沒有建立水合物儲(chǔ)層的強(qiáng)度判定準(zhǔn)則。而在水合物藏勘探開發(fā)過程中，儲(chǔ)層的溫壓條件改變以及相平衡關(guān)系變化很容易使水合物分解，導(dǎo)致復(fù)雜的井眼問題與嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)［11-12］，所以開展針對(duì)南海北部水合物儲(chǔ)層的力學(xué)特性分析并建立相應(yīng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則具有重要意義。筆者通過模擬南海北部黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層及其所處條件開展力學(xué)特性研究，并建立適用于南海北部的黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度準(zhǔn)則，以期為我國(guó)南海北部水合物儲(chǔ)層勘探開發(fā)過程中地層力學(xué)穩(wěn)定相關(guān)對(duì)策的制定奠定理論基礎(chǔ)。

1 南海北部深水淺層水合物儲(chǔ)層地質(zhì)概述

中國(guó)國(guó)土資源部地質(zhì)調(diào)查局于2007年5月在南海北部神狐海域1 200多米深水3個(gè)站位鉆遇水合物地層，并首次成功獲取了水合物實(shí)樣［2］，于2013年在珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度天然氣水合物，證實(shí)了我國(guó)南海北部海域蘊(yùn)藏有豐富的水合物資源，并于2017年5月成功試采。周守為等［13-15］首次提出了天然氣水合物固態(tài)流化試采技術(shù)，并于2017年5月成功進(jìn)行了試采。神狐海域位于珠江口盆地南部白云凹陷主洼之內(nèi)，水深由北向南逐漸增加，在500～1 500 m之間。神狐探區(qū)的水合物取心作業(yè)水深在1 200 m以上，水合物位于海底以下153～229 m，厚度為10～43 m，實(shí)測(cè)水合物取心層段的平均地溫為14.37℃，泥線下平均地溫梯度45℃/km，按照靜水壓力計(jì)算地層壓力超過10 MPa，巖樣水合物飽和度在20%以上，最高可達(dá)47.3%，主要是I型甲烷水合物，以均勻分散狀態(tài)成層分布在未固結(jié)的細(xì)粒黏土或沙質(zhì)黏土中［16-19］。

2 黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層力學(xué)特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

采用中國(guó)石油大學(xué)（華東）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)設(shè)計(jì)的天然氣水合物物理力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括水合物原位合成系統(tǒng)、低溫巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)、巖心制備和物性測(cè)量?jī)x器。該系統(tǒng)將沉積物合成系統(tǒng)與三軸力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)嵌套在一起，能夠更加有效地避免試驗(yàn)過程中水合物分解［6］。水合物原位生成系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水合物原位生成系統(tǒng)示意圖Fig.1 In-situ synthesized apparatus for hydrates sediment

為了更好地模擬南海北部深水淺層黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層的真實(shí)地質(zhì)情況，所選用的試驗(yàn)方案為：將膨潤(rùn)土與覆膜砂按質(zhì)量比1∶3混合，依靠膨潤(rùn)土的黏性和壓實(shí)使巖樣成形，形成未固結(jié)的儲(chǔ)層骨架。首先利用模具制作黏土質(zhì)粉砂巖巖樣，使用水合物原位生成系統(tǒng)制作水合物飽和度巖樣，然后進(jìn)行原位三軸力學(xué)試驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄巖心的力學(xué)參數(shù)變化情況。巖樣制作過程詳見參考文獻(xiàn)［6，20］。試驗(yàn)選用的覆膜砂粒徑為0.01～0.60 mm，甲烷氣純度為99.9%。試驗(yàn)條件和巖樣基本數(shù)據(jù)見表1。

2.2 水合物巖樣用水量的確定

水合物原位生成采用“水定量，氣過量”法進(jìn)行，即巖樣孔隙中含水量一定，在水合物生成的溫壓條件下，通入過量氣體使所有孔隙水生產(chǎn)天然氣水合物，以此達(dá)到要求的天然氣水合物飽和度。

甲烷氣與水生成水合物的化學(xué)反應(yīng)式為

式（1）中：n為反應(yīng)系數(shù)，取5.75。

制作特定水合物飽和度巖樣所需的水量用以下公式確定：

式（2）中：MH2O為水的分子量；MCH4為甲烷氣的分子量；ρH為水合物密度，g/cm3；φ為巖樣孔隙度，%；V為巖樣體積，cm3；SH為巖樣的水合物飽和度，%。

表1 試驗(yàn)條件和巖樣基本數(shù)據(jù)Table 1 Experiment conditions and basis data of core samples

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行原位三軸力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)南海北部的地質(zhì)數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)的圍壓分別設(shè)為0.5、1.0、3.0、5.0 MPa，并將冷庫(kù)中的溫度設(shè)定在2℃，這樣可以消除溫度對(duì)水合物性質(zhì)的影響，亦可以消除結(jié)冰對(duì)水合物的影響。試驗(yàn)加載采用位移控制方式，以0.25 mm/min加載速率進(jìn)行軸向載荷加載，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 黏土質(zhì)粉砂巖樣峰值強(qiáng)度與水合物飽和度關(guān)系Fig.2 Relationship between peak strength of muddy siltstone and hydrate saturation

圖3 黏土質(zhì)粉砂巖樣峰值強(qiáng)度與有效圍壓關(guān)系Fig.3 Relationship between peak strength of muddy siltstone and effective confining pressure

圖4 黏土質(zhì)粉砂巖樣彈性模量與水合物飽和度關(guān)系Fig.4 Relationship between Young’s modulus of muddy siltstone and hydrate saturation

圖5 黏土質(zhì)粉砂巖樣泊松比與水合物飽和度關(guān)系Fig.5 Relationship between Poisson’s ration of muddy siltstone and hydrate saturation

由圖2可以看出，當(dāng)有效圍壓一定時(shí)，隨著水合物飽和度的增加，水合物儲(chǔ)層的抗壓峰值強(qiáng)度不斷增加，兩者關(guān)系呈近似線性變化。這是因?yàn)?，巖樣顆粒通常會(huì)將與之接觸的游離氣泡束縛住，而氣泡周圍形成的水合物極易將沉積物顆粒粘結(jié)起來；另一方面，以懸浮模式生成的水合物會(huì)隨著體量的增多而逐漸粘結(jié)在一起，并與接觸模式的水合物連接起來形成膠結(jié)作用［21］。水合物的膠結(jié)作用使得原本未接觸的顆粒粘結(jié)在一起或原本較微弱、松散的接觸更為結(jié)實(shí)，增加了水合物儲(chǔ)層的峰值強(qiáng)度。

由圖3可以看出，當(dāng)水合物飽和度一定，隨著有效圍壓的增加，水合物儲(chǔ)層的抗壓峰值強(qiáng)度不斷增加，但有效圍壓增加所引起的水合物儲(chǔ)層的抗壓峰值強(qiáng)度的增加幅度隨著有效圍壓的增大而逐漸減小，這與通常所觀察到的一般巖石抗壓強(qiáng)度隨有效圍壓增大而線性增大的規(guī)律有一定的差異。但是，李洋輝等［22］在采用高嶺土模擬海底含水合物沉積物的試驗(yàn)中也觀察到了類似的現(xiàn)象，即隨著有效圍壓的增加，巖樣的強(qiáng)度是先增加，后持平，最后甚至降低。馬嵬等［23］也發(fā)現(xiàn)凍土中隨著有效圍壓的增大，凍土強(qiáng)度將經(jīng)歷增加、緩慢增加和急劇下降等3個(gè)階段，原因是有效圍壓增加引起了凍土內(nèi)冰晶壓融以及孔隙冰的膠結(jié)、充填等強(qiáng)化作用減弱，還增加了孔隙內(nèi)的自由水，存在水合物顆粒受壓破損。另外，李洋輝等［22］的研究中含水合物沉積物制樣采用混合原料法，本文研究中采用通氣法在原位條件下形成水合物，因此可能存在另一種原因，即隨著有效圍壓的增加，原始巖樣受壓實(shí)更為致密，使得某些原來開放的孔喉轉(zhuǎn)為密閉，天然氣無法進(jìn)入，無法生成水合物，這些微結(jié)構(gòu)的變化使得水合物賦存狀態(tài)發(fā)生變化，由微結(jié)構(gòu)膠結(jié)轉(zhuǎn)為大孔道充填，強(qiáng)化作用降低。

從圖4可以看出，黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層彈性模量在0.15～0.80 GPa范圍內(nèi)變化，水合物在孔隙中的充填對(duì)儲(chǔ)層剛度略有增強(qiáng)，但并沒有明顯的函數(shù)關(guān)系。因此，對(duì)于特定儲(chǔ)層來說，其彈性模量不受水合物充填的影響。

從圖5可以看出，黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層泊松比與水合物飽和度之間不存在明確的函數(shù)關(guān)系，泊松比在0.2～0.4之間變化具有一定的隨機(jī)性。

黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖6可以看出，黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯的壓密階段，彈性階段較短，屈服階段較長(zhǎng)，在一定圍壓和水合物飽和度條件下，峰值強(qiáng)度不明顯，還表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變硬化特征。在相同有效圍壓條件下，水合物飽和度增加，儲(chǔ)層性質(zhì)向彈性發(fā)展；在同一水合物飽和度下，有效圍壓增加，儲(chǔ)層性質(zhì)向塑性發(fā)展。也就是說，有效圍壓和水合物飽和度對(duì)黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層的整體力學(xué)性質(zhì)的影響更具有“復(fù)合性”，儲(chǔ)層更具“可改造性”，在水合物藏的鉆采過程中風(fēng)險(xiǎn)性更大。

圖6 黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 Stress-strain curve of muddy siltstone hydrate reservoir

3 黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度準(zhǔn)則建立

Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則（簡(jiǎn)稱M-C準(zhǔn)則）認(rèn)為巖石的破壞既受到載荷的影響，也取決于巖石本身的性質(zhì)，巖石的破壞面是產(chǎn)生切應(yīng)力與正應(yīng)力最不利組合的平面，即破裂面的切應(yīng)力等于該平面正應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與巖石內(nèi)聚力的和，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式（3）中：τf為巖石的抗剪強(qiáng)度，MPa；C為巖石的內(nèi)聚力，MPa；f為巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)且f=tanφ，無量綱，φ為巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；σn為剪切面上的正應(yīng)力，MPa。

采用主應(yīng)力σ3對(duì)M-C準(zhǔn)則進(jìn)行描述，考慮孔隙壓力的影響，可得

式（4）中：σp為峰值強(qiáng)度，MPa；σ3為有效圍壓，MPa；σp（C）為充填引起的峰值強(qiáng)度，MPa；σp（σ3）為有效圍壓引起的峰值強(qiáng)度。

由摩爾圓法可求得不同水合物飽和度下黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果見表2。從表2可以看出，內(nèi)摩擦角不隨水合物飽和度變化而變化，而內(nèi)聚力則與水合物飽和度具有相關(guān)性，即隨著水合物飽和度的增大，儲(chǔ)層內(nèi)聚力呈非線性增大。由M-C準(zhǔn)則可知巖石的峰值強(qiáng)度與內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和有效圍壓相關(guān)，因此可以認(rèn)為水合物儲(chǔ)層的抗壓強(qiáng)度變化存在2種機(jī)理：一是水合物飽和度增加，引起儲(chǔ)層內(nèi)聚力的增加；二是有效圍壓增加，引起剪切面內(nèi)摩擦力的增加。

表2 不同水合物飽和度時(shí)黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of cohesion and internal friction angle of muddy siltstone hydrate reservoir with different hydrate saturation

由內(nèi)聚力與水合物飽和度的非線性相關(guān)性，可設(shè)由水合物充填引起的抗壓強(qiáng)度σp（C）滿足如下函數(shù)：

式（5）中：Sh為水合物的飽和度，%；C0為有效圍壓1 MPa、水合物飽和度為0時(shí)的儲(chǔ)層內(nèi)聚力，MPa；α、β為與天然氣飽和度相關(guān)的試驗(yàn)系數(shù)，無量綱，采用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到α=12.02，β=1.27。

由式（4）可知，有效圍壓增加引起的儲(chǔ)層抗壓強(qiáng)度增加是線性的。本文試驗(yàn)也得出，對(duì)于黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層來說，其抗壓強(qiáng)度隨有效圍壓升高而增加，但抗壓強(qiáng)度增速逐漸減小，呈非線性關(guān)系。因此，可設(shè)由有效圍壓引起的抗壓強(qiáng)度σp（σ3）滿足如下函數(shù)：

式（6）中：a、b、c分別為與有效圍壓相關(guān)的試驗(yàn)系數(shù)，無量綱，采用最小二乘法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到a=-0.37，b=2.22，c=-2.36。

綜合式（4）～（6），可得水合物儲(chǔ)層峰值強(qiáng)度與水合物飽和度Sh和有效圍壓σ3的函數(shù)關(guān)系為

基于所推導(dǎo)的黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度準(zhǔn)則模型，對(duì)水合物儲(chǔ)層在不同有效圍壓條件下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，取不同水合物飽和度條件下該類儲(chǔ)層的內(nèi)摩擦角平均值作為該類儲(chǔ)層的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)摩擦角，其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)摩擦角為22.88°，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，試驗(yàn)值與計(jì)算值非常接近，二者相對(duì)誤差在0.13%～2.05%之間。因此，本文推導(dǎo)的黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度準(zhǔn)則完全滿足工程需求，具有較高的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

圖7 黏土質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層峰值強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.7 Comparison of measured peak strength of muddy siltstone hydrate reservoir with calculated value

4 結(jié)論

1）水合物在地層孔隙中的充填具有膠結(jié)顆粒、支撐骨架、強(qiáng)化儲(chǔ)層的作用，水合物儲(chǔ)層的抗壓峰值強(qiáng)度隨水合物飽和度增加而增加，但水合物在孔隙中的充填對(duì)巖石的剛度和泊松比影響不明顯。

2）水合物儲(chǔ)層的抗壓峰值強(qiáng)度隨有效圍壓增大而增大，但增加幅度逐漸減小。同時(shí)，水合物儲(chǔ)層的彈性模量隨有效圍壓增大而線性增大，但泊松比所受影響具有一定的隨機(jī)性。

3）黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變曲線無明顯的壓密階段，彈性階段較短，屈服階段較長(zhǎng)，峰值強(qiáng)度不明顯，還表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變硬化特征。

4）考慮儲(chǔ)層內(nèi)摩擦角不變，引入了水合物飽和度的影響以及有效圍壓對(duì)水合物儲(chǔ)層的非線性影響，推導(dǎo)建立了黏土質(zhì)粉砂巖水合物儲(chǔ)層強(qiáng)度準(zhǔn)則，可計(jì)算不同有效圍壓、水合物飽和度情況下的儲(chǔ)層內(nèi)聚力，進(jìn)而預(yù)測(cè)不同條件下的儲(chǔ)層抗壓強(qiáng)度，從而為我國(guó)南海北部水合物藏鉆探過程中地層力學(xué)穩(wěn)定對(duì)策的制定奠定了理論基礎(chǔ)。

［1］ CHONG Z R，YANG S B，BABU P，et al.Review of natural gas hydrates as an energy resource：prospects and challenges［J］.Applied Energy，2016，162：1633-1652.

［2］ 陳月明，李淑霞，郝永卯，等.天然氣水合物開采理論與技術(shù)［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2011.CHEN Yueming，LI Shuxia，HAO Yongmao，et al.Theory and technology of natural gas hydrates development［M］.Dongyin：China University of Petroleum Press，2011.

［3］ BOSWELL R，COLLETT T S.Current perspectives on gas hydrate resources［J］.Energy＆Environmental Science，2011，4（4）：1206-1215.

［4］ SLOAN E D，KOH C.Clathrate hydrates of natural gases［M］.3rd ed.Boca Raton：CRC Press，Taylor＆Francis Group，2007.

［5］ KVENVOLDEN K A.Gas hydrates-geological perspective and global change［J］.Reviews of Geophysics，1993，31（2）：173-187.

［6］ 李令東，程遠(yuǎn)方，孫曉杰，等.水合物沉積物試驗(yàn)巖樣制備及力學(xué)性質(zhì)研究［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，36（4）：97-101.LI Lingdong，CHENG Yuanfang，SUN Xiaojie，et al.Experimental sample preparation and mechanical properties study of hydrate bearing sediments［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2012，36（4）：97-101.

［7］ 吳能友，張海啟，楊勝雄，等.南海神狐海域天然氣水合物成藏系統(tǒng)初探［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（9）：1-6.WU Nengyou，ZHANG Haiqi，YANG Shengxiong，et al.Preliminary discussion on natural gas hydrate（NGH）reservoir system of Shenhu area，north slope of South China Sea［J］.Natural Gas Industry，2007，27（9）：1-6.

［8］ 魏巍.南海中沙天然氣水合物資源遠(yuǎn)景區(qū)海底沉積物的物理力學(xué)性質(zhì)研究［J］.海岸工程，2007，25（3）：33-38.WEI Wei.Study on physico mechanical properties of bottom sediments from the Zhongsha natural gas hydrate prospective area of the South China Sea［J］.Coastal Engineering，2007，25（3）：33-38.

［9］ LU J，LI D，LIANG D.Discussion of the mechanical behavior of gas hydrate sediments based on the drilling cores from the South China Sea by tri-axial compressive test［C］.Proceedings of the 8th International Conference on Gas Hydrates，2014.

［10］ 石要紅，張旭輝，魯曉兵，等.南海水合物黏土沉積物力學(xué)特性試驗(yàn)?zāi)M研究［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，2015，47（3）：521-528.SHI Yaohong，ZHANG Xuhui，LU Xiaobing，et al.Experimental study on the static mechanical properties of hydratebearing silty-clay in the South China Sea［J］.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2015，47（3）：521-528.

［11］ NIMBLETT J N，SHIPP R C，STRIJBOS F.Gas hydrate as a drilling hazard：examples from global deepwater settings［R］.OTC 17476，2005.

［12］ MASLIN M，OWEN M，DAY S，et al.Linking continental-slope failures and climate change：testing the clathrate gun hypothesis［J］.Geology，2004，32（1）：53-56.

［13］ 周守為，陳偉，李清平.深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開采技術(shù)［J］.中國(guó)海上油氣，2014，26（5）：1-7.ZHOU Shouwei，CHEN Wei，LI Qingping.The green solid fluidization development principle of natural gas hydrate stored in shallow layers of deep water［J］.China Offshore Oil and Gas，2014，26（5）：1-7.

［14］ 周守為，李清平，陳偉，等.天然氣水合物開采三維實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)研究［J］.中國(guó)海上油氣，2016，28（2）：1-9.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2016.02.001.ZHOU Shouwei，LI Qingping，CHEN Wei，et al.Research on 3D experiment technology of natural gas hydrate exploitation［J］.China Offshore Oil and Gas，2016，28（2）：1-9.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2016.02.001.

［15］ 周守為，陳偉，李清平，等.深水淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化試采技術(shù)研究及進(jìn)展［J］.中國(guó)海上油氣，2017，29（4）：1-8.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.001.ZHOU Shouwei，CHEN Wei，LI Qingping，et al.Research on the solid fluidization well testing and production for shallow non-diagenetic natural gas hydrate in deep water area［J］.China Offshore Oil and Gas，2017，29（4）：1-8.DOI：10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.001.

［16］ 梁金強(qiáng)，王宏斌，蘇新，等.南海北部陸坡天然氣水合物成藏條件及其控制因素［J］.天然氣工業(yè)，2014，34（7）：128-135.LIANG Jinqiang，WANG Hongbin，SU Xin，et al.Natural gas hydrate formation conditions and the associated controlling factors in the northern slope of the South China Sea［J］.Natural Gas Industry，2014，34（7）：128-135.

［17］ 于興河，王建忠，梁金強(qiáng)，等.南海北部陸坡天然氣水合物沉積成藏特征［J］.石油學(xué)報(bào)，2014，35（2）：253-264.YU Xinhe，WANG Jianzhong，LIANG Jinqiang，et al.Depositional accumulation characterisrics of gas hydrate in the northern continental slope of South China Sea［J］.Acta Petrolei Sinica，2014，35（2）：253-264.

［18］ 張輝，盧海龍，梁金強(qiáng)，等.南海北部神狐海域沉積物顆粒對(duì)天然氣水合物聚集的主要影響［J］.科學(xué)通報(bào)，2016，61（3）：388-397.ZHANG Hui，LU Hailong，LIANG Jinqiang，et al.The methane hydrate accumulation controlled compellingly by sediment grain at Shenhu，northern South China Sea［J］.Chinese Science Bulletin，2016，61（3）：388-397.

［19］ 梁永興，曾濺輝，郭依群，等.神狐鉆探區(qū)天然氣水合物成藏地質(zhì)條件分析［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2013，27（2）：425-434 LIANG Yongxing，ZENG Jianhui，GUO Yiqun，et al.Analysis of natural gas hydrate accumulation conditions of Shenhu prospect［J］.Geoscience，2013，27（2）：425-434.

［20］ 孫曉杰，程遠(yuǎn)方，李令東，等.天然氣水合物巖樣三軸力學(xué)試驗(yàn)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（4）：52-57.SUN Xiaojie，CHENG Yuanfang，LI Lingdong，et al.Triaxial Compression test on synthetic core sample with simulated hydrate-bearing sediments［J］.Petroleum Drilling Techniques，2012，40（4）：52-57.

［21］ 胡高偉，李承峰，業(yè)渝光，等.沉積物孔隙空間天然氣水合物微觀分布觀測(cè)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2014，57（5）：1675-1682.HU Gaowei，LI Chengfeng，YE Yuguang，et al.Observation of gas hydrate distribution in sediment pore space［J］.Chinese Journal of Geophysics，2014，57（5）：1675-1682.

［22］ 李洋輝，宋永臣，于鋒，等.圍壓對(duì)含水合物沉積物力學(xué)特性的影響［J］.石油勘探與開發(fā)，2011，38（5）：637-640.LI Yanghui，SONG Yongchen，YU Feng，et al.Effect of confining pressure on mechanical behavior of methane hydratebearing sediments［J］.Petroleum Exploration and Development，2011，38（5）：637-640.

［23］ 馬巍，吳紫汪，盛煜.圍壓對(duì)凍土強(qiáng)度特性的影響［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1995，17（5）：7-11.MA Wei，WU Ziwang，SHENG Yu.Effect of confining pressure strength behavior of frozen soil［J］.Chinese Jounal of Geotechnical Engineering，1995，17（5）：7-11.

Tests on rock mechanics and establishment of strength criterion for gas hydrate reservoirs in the northern shallow sediments of South China Sea

ZHANG Huaiwen1CHENG Yuanfang1LI Menglai1，2HAN Xiuting1，3
（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266580，China；2Key Laboratory of Shale Gas Exploration，Ministry of Land and Resources（Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources），Chongqing400042，China；3.Department of Technical Development，Daqing Oil Field Company Ltd.，Daqing，Heilongjiang163453，China）

The northern part of South China Sea has rich deposits of natural gas hydrates.However，few studies have been made so far on the mechanical properties of gas hydrate-bearing formations in this area and hence the corresponding strength criterion lacks.Aiming at this problem，man-made muddy siltstone core samples that resemble the geological characteristics of the gas hydrate reservoirs in question have been fabricated and used in triaxial compression tests with varying effective confining pressures and hydrate saturations.It is shown that the peak strength of hydrate reservoir rocks increases with the growing hydrate saturation，but no significant impact on the stiffness and Poisson’s ratio.The peak strength also grows with the effective confining pressure，but the gain gradually decreases.The Young’s modulus of hydrate reservoir rocks presents a corresponding linear increase as the effective confining pressure grows，and no clear correlation is seen between the effective confining pressure and the Poisson’s ratio.The stress-strain curve of muddy siltstones containing gas hydrates represents a vague consolidation stage，with a short elastic stage and long yield stage.The peak strength is obscure and apparent strain hardening phenomena occurs.The strength criterion applicable to the natural gas hydrate reservoirs in South China Sea is then proposed based on the test results，which can predict the cohesion of gas hydrate-bearing formations in that area and hence estimate the compressive strength.The findings of this paper lay the theoretical foundation for engineering designs related to the exploration and exploitation of natural gas hydrate resources in the northern part of South China Sea.

gas hydrate；northern part of South China Sea；muddy siltstone；triaxial test；mechanical properties；strength criterion

張懷文，程遠(yuǎn)方，李夢(mèng)來，等.南海北部深水淺層天然氣水合物儲(chǔ)層力學(xué)特性試驗(yàn)及強(qiáng)度準(zhǔn)則建立［J］.中國(guó)海上油氣，2017，29（6）：115-121.

ZHANG Huaiwen，CHENG Yuanfang，LI Menglai，et al.Tests on rock mechanics and establishment of strength criterion for gas hydrate reservoirs in the northern shallow sediments of South China Sea［J］.China Offshore Oil and Gas，2017，29（6）：115-121.

TE21；P744.4

A

1673-1506（2017）06-0115-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.06.015

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“海洋深水油氣安全高效鉆完井基礎(chǔ)研究（編號(hào)：2015CB251201）”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海洋水合物鉆完井及安全監(jiān)測(cè)技術(shù)（編號(hào)：2016YFC0304005）”、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金“天然氣水合物開采出砂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究（編號(hào)：16CX06033A）”部分研究成果。

張懷文，男，中國(guó)石油大學(xué)（華東）在讀博士研究生，主要從事天然氣水合物鉆采中的巖石力學(xué)問題研究。地址：山東省青島市黃島區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（華東）綜合實(shí)驗(yàn)樓C207室（郵編：266580）。E-mail：zhanghw06＠163.com。

程遠(yuǎn)方，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣工程巖石力學(xué)研究。地址：山東省青島市黃島區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（華東）綜合實(shí)驗(yàn)樓C207室（郵編：266580）。E-mail：yfcheng＠upc.edu.cn。

2017-02-02改回日期：2017-08-31

（編輯：孫豐成）