**章绪论
**节天然气水合物开采概述
天然气水合物（natural gas hydrate）是在一定条件下由非极性的烃类、二氧化碳及硫化氢等气体小分子与水组成的固体结晶物质，是一种非化学计量型的晶体化合物（Sloan，1998）。天然气水合物可以看作由水分子形成的空间笼形结构和充填于笼形结构中的气体分子组成，主要分为Ⅰ型、Ⅱ型和H型三种结构。自然界中，天然气水合物主要分布在陆地的永久冻土带和一定水深（＞300m）的海底沉积物中，以甲烷水合物为主。
天然气水合物被认为是一种巨大的高效清洁能源。据估计，全球天然气水合物的资源量中有机碳含量相当于全球已探明化石燃料（煤炭、石油、天然气等）的两倍。天然气水合物分布范围广，资源量巨大，能量密度高，是有望成为满足未来人类能源需求的高效清洁能源。然而，天然气水合物尤其是海域天然气水合物的成藏条件复杂，且以固态形式存在，其开采面临着许多技术难题。目前，天然气水合物的开采仍处于实验和探索阶段。如何形成高效安全的天然气水合物开采方式，是天然气水合物开采中急需解决的关键基础问题。
目前天然气水合物开采方法主要有四种，分别是：①降压法；②热激法；③注化学抑制剂法；④CO2置换法。四种方法均是从天然气水合物的相平衡*线出发，通过不同手段将天然气水合物从相平衡*线的稳定区域改变为不稳定区域，使天然气水合物分解产生天然气，收集天然气以达到开采的目的。除从改变相平衡角度提出的开采方法外，井型也是影响天然气水合物开采产能的重要因素。井型主要是从增大天然气水合物开采过程中泄油面积从而实现高效开采的方面来考虑。开采方法和井型均是可以人为控制的因素，而天然气水合物的储层特征是固有属性，是决定开采产能*重要也是*直接的因素。不同的储层特征需要使用不同的开采方法和开采井型，从而达到安全高效开采的目的。表1.1是目前国际上已经进行的水合物试采情况。可以看出，降压法是目前天然气水合物开采*为有效的方法，但总体上天然气水合物的开采效率仍然较低，其中产量*高的是中国在2020年南海神狐海域进行的天然气水合物试采，30天共生产约86.14万m3的天然气，日产约2.87万m3。
从历次天然气水合物试采结果来看，目前，天然气水合物开采面临的主要问题有两方面：一是产量比较低，还达不到商业化开采的产量要求；二是开采存在地层和井筒失稳，以及井筒出砂等工程地质问题。开采过程中的出砂问题已经在本丛书的卷五《海洋天然气水合物开采出砂管控理论与技术》中专门讨论，本书则关注天然气水合物开采过程中的储层稳定性问题。
第二节天然气水合物开采面临的力学稳定性问题
从天然气水合物开采过程来看，可能存在的力学稳定性问题主要包括以下几个方面（吴能友等，2024）：①钻井过程由于钻井扰动引起井壁稳定性问题；②开采地层变形与破坏引起地层稳定性问题；③开采引起的海底沉降与变形威胁海底管道及工程设施的安全；
④天然气水合物长周期开采过程中引起的海底大面积滑坡。以上四个方面的力学稳定性问题涵盖了天然气水合物开采的整个生命周期，其影响范围也依次逐渐扩大。
一、天然气水合物开采钻井井壁稳定性
地下岩层或者天然气水合物层的骨架与孔隙中的流体在钻井前保持平衡状态，钻井后井壁的地层岩石的支撑力就会丧失，如果井壁的强度较弱，则可能发生失稳垮塌（宁伏龙，2005）。对于水合物储层来说，原始状态下水合物处于稳定状态，但钻井过程中钻井液的温度和压力变化可能导致储层中的水合物发生分解，这样原本水合物对储层的胶结和支撑作用将消失，进一步加剧了井壁失稳和垮塌的风险。此外，水合物分解会产生水和气体，并且会发生温度变化，这些变化会对钻井液的性能（黏度、密度、稳定性）等产生影响，进而影响井壁的稳定性。
钻井井壁稳定性研究的核心是钻井液的密度窗口。钻井液密度过大，井筒内的内压力过大，施加在井壁上的荷载超过地层强度的极限，井壁发生破坏。钻井液密度过小，则其对井壁的支撑力不够，井壁会发生垮塌。钻井液的密度窗口是确保井壁不发生破坏的钻井液密度范围（图1.1）。对于水合物储层来说，温度对井壁稳定性也有较大的影响。近年来，有学者提出了钻井液密度和温度双窗口的概念（李庆超，2023）。
图1.1钻井液密度窗口示意图
二、天然气水合物开采过程中的井筒与地层稳定性
钻井过程中的井壁稳定性主要是原始地层受钻井过程与钻井液扰动的力学问题。当开采天然气水合物时，井筒已经完成了套管下入和固井等操作，由于开采过程中孔隙压力变化、水合物分解等因素，储层变形和破坏可能产生两方面的影响：一是井周地层变形和应力变化可能导致井筒套管变形甚至破坏（黄帅，2024；图1.2）；二是地层变形甚至破坏使得原本胶结的沉积物颗粒成为自由状态，并且在流体携带作用下流入井筒从而出砂（宁伏龙等，2020a，2020b；图1.3）。含水合物沉积物在开采前由孔隙压力和沉积物颗粒间的有效应力共同承担外界荷载，处于稳定状态。降压法通过降低孔隙压力使水合物分解，以及孔隙压力降低引起沉积物颗粒间的有效应力增加。由于海域水合物沉积物的胶结差、强度低，有效应力增加可能会超过地层强度，导致地层变形甚至破坏。并且水合物在沉积物颗粒间起胶结作用，水合物分解降低了地层强度，又进一步加大了储层失稳的风险。
图1.2天然气水合物开采时井筒稳定性（Long et al.，2014）
图1.3天然气水合物开采时应力作用引起出砂（宁伏龙等，2020b）
三、天然气水合物开采引起海底沉降
天然气水合物开采可能引起的另一个力学稳定性问题是海底沉降（图1.4）。海底沉降的原因与井筒和地层失稳的原因相同，主要是由于天然气水合物开采时孔隙压力降低及地层强度下降导致储层变形。井筒和地层失稳主要从力学荷载超过材料强度的角度分析，而海底沉降则主要从变形量来分析问题。即使地层的荷载不超过其力学强度，地层没有发生强度破坏，但如果变形量过大，同样也会带来安全问题。当沉降量较大且出现不均匀沉降时，井口设施和海底管道的安全将受到威胁。相较于井筒与储层稳定性，水合物开采引起的海底沉降主要关注远离井筒的海底区域，以及由海底沉降引起的其他工程安全问题。
图1.4天然气水合物开采引起地层及海底沉降（万义钊等，2018）
四、长周期开采引起海底滑坡
天然气水合物在沉积物中起胶结作用，会增强沉积物强度。当水合物受到扰动发生分解后，一方面会降低沉积物强度，另一方面分解产生的气体和水也会增大孔隙压力，进一步降低胶结强度。当含水合物沉积物的坡度较大时，水合物的分解使得沉积物的抗剪强度和承载力降低，在沉积物自身重力的作用下，可能发生海底滑坡（刘锋，2010）。上述过程中水合物的分解既可以是人为因素（如开采等）引起的，也可以是自然因素（海平面下降或气候变暖）。对于水合物开采来说，降压法通常不会引起孔隙超压，可能造成海底滑坡的主要原因是水合物分解导致地层强度下降，而热激法或者注化学抑制剂法可能引起孔隙超压。海底滑坡通常规模较大，只有在长周期开采、水合物大范围分解的情况下才有可能发生。
第三节天然气水合物开采工程地质风险研究进展与展望
围绕天然气水合物开采的地层力学失稳与出砂等工程地质风险，作者团队提出了海洋天然气水合物工程地质学（吴能友等，2024）。其基本学科科学问题可以归结为以下四个方面：①海洋天然气水合物系统的工程力学性质及其演变机理；②海洋天然气水合物系统中的多物理场耦合特征及其主控因素；③海洋天然气水合物开发活动诱发的工程地质风险及其调控原理；④自然条件扰动背景下海洋天然气水合物系统的地质灾害诱发因素及其演化机理。
一、海洋天然气水合物系统的工程力学性质与其演变机理
海洋天然气水合物系统的工程力学性质直接决定了工程地质风险的类型和规模，更直接影响着天然气水合物勘探开发工程的设计、实施、运行与维护方案的选择。因此，了解海洋天然气水合物系统的工程力学性质，深入理解其演变机理，是一切与海洋天然气水合物系统相关的工程地质风险/灾害预测与调控的总开关，也是海洋天然气水合物工程地质学的重要学科方向之一。海洋天然气水合物储层的上覆地层和下伏地层通常都是未固结成岩的松散沉积物，其力学性质主要决定于应力历史、沉积物类型、沉积历史等。相较而言，海洋天然气水合物储层的力学性质影响因素更多、演变行为更加复杂。目前，海洋天然气水合物储层的工程力学性质研究主要集中在静力学特征和蠕变变形两个方面。
海洋天然气水合物储层的变形行为因加载模式和荷载大小的改变而改变。在储层的弹性力学研究中，主要通过构建水合物饱和度、有效围压等条件与剪切波速和压缩波速的关系，通过经验公式或物理推导得到储层的剪切模量、阻尼比等力学参数（Guler and Afacan，2021；Liu et al.，2020）。已有研究结果表明，海洋天然气水合物储层的剪切强度随水合物饱和度与有效围压的升高而升高；在较高的有效围压条件下，海洋天然气水合物储层更多地表现为应变硬化，而水合物高饱和度储层更易发生脆性破坏（Li et al.，2021；Yang et al.，2019）。储层的内聚力受储层水合物饱和度的调控，而内摩擦角则受水合物饱和度影响较小（Xu et al.，2023）。与此同时，储层的抗剪强度也受沉积物颗粒尺寸、矿物组成等影响（Choi et al.，2018）。储层的剪切破坏是内部颗粒翻滚、滑移共同作用的结果（李彦龙等，2020）。在储层的塑性力学研究中，主要研究沉积物颗粒在大应变条件下的颗粒级配变化与残余应力变化的关联（Kimura et al.，2015）。研究表明，剪切后储层渗透性的降低是由于剪切带内颗粒破碎后的孔隙度降低和颗粒尺寸减小共同引起的（Kimura et al.，2019，2014）。
天然气水合物开采过程中，实际储层的破坏过程在很大程度上属于长期荷载作用下的缓慢变形和破坏，本书将这种长期荷载作用引起的储层变形定义为蠕变（吴能友等，2021）。值得注意的是，由于天然气水合物开采过程中储层内部物质实际上处于动态调整状态，因此本书所指的蠕变与传统工程力学中所指的材料蠕变不完全一致。海洋天然气水合物储层的基本地质特征决定了天然气水合物开采过程中储层蠕变行为的发生具有其必然性（Hu et al.，2022；Li et al.，2016）。但是相较于静力学特征，目前对天然气水合物储层蠕变破坏行为的认识还较为初步，如一定应力条件下，部分实验结果显示储层并不会出现初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三个完整过程，而部分研究则比较完整地观察到了上述三个变形过程。另外，水合物本身也具有一定的蠕变特性（Yoshimoto and Kimoto，2022）。因此，海洋天然气水合物储层的整体蠕变行为是水合物颗粒、沉积物颗粒以及其界面相互作用（Li et al.，2022）和孔隙中流体运移共同作用的结果，非线性特征明显，是典型的复合介质蠕变力学问题。总之，静力学特征和蠕变变形行为是海洋天然气水合物系统工程力学研究的两条基本主线。对于天然气水合物储层而言，目前的研究在一定程度上是对实际储层力学特性在解耦条件下的探讨，未来仍需遵循系统工程的思想开展天然气水合物储层工程力学特性的耦合重构研究（如变形行为与渗流行为的关联、变形行为与泥砂输运行为的关联等）。其中，*为关键的是静力学特征和蠕变变形行为的耦合与统一。建立能够同时体现水合物、沉积物及其界面作用的储层强度参数和变形行为预测本构模型，是该领域的重大科学挑战。
二、海洋天然气水合物系统中的多物理场耦合特征及其主控因素
海洋天然气水合物系统存在剧烈的多场耦合行为。如在近海底地层中，深部气体向上的迁移活动、底流作用导致的海水与沉积物孔隙水交换等都会引起地层压力场、温度场、应力场的改变，进而直接控制海洋天然气水合物系统的浅层工程地质风险演化；对于海洋天然气
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