基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题.因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究.考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理.研究结果表明:①离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;②不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26％和40％时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55％时,趋向于形成单一斜向剪切带;③剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;④剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;⑤水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带.研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值.