自然界中的天然气水合物(以下简称水合物)作为一种新型的非常规能源,具有能量密度高,分布范围广,资源储量大的特点。进入二十一世纪以来,随着人类能源需求的日益增加以及化石能源的逐渐减少,人们将目光投向了这一充满潜力的优质清洁能源,水合物商业化开发步伐不断加速。2017年我国已正式将水合物列为第173个矿种。此外,天然气水合物作为全球碳循环的有机组成部分,对全球气候和环境变化有着巨大的影响。因此,水合物已成为地球科学和能源领域的研究热点。尽管世界各国包括美国、日本、加拿大、德国、韩国、印度和中国等国对其进行了大量研究,但如何安全高效长期开发水合物仍面临巨大的挑战。其中安全风险问题是最主要的挑战之一,包括钻井和生产过程中的井壁垮塌、出砂、地层沉降以及诱发地质灾害和甲烷泄漏等问题。要解决上述问题,就需要准确掌握水合物系统力学特性及其行为规律,这是水合物能否高效持续开采的基础。因此,本文采用实验测试、微观观测和理论分析结合的方式,利用改造的实验设备测试了含水合物沉积物试样(以下简称水合物沉积物)静、动力学性能,分析了实际工程条件下水合物沉积物力学性质的演化规律。结合CT观测初步厘清了水合物沉积物的微观结构,并采用理论推导建立了水合物沉积物静、动力学性质之间的关联,服务于工程实际应用。全文共分六个章节。第一章介绍了水合物的概念及发展简史,说明水合物的能源与环境影响,引出研究目的和意义,并对国内外水合物沉积物力学性质研究现状进行了概括总结,分析了研究不足和问题。最后阐述了论文的主要研究内容,研究目标以及技术路线。第二章采用水合物沉积物直剪仪,测试了模拟试样大应变条件下的静力学性质,分析了水合物分解前后,不同地质环境因素对水合物沉积物试样强度、粘聚力和摩擦角等静力学指标的影响。第三章采用水合物沉积物共振柱仪和波速测量设备,测试了模拟试样小应变条件下的动力学性质,分析了不同水合物状态和模拟地层条件对水合物沉积物试样波速(模量)、衰减系数(阻尼)等动力学指标的影响。第四章采用水合物沉积物X-ray CT扫描仪,测试了模拟试样内部微观孔隙结构,分析了不同实验条件对水合物沉积物试样内部结构的影响。第五章通过岩石物理模型和摩尔-库伦准则分别建立了沉积物中水合物饱和度-波速响应公式和水合物饱和度-强度响应公式,推导了基于波速的储层强度预测模型,结合现场声波测井和原位强度测试配套数据进行了可靠性验证。第六章总结了论文研究的主要结论和认识,指出不足以及今后的改进方向。通过上述研究工作,主要得出以下结论和认识:(1)水合物沉积物的静力学性质主要由水合物微观形貌决定,进一步受沉积物骨架类型和水合物分布状态的影响。随水合物饱和度增加,试样峰值和残余强度均随之增加,剪胀趋势更明显,更容易发生脆性破坏。但试样峰值和残余强度增加的主要贡献分别来源于粘聚力提高和摩擦角增大。砂土试样的粘聚力随水合物饱和度增加呈线性增长,而粉土试样随之呈指数性增长;砂土试样的摩擦角随水合物饱和度增加先增加后保持稳定,而粉土试样随之先增加后减小。(2)本文室内分解环境下,随水合物分解时间增加,试样的分解剩余强度呈指数下降,最后和不含水合物试样强度相当。同等对比条件下,粉土试样的分解剩余强度比砂土试样的分解剩余强度低。同时,初始水合物饱和度高的试样在同等条件下分解的水合物量可能更少,其对应的分解剩余强度损失比例也更低。而分解方法对试样力学行为的影响在有限的对比测试中差异暂不明显。(3)水合物沉积物的动力学性质也依赖水合物的作用。共振柱测试显示试样的剪切模量和阻尼均随水合物饱和度增加而增加;阻尼的异常增加可能与试样骨架颗粒表面未转化水引起的能量耗散有关。同时,水合物饱和度增加,应力敏感参数表明试样模量主要受水合物影响而独立于应力变化,剪切模量衰减曲线则表明试样模量受应变变化影响更显著。此外,波速测试显示试样动力学性质随水合物形成和分解而显著变化。波速和衰减系数均随水合物饱和度增加而增加,而泊松比则随之下降。(4)试样孔隙结构及水合物分布受诸多因素影响。温度压力路径包括冷冻过程,决定水合物形成中的水分迁移。由于有效散热边界的影响,先降温后加压合成的水合物倾向于在反应釜边缘优先成核生长;而粗粒沉积物试样中细颗粒的存在有利于抑制水分迁移。纯细粒沉积物试样由于传热传质原因限制了水合物转化率,不同含水量也会带来水合物分布特征和含量上的差异。此外,混合顺序可改变试样中各相的初始形貌,进而影响水合物分布。(5)根据水合物分布模式,基于岩石物理模型和摩尔-库伦准则推导出了便于工程应用的水合物沉积物波速-强度关联模型=(1-(1[?(6??6)8)/??]+?2,这一半经验公式结合现场测井获得的储层波速和压力参数,可对储层力学强度进行初步估算。考虑水合物孔隙习性后,也可应用于不同的水合物储层环境。在力学测试不易实现或不可用时,这一模型为现场评价储层力学强度提供了极大的便利。