油气开发 | 海洋天然气水合物工程地质学的提出、学科内涵与展望

文摘 2024-08-02 06:41 湖北

摘要：

能源结构调整和国家“双碳”战略的实施为海洋天然气水合物作为一种潜在能源开展研究提供了难得的发展空间。随着勘探开发研究的深入，海洋天然气水合物安全高效开发面临的多种类型工程地质风险管控矛盾日益凸显，亟待发展基于现代工程地质学基本原理的海洋天然气水合物工程地质学。为此，本文阐述了天然气水合物工程地质学的提出过程，并结合国内外研究进展，论述了海洋天然气水合物工程地质学的基本学科构架、核心研究任务和主要研究手段。认为海洋天然气水合物工程地质学是海洋地球系统科学的有机组成部分，其核心目标是评估海洋天然气水合物系统的地质、工程安全承载力，并对海洋天然气水合物勘探开发提供决策支撑。海洋天然气水合物工程地质学不仅能为回答勘探开发活动与海洋天然气水合物系统之间的相互作用机制提供科学依据，也能有效地将海洋天然气水合物能源研究与地质灾害、全球气候变化研究关联起来，为实现海洋天然气水合物地质、环境、工程一体化可持续发展提供一定的理论与技术支撑。

作者|吴能友李彦龙蒋宇静孙金声谢文卫胡高伟王韧于彦江王金堂陈强申凯翔孙志文陈明涛

原题|海洋天然气水合物工程地质学的提出、学科内涵与展望

来源|地学前缘

小编|小油

→这是"油气研究前瞻"的第236篇文章

前言

天然气水合物是广泛分布于陆地永久冻土带（＜10%）和深水浅层沉积物（＞90%）中的、以固态形式存在的天然气[1]。尽管目前不同研究者对天然气水合物有机碳蕴藏量的估算结果存在巨大差异，但天然气水合物是全球最大的有机碳储库已成为共识[2]。自20世纪60年代中期被发现以来，天然气水合物在能源结构调整、全球气候变化、海洋地质灾害和环境等领域受到了极为广泛的关注。比如，以挪威为代表的北欧国家，重点关注的是天然气水合物与海底地质灾害的关系[3]；而以中、日、韩、印为代表的亚太地区国家则将天然气水合物作为潜在能源予以研究[4]；近年来，天然气水合物与全球碳循环和气候变化间的作用机理受到广泛关注。特别是对于我国而言，能源供给结构调整的需求和“双碳”国家战略的实施，为海洋天然气水合物能源研究提供了难得的发展空间。

在2017年、2020年开展的两轮天然气水合物试采工程的刺激和带动下，国内与天然气水合物勘探开发相关的研究成果如雨后春笋般涌现，研究队伍规模井喷式发展。特别是，以2017年国务院批准将天然气水合物设立为我国第173个新矿种为标志[5]，我国天然气水合物勘探开发工作进入新的发展阶段。海洋天然气水合物资源勘查开发中长期发展战略规划、技术标准规范体系建设、重大科学问题研究和技术装备研发工作的快速推进，带动了海洋天然气水合物基础研究工作，也极大地提振了全球天然气水合物能源研究的信心。然而，天然气水合物基础理论仍然很不完善，颠覆性技术手段仍未出现，已有工程实践均难以在水合物开发的经济性、安全性等方面取得实质性突破。目前，全球天然气水合物能源研究已经进入发展瓶颈期。单纯依靠研究队伍的扩充和碎片化、片面化的创新已无法解决天然气水合物这一“巨系统”中的各种复杂难题。因此，应用系统工程的基本原理和系统综合集成的最新理论，发展和创建新的学科体系，不仅是天然气水合物能源研究后备人才培养的迫切需求，更是突破当前天然气水合物发展困局、实现可持续发展的必然要求。

经历半个多世纪的发展，天然气水合物成藏理论、勘探技术都得到了较为充分的发展，带动了天然气水合物地质学、地球物理学等上游学科的发展。相较而言，由于发展历史较短、工程实践较少，天然气水合物开发工程的基本模式尚在争论中，天然气水合物开发学科体系建设较为滞后。笔者在《海域天然气水合物开采增产理论与技术体系展望》[6]一文中，初步探讨了天然气水合物开发工程学科体系建设的可能性和必要性。海洋天然气水合物开发工程学科不仅要解决如何提高产能、如何稳定产能从而降低开发成本的难题，还要实现与上游学科的有效衔接，解决如何保证工程安全、减缓地质环境负面影响等难题。特别是，随着海洋天然气水合物产业化进程的推进以及人类海洋环境地质安全意识的提升，天然气水合物能源研究将逐步从地质、开发“两条腿”独立走路走向地质-工程一体化融合的交汇点。而这一交汇点上的所有难题均兼具地质学和工程学的双重属性，单纯依靠传统地质学和开发工程学都不可能得到完全的解决。

因此，亟待发展基于现代工程地质学基本原理的海洋天然气水合物工程地质学。本文将阐述海洋天然气水合物工程地质学的提出过程，结合国内外研究进展探讨海洋天然气水合物工程地质学的基本学科构架、核心研究任务和主要技术手段，旨在为回答人类勘探开发活动与海洋天然气水合物系统之间的相互作用机制提供科学依据，也为实现海洋天然气水合物安全高效开发提供一定的理论指导。

天然气水合物工程地质学的提出

工程地质学是地球科学的一个重要独立分支，是沟通地质学与工程实践的桥梁。工程地质学诞生于接二连三的大型工程灾难，壮大于规模和强度不断扩大的基本建设和资源开发活动[7]。因此，工程地质学本身属于服务人类工程建设和自然资源开发的应用型学科，其发展过程实际上就是人类在改造和利用自然过程中不断寻找与自然规律间的“平衡点”的过程。经过七十余载的发展，我国工程地质学的研究领域得到了极大的丰富，主要任务也随着地球系统科学等理念的提出和新型能源资源开发工程的实施而发生了重大变化。工程地质学的基本任务，已从传统工程地质学以研究与工程有关的单向地质问题[8]，转变为以研究工程与地质环境间相互作用和过程双向耦合作用为主的现代工程地质学理论框架。这就要求我们必须根据新的能源资源禀赋特征和开发需求，发展和建立新的学科体系，以满足新型能源可持续开发的基本需求。

我国已经开展的两轮海洋天然气水合物试采分别应用单一垂直井和单一水平井降压技术，不仅证实赋存于海底泥质粉砂储层中的天然气水合物具有技术可采性，而且验证了通过理论与技术工艺创新实现单井产能大幅提升的可行性。然而，海洋天然气水合物储层埋藏浅、固结弱、未成岩，开采过程中储层流固耦合效应明显，伴生工程地质风险极高。与海洋天然气水合物钻采密切相关的潜在工程地质风险包括但不限于井筒堵塞、井壁失稳、储层出砂、海底沉降、地层蠕动、海底滑坡、气体泄漏。目前，全球只有日本和中国分别开展了两轮试采，储层出砂是当前小规模试采暴露出的最为敏感的工程地质风险，而海底塌陷、地层滑动等灾害级别的工程地质风险尚未演变为制约试采工程的主要矛盾。但这只能说明工程地质风险与工程规模/强度相适应的基本原理，并不意味着海洋天然气水合物开发一定不会（或一定会）引起海底塌陷、地层滑移等大规模、高强度的地质灾害。“海洋天然气水合物开发是否会诱发海底地质灾害、威胁生态环境安全”的公众关切已经成为海洋天然气水合物大规模开发必须面对和回答的首要问题。而要解决这些问题，首先要明确潜在的风险类型和规模（知其然），其次是厘清不同的风险对高效开采水合物的影响程度、影响机制（知其所以然）[1]。在此基础上，才能制定兼顾经济性和安全性的开发控制方案（怎么办）。

另外，受储层变形、传质、传热、相变等多场多相强耦合作用的控制，海洋天然气水合物开采过程的高产、稳产需求和安全性要求是紧密联系的。如果单纯强调安全风险控制，则可能导致严重的产能折损，“因噎废食”。特别是，多种安全风险之间存在特定的逻辑联系，单纯针对某一类安全风险的控制技术在解决问题的同时可能产生其他次生灾害，最终导致“九龙治水而水不治”的恶性循环。

比如，为了控制海洋天然气水合物开采过程中的生产井出砂风险，国内外研究者提出了诸多基于油气技术改良版的控砂方法[9-12]。2013年日本试采采用的裸眼充填控砂技术，仅有效服役了6天，控砂技术失效给试采工程安全风险控制带来了巨大挑战，成为全球首次海域天然气水合物试采失败的直接导火索[13]。在此基础上，2017年日、中两国的海域天然气水合物试采分别采用GeoForm防砂管柱[4]和预充填防砂管柱[14]，实现了短期试采规模下生产井出砂控制的基本目的[15]。但试采后的反向评估显示，在试采过程中可能发生较为严重的泥质堵塞[16, 17]和二次水合物生成堵塞[18]，又倒逼工程不得不采取解堵工艺措施，增加了海洋天然气水合物开采系统的复杂程度。

再如，海洋天然气水合物系统的潜在超压特征及其关联风险（如井涌、井喷、蠕滑），一直是其钻采工程的首要安全考量。为防止超压风险，在历次海域天然气水合物试采中均使用了大型防喷器（BOP）。但实际上，BOP在海域天然气水合物区钻采中是否应该成为强制性措施已经有比较明确的结论：深海钻探计划（DSDP）、大洋钻探计划（ODP）和综合大洋钻探计划（IODP）都曾制定了严格的在深海水合物富集区钻探时使用BOP的强制标准。随着钻探航次的增多和对水合物系统认识的加深，IODP已经修正了原先过于保守的BOP使用规范[3, 19]。其主要原因是：理论研究表明，深海浅地层中的天然气水合物无法作为下伏超压游离气聚集的盖层而存在。而且由于BOP本身重量较大，安装要求高，其本身可能导致浅地层压力平衡条件发生破坏，引起地层失稳，产生次生灾害[3, 20, 21]。为解决该难题，日本MH21-S甲烷水合物研发联盟目前已经制定了一套完整的简易试采方案，该方案取消了水下测试树、隔水管，采用加重钻杆替代隔水管，中间用3-1/2”连续油管作为降压通道，将高压BOP简化为低压BOP，该方案将在下一轮日本海域天然气水合物试采中实施[22, 23]。可以预见，如果此次试采获得成功，将推动对海洋水合物开发安全控制理念产生颠覆性的认识，对大幅降低水合物开发成本、推动产业化进程起到重要作用。

总之，深海天然气水合物开发面临的工程地质风险是多层级、多类型的，不同的风险对钻采过程的响应特征、影响范围是不同的。海洋天然气水合物开发安全风险调控的本质是找到水合物开采安全性和高产稳产需求之间的“平衡点”，既要保证高产稳产，又要杜绝安全事故，更要避免在风险控制方面“用药过猛”，而这正是现代工程地质学追求人类基础建设/资源开发活动与自然环境协调、可持续发展的核心思想。因此，对海洋天然气水合物工程地质风险类型、层级的识别及其发生时机、灾变过程的预测，是海洋天然气水合物工程地质学的萌发“原点”。以此为出发点，纵向拓展海洋天然气水合物工程地质学的研究任务，丰富海洋天然气水合物工程地质学的学科内涵，是实现海洋天然气水合物开发过程地质-工程-环境一体化调控的现实需求。

基本学科内涵

3.1 基本构架

海洋天然气水合物钻采的基本工程方案决定于其基本地质条件，而工程方案的实施又必然会对天然气水合物的地质条件产生影响，甚至诱发大规模的工程风险和地质灾害。因此，海洋天然气水合物系统与人类勘探开发活动之间的关系本身具有动态性和高度关联性。海洋天然气水合物工程地质学的主题是寻找勘探开发活动高效性与安全性、及其与天然气水合物系统地质环境承载力的协调点，从而实现海洋天然气水合物资源的可持续开发。

因此，海洋天然气水合物工程地质学的发展与海洋天然气水合物勘探开发活动密切相关，海洋天然气水合物工程地质学是海洋天然气水合物地质学科与海洋天然气水合物开发工程学科之间的桥梁和纽带，其学科内涵随着人类对天然气水合物系统认识的提升和勘探开发规模的扩大而不断丰富。评价海洋天然气水合物系统的地质、工程安全承载力，厘清天然气水合物系统与人类勘探开发活动之间的相互制约机制是海洋天然气水合物工程地质学的核心目标。

围绕上述核心目标，海洋天然气水合物工程地质学的基本科学任务可以分解为：1）保障海洋天然气水合物勘探开发活动本身的安全性；2）减缓海洋天然气水合物系统的地质灾害和环境风险；3）兼顾海洋天然气水合物开发的经济性指标；4）厘清海洋天然气水合物在全球碳循环与气候变化中扮演的角色，丰富地球系统科学基础理论。

围绕上述基本学科任务，海洋天然气水合物工程地质学的基本学科科学问题可以归结为如下四个方面：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演化机理。而回答这些科学问题的主要技术手段/途径主要包括：1）多尺度融合的实验测试与模拟技术；2)基于实际地质背景与工程条件的数值计算和理论分析；3）深海原位生境下的探测、监测与模拟技术。上述基本学科任务、核心科学问题和关键技术手段，构成了海洋天然气水合物工程地质学的“四梁八柱”（图1）。但是受海洋天然气水合物发展历程等因素的制约，目前各学科方向的研究深度、广度均存在差异。

图1 海洋天然气水合物工程地质学的基本学科内涵

3.2 主要科学问题和研究内容

（1）海洋天然气水合物系统的工程力学性质及其演变机理

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，深入理解其演变规律，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[24]。相较而言，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载荷大小的改变而改变。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间的关系，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[25, 26]。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[27, 28]。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[29]。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[30]。储层的剪切破坏是内部颗粒的翻滚、滑移共同作用的结果[31]。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间的关联[32]。研究表明，剪切后储层渗透性的降低受剪切带内颗粒破碎后的孔隙降低和颗粒尺寸减小共同控制[33, 34]。

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载荷作用下的缓慢变形和破坏，我们将这种长期载荷作用引起的储层变形定义为蠕变[35]。值得指出的是，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，因此本文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水合物开发过程中储层蠕变行为的发生具有其必然性[36, 37]。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[38]。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[39]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。对于水合物储层本身而言，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，最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。

（2）海洋天然气水合物系统中的多场耦合行为及其主控因素

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，进而直接控制天然气水合物系统的浅层工程地质风险演化；对于天然气水合物储层本身而言，其多场多相耦合行为不仅直接影响天然气水合物的开发能效，也决定了与天然气水合物系统相关的自然灾害和人工诱导工程地质风险的演化规律。因此，深入理解海洋天然气水合物系统的多场耦合机理，是海洋天然气水合物工程地质学面临的重要基础科学问题和学科方向。

具体而言，海洋天然气水合物储层区别于深水常规油气储层的最大特点是存在相变。因此，天然气水合物的分解相变是储层多物理场耦合行为的枢纽。而天然气水合物的相变行为及与之并发的气、水、泥砂迁移等多物理过程主要发生在从天然气水合物分解前缘到生产井之间的区域，因此该区域也是天然气水合物储层多场耦合行为最为强烈的区域。通常将水合物储层的多场耦合问题简化为温度(T)-渗流(H)-变形(M)-相变(C)四场耦合问题（即THMC）[40, 41]。近年来，笔者团队充分考虑泥砂迁移场的独特性，提出将传统THMC四场耦合问题，升级为温度(T)-渗流(H)-形变(M)-相变(C)-泥砂输运(S)五场耦合问题（即THMCS，图2右）。

提出上述耦合模式的主要考虑是：1）泥砂输运行为是海洋天然气水合物特别是南海泥质粉砂水合物开采过程中必然会发生的物理过程[42, 43]，泥砂输运是地层骨架沉积物颗粒由连续介质状态向离散介质状态转变的过程，泥砂颗粒的剥落、启动、迁移、再沉降过程均不能用现有THMC中的方程组表达；2）泥砂输运与多孔介质中的多相渗流、水合物分解、地层变形及传热之间存在直接或间接的耦合关系，属于相对独立但又与其他物理过程高度耦合的储层行为；3）泥砂输运是水合物分解、地层强度劣化和气水渗流共同作用下的客观物理过程，和常规意义上所述的井筒出砂是完全不同的概念，出砂是工程地质灾害而泥砂输运是客观物理现象。工程地质灾害需要防控而客观物理现象只能调节；4）泥砂输运为井筒出砂提供了基本物质基础，因此泥砂输运行为与工程地质风险演变直接挂钩，不考虑泥砂输运行为可能导致工程地质风险演变预测结果失真失准。

图2 海洋天然气水合物储层的多场耦合模式（修改自文献

将天然气水合物储层的多场耦合行为从THMC升级为THMCS后，面临的第一个挑战是多场耦合模型的建模及其求解。现有天然气水合物多场耦合分析模拟器都无法实现泥砂输运行为的耦合分析，而多场耦合模型求解过程中离散固相颗粒迁移与流体渗流迁移计算网格剖分方式完全不同，需要全新的网格剖分技术[44]。在流体传质行为（即流体渗流）方面，目前国内外研究者已经从水合物储层孔隙结构演变、有效渗透率预测等方面取得了突出进展，但是对水合物储层相对渗透率的研究则相对较少[45, 46]。在固相传质（即泥砂输运）方面，目前国内外在模拟实验、基础理论、多尺度数值模拟技术等方面的研究都取得了许多有益的结论，初步厘定了水合物储层泥砂输运微观通道的演化规律[47, 48]，建立了基于自由沉降拱原理的出砂量预测模型[49]，为后续多场耦合模型的建立提供了重要参考。在储层传热行为方面，流体渗流引起的焦汤效应、水合物分解吸热和周围热环境耦合作用下共同决定了地层的传热特征。而在储层固相变形方面，目前的主要挑战是将现有弹塑性模型，发展为能够体现储层蠕变特征的黏弹塑性模型。

（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

如前所述，开发过程中的工程地质风险防控是海洋天然气水合物工程地质学的萌芽原点，也是海洋天然气水合物工程地质学最重要的学科方向之一。按照工程地质风险的发生规模、对开发工程乃至海洋地质环境的影响程度，海洋天然气水合物开发过程中的潜在工程地质风险主要包括出砂、井筒完整性破坏、地层局部失稳、海底沉降塌陷、大规模滑坡等。工程地质风险轻则影响天然气水合物开发效率，重则导致开发工程难以为继，甚至严重威胁海洋生态地质安全。

目前，国内外针对不同类型的工程地质风险演变规律开展了大量的研究，特别是在海洋天然气水合物储层出砂和近井地层失稳的室内实验、理论模型与数值模拟方面取得了显著的成效。从出砂风险评估的角度，目前主要集中在储层出砂的临界条件、出砂速率演变和出砂调控方法等方面。国内青岛海洋地质所[50]、中国地质大学（武汉）[51]、中科院广州能源所[52]等单位均研制了不同尺度的水合物出砂模拟系统，并基于这些实验系统从出砂量预测与防砂介质堵塞机制等方面开展了较为全面的研究。在实验模拟基础上，目前常见的水合物储层出砂数值模拟主要有连续介质模拟与离散介质模拟两类。其中，宏观尺度下水合物储层出砂数值模拟通常基于连续介质力学理论，多以有限元法与边界元法对水合物储层多物理场耦合模型进行求解，而细观尺度的出砂模拟主要基于离散单元法，可模拟水合物开采过程中骨架颗粒的动力学行为，从而探索孔隙尺度下的储层出砂机制[53]。然而，实验模拟结果、数值模拟结果、现场监测结果三者之间仍然存在巨大的鸿沟，导致出砂控制技术仍然没有摆脱常规油气开采井的基本出砂防控思路，即：在生产井井底安装控砂介质（包括控砂筛管和充填砾石层等），阻挡从地层深部流入到井筒附近的泥砂颗粒进入井筒。Zhu[54]、Dong[17]、Ding[11]等分别在降压开采水合物条件下探讨了采用控砂介质实现井筒出砂控制的可行性。李彦龙[10, 55]等结合南海实际水合物储层特征，修正了控砂介质的控砂精度设计方法，提出了以满足短周期水合物试采井筒安全为目标的“防粗疏细”式控砂精度设计方法。然而，这些方法主要聚焦于井筒“被动控砂”模式，如何将井筒控砂向储层深部延伸，实现从泥砂输运阶段的源头调控，是该领域的发展方向。

从储层失稳的角度，水合物开采过程中的储层沉降、井筒垮塌、海底沉降、斜坡滑塌等都是储层失稳的具体表现形式。然而，目前所有的研究均单独针对某一类失稳风险开展实验模拟或数值模拟，对不同风险之间的转化关系尚不清楚。特别是，大规模的地层塌陷、滑动灾害一定不会无故凭空出现，而是小规模工程地质行为不断积累、不断放大的结果。因此，海洋天然气水合物开发过程中的工程地质风险不是相互独立存在的，而是一系列具有明显递进特征的、环环相扣的工程地质灾害链（类似于“马蹄钉的故事”，图3）。即：长期开采条件下，出砂作用一方面加剧了地层的物质亏空程度，另一方面可能导致地层颗粒间胶结物减少，失去胶结的近井地层变形导致井筒完整性破坏；井筒完整性破坏进一步发展可能诱发开采区地层局部丧失稳定性，失稳区域随着开发工程（水合物分解范围）的推进而不断扩大，最终可能导致海底沉降或大规模滑动，诱发严重的海底地质灾害。但目前这种链式演化模式仍然没有明确的现场数据支撑，也缺乏基础理论依据。因此，多类型工程地质风险的链式演变机理，是该领域面临的重大科学挑战。

图3 海洋天然气水合物开发相关的工程地质风险链式演化模式

（4）自然条件扰动背景下的海洋天然气水合物系统地质灾害及其演化机理

自然条件扰动背景下海洋天然气水合物系统地质灾害的孕育、发展、灾变行为是海洋天然气水合物地质、工程安全承载力评价的重要内容，也是海洋天然气水合物工程地质学的重要学科方向。与海洋天然气水合物系统直接相关的地质灾害包括海底滑坡、沉降、蠕变、气体大规模渗漏等具有活动能力的破坏性海底灾害，还包括海底麻坑、浅层气、断层等限制性地质现象，这些限制性地质现象也往往被称为灾害体。其中前者是海洋天然气水合物系统地质灾害的直接表现形式，可能对人类的深海勘探开发活动产生直接的破坏性影响，而后者则是前者发生、演变的重要推动力，在特定内部劣化因素和外部扰动因素条件下，后者也可能直接转化为活动性（突发性）地质灾害，对海底工程基础设施和海洋环境产生直接影响。

由于海洋天然气水合物演化本身可能伴生海底泥火山、泥底辟、气焰囱等地质灾害体，因此在很长的一段时间里，天然气水合物本身被当作是一种海底地质灾害。海洋天然气水合物对活动性海底灾害的主要影响可定性归纳为两个方面，其一是天然气水合物的分解使地层强度劣化，其二是分解的气体降低沉积物的有效应力，在外界扰动作用下诱发地质灾害。其中，滑坡是最常见的海底地质灾害之一，目前全球已知的与天然气水合物直接相关的典型海底滑坡主要有：非洲西南部大陆架上的海底滑坡与海底坍塌[56]、美国大西洋大陆坡上的坍塌[57]、挪威大陆架边缘的Storegga大型滑坡[58]、British Columbia的海底滑坡[59]和阿拉斯加大陆边缘的滑坡与旋转滑坡[60]等。

在限制性地质现象向活动地质灾害转化方面，麻坑和泥火山最具代表性。其中，麻坑是指在天然气水合物赋存区附近，因下伏超压流体在海面不断溢出，在海面形成的不同形状、大小和规模的塌陷凹坑。麻坑是由于强烈的流体快速喷溢出海面形成的，因此其中下伏地层气体的溢出是形成麻坑形态的基本规则，麻坑地貌的形成与海底甲烷渗漏和活动流体运移有密切关系。海底麻坑的大小范围变化很大，最小的海底麻坑直径不到5m[3]，最大的海底麻坑直径达数千米[61]，垂向深度从小于1m到几百米以上。海底泥火山也称海底泥丘、泥拱，呈圆丘状凸起于周边海底，且顶部带有漏斗状火山口和通向沉积物深部的管孔，可涌出混有大量水、气的泥质黏土状流体。泥火山在全球都有分布，海底泥火山在黑海、里海、地中海、挪威海、尼日利亚近海、墨西哥湾和我国东海等海域均有发现[62]。由于海底泥火山活动可影响钻井、套管安装和管线铺设，对海底泥火山的研究有助于保障海底工程安全[63]。

总体而言，我们认为与海洋天然气水合物系统相关的活动性地质灾害大都属于缓发性灾害，限制性地质现象件转化为地质地质灾害往往具有突发性。两者的诱发机制和演变机理存在本质区别，厘清不同类型的地质灾害的出发机制、演化过程及多种类型的地质灾害之间的递进转化模式，是海洋天然气水合物系统地质灾害研究面临的重大科学难题。

3.3 主要技术手段

（1）多尺度实验测试与模拟技术

海洋天然气水合物系统工程地质响应行为的研究对水合物安全、高效开发至关重要[64]。岩土领域相关实验模拟技术的进步为海洋天然气水合物系统工程地质响应机制研究提供了重要支撑。实验模拟技术的主要思路是，利用相关技术近似还原海洋天然气水合物系统所处的地层条件，构建与海底地层近似的流场、力学场、温度场、化学场等环境，研究工程作业或自然条件扰动对天然气水合物系统的地质响应过程。

围绕人工采动/自然环境扰动条件下海洋天然气水合物储层工程地质响应研究需要，目前已经构建了一系列的模拟技术，如出砂管控模拟技术[65]、多分支井综合模拟技术[66]、以及多场耦合行为模拟技术等[34, 67]。这些多尺度的实验测试与模拟技术，为海洋天然气水合物系统工程地质行为及其主控因素研究提供了重要支撑。以天然气水合物储层的地质力学响应实验模拟为例，物理试验模拟技术通过对不同工程地质响应行为的研究扩展了宏观和微观的力学测试手段。这些力学测试手段主要关注储层在不同变形阶段/行为下力学响应。在宏观地质响应行为研究方面，主要有弯曲元[68]、共振柱[69]、三轴剪切[70]、静力触探[71]、环剪[33]、直剪[72]等模拟技术。其中，三轴剪切测试技术是应用最为广泛的模拟技术。在微观力学测试领域，CT三轴、原子力显微镜主导了对天然气水合物系统微观变形机制的观测[73, 74]。上述力学测试手段基本覆盖了天然气水合物储层从弹性变形到塑性变形，再到蠕变研究的需要。理论上，上述模拟手段不但能实现对海洋天然气水合物系统短时快速的工程地质响应行为进行观测研究，还能实现对大时间尺度下天然气水合物系统工程地质响应行为的观测研究。

图4 海洋天然气水合物系统工程地质响应行为的多尺度实验模拟技术体系示意，改自文献

在海洋天然气水合物系统工程地质响应行为模拟技术中，室内物理试验模拟技术因缺乏统一的测试标准导致不同模拟技术手段下获取的水合物系统的工程地质参数之间不能进行直接的对比。特别是，由于与实际场地的尺度不匹配、非均质性不相符，实验测试所得的工程力学参数也很难直接用于实际场地地质响应行为的预测。且目前的物理试验模拟技术基本都来自于常规岩土领域，海洋天然气水合物储层有其特殊性，亟需在测试技术和理论方面创新，发展和创造新的测试方法和仪器，以满足水合物储层多物理场耦合作用下的地质响应研究的需要。

（2）理论分析与数值计算技术

理论分析与数值计算技术是连接室内测试与实验模拟技术和现场工程需求的桥梁。在海洋天然气水合物系统工程地质响应行为的数值模拟领域，目前形成了宏微观结合、单一物理场与多物理场耦合研究共同促进的基本格局。在海洋天然气水合物系统的传热传质领域，形成了以TOUGH-HYDRATE为主[78]，QIMGHyd-THMC[79]、MH21-HYDRES等为辅的天然气水合物模拟器格局[80]。利用上述模拟器，通过考虑相变的多物理场耦合方法，模拟降压开采或热刺激法下储层内部水合物分解区的演化规律、产水产气规律，综合评估储层的产气能力，可为开采方案优化提供一定的参考[81]。除此之外，近年来也有很多研究者将基于物理模型约束的机器学习或深度学习方法引入到天然气水合物数值计算领域。但目前而言，这些技术仍然难以与水合物数值计算深度融合，其在推动海洋天然气水合物工程地质数值计算技术发展、理论突破方面的价值仍待观察。

针对水合物分解后的储层固体力学响应过程，目前形成了以有限差分、有限元、离散元等数值模拟方法广泛发展的基本格局[82, 83]。以FLAC3D为代表的有限差分软件，以COMSOL、ABAQUS为代表的有限元商业软件和以PFC为代表的离散元分析软件，构成了海洋天然气水合物系统工程地质响应行为研究的基本体系[82, 84-86][87]。为了实现流场、温度场、应力场的耦合，部分研究将THOUGH-HYDRATE与FLAC3D进行搭接，从而实现对降压开采下的储层地质力学响应过程的研究[88, 89]。Biot固结理论在研究地下多孔介质的压缩沉降行为中有重要应用。针对水合物分解后沉积物储层内部复杂的流体运移和应力重分布条件，有研究将Biot理论作为力学计算的一部分耦合到THOUGH-HYDRATE中，用于预测储层的沉降行为与井筒稳定性[90, 91]。上述数值模拟手段在储层的产砂、出砂行为分析、井筒稳定性分析、钻井液侵蚀作用机理分析、海底沉降分析等研究中发挥了重要作用[90, 92]。

水合物储层的微观机理对认识其宏观力学行为、破坏机制等至关重要。在水合物的微观成核、分解、力学响应机制等方面，分子动力学理论的广泛应用为上述物理过程的研究提供了重要手段[93, 94]。部分研究对水合物的蠕变力学行为[77]、水合物与固体材料间的界面作用力[95]的微观机制进行了探讨。但需要指出的是，目前分子动力学在水合物研究中的应用仍主要关注与纯水合物的成核分解、无机盐对水合物分解的影响机制、吸附解吸机制等方面[94, 96]，对海洋天然气水合物沉积物储层的微观力学机制研究还较少。

总之，目前的数值模拟手段已经基本能够满足海洋天然气水合物系统工程地质响应行为的研究需求，但仍需在场地储层的精细刻画、算力提升和模型快速求解等方面开展大量工作。未来，需加强基础理论的研究，不断丰富相关静力学本构和蠕变本构，通过优化相应的算法达到对场地级储层工程地质响应行为的快速计算与反馈，用于指导试采工程中开发方案的优化，最大限度降低储层发生失稳的风险。

（3）原位测试与监测技术

与室内试验相比，原位测试与监测技术可以避免取样与运输过程中对沉积物的扰动，还能保持沉积物测量时所处的温度、水环境、应力状态等环境的原位状态，测试准确度较高。在诸多海床沉积物原位测试技术中，静力触探（Cone Penetration Test, CPT）、原位十字板剪切（Vane Shear Test, VST）、全流动贯入仪（Full Flow Penetration Test）应用较为广泛。这些原位测试技术在获取海床沉积物的渗透系数、固结系数、压缩模量、不排水抗剪强度等参数方面发挥了重要作用[24, 97]，但只能进行单次测量，无法进行沉积物性质变化的长期自动观测。因此，要实现对海床沉积物性质的长期测量只能采用以地球物理为主的间接方法，能够应用于海洋天然气水合物系统工程地质参数和工程地质灾害长期监测的潜在技术主要包括：海底地震监测技术、海床电阻率原位监测技术、海床声学原位测量技术、海床孔压原位测量技术、海底变形滑动监测技术等。

结语

海洋天然气水合物是地球系统重要的碳汇形式，实现海洋水合物安全、高效、可控开发是落实党中央贺电要求的重要举措，对缓解我国能源短缺、推动能源结构转型具有重要的现实意义。然而，受海洋天然气水合物储层埋藏浅、固结弱、渗流规律复杂等特征的影响和工程开发技术水平的制约，我国海域天然气水合物产业化进程仍面临经济性和安全性的双重挑战。海洋水合物开发工程的深入推进和人们对海洋地质环境保护意识的提高，为海洋天然气水合物工程地质学的提出和发展提供了良好的契机和重要推动力。

同时，海洋天然气水合物工程地质学是海洋地球系统科学的有机组成部分，其核心目标是对人类勘探开发活动提供总体的评价和决策。发展海洋天然气水合物工程地质学是将天然气水合物能源研究与海底地质灾害、全球气候变化融合，实现地质、环境、工程一体化可持续发展的必要环节。

现代工程地质学的基本原理和系统综合集成理论为海洋天然气水合物工程地质学的研究提供了基本遵循。目前，受天然气水合物勘探开发工程规模的制约和所暴露出的典型工程地质风险规模等因素的影响，海洋天然气水合物工程地质学各研究领域的深入程度参差不齐，不同技术手段的推广应用程度也存在差异。仍有必要继续深入挖掘海洋天然气水合物工程地质学的科学内涵、拓展海洋天然气水合物工程地质学的研究领域。

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