天然氣水合物是我國(guó)的戰(zhàn)略能源，但水合物分解可能引發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所海洋土力學(xué)課題組自2005年以來(lái)，自主搭建了水合物開(kāi)采安全評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及分析平臺(tái)，首次在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)水合物熱分解引起的土層分層、氣體噴發(fā)破壞形式（J. Petro. Sci. Eng., 2011）并進(jìn)行了深入研究，對(duì)水合物分解引起的滑塌破壞開(kāi)展了系列的研究。這是涉及傳熱、相變、多相滲流、土層變形和破壞的多個(gè)物理效應(yīng)的流固耦合力學(xué)新問(wèn)題，對(duì)水合物開(kāi)采相關(guān)的工程安全和環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)具有重要的工程價(jià)值。
這些研究工作表明，水合物熱分解引起的地層分層和噴發(fā)破壞是水合物熱分解導(dǎo)致的分解區(qū)域內(nèi)土層軟化和超靜孔隙壓力而形成的，即隨著分解區(qū)域的擴(kuò)展，上部阻力逐漸減小，超靜孔隙壓力上升并超過(guò)上部阻力，造成土層開(kāi)裂，形成有一定厚度的充滿氣體和水的裂縫（J. Petrol. Sci. Eng., 2015）；在氣體能量足夠大時(shí)，氣體攜帶分解區(qū)土體推出上覆層，形成類似火山噴發(fā)的氣-液-固三相流（Int. J. Numer. Anal. Met., 2015）；水合物分解引起的滑塌是水合物分解后，分解區(qū)與上覆層之間形成多處分層或大面積連續(xù)貫通的分層，在重力和孔隙壓力作用下，將引起淺層大面積小坡度的海底滑塌（Ocean Eng., 2015; 2016）。
研究人員采用課題組自主研制的實(shí)驗(yàn)裝置得到了水合物分解前后沉積物的熱、力學(xué)參數(shù)（J. Heat Trans.-T. ASME, 2014; Mar. Petrol. Geol., 2015; Int. J. Offshore Polar, 2015），獲得了土層分層、氣體噴發(fā)和土層滑塌的臨界條件和擴(kuò)展規(guī)律（如圖2），為我國(guó)南海水合物勘探、試采以及開(kāi)采安全及環(huán)境評(píng)價(jià)提供了科學(xué)依據(jù)。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、院修購(gòu)項(xiàng)目、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目和中石油-中科院高端戰(zhàn)略聯(lián)盟研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
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