基于生物聚合物改良的水合物储层力学强化机制：宏观与微观视角

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Biopolymer-Based Strengthening Mechanisms in Hydrate-Bearing Sediments: Macro and Micro Perspectives

　　

本研究提出了一种创新的生物聚合物（biopolymer）改良策略，利用低温高压CT三轴系统揭示水合物沉积物（hydrate-bearing sediments, HBS）在改良前后的宏观与微观力学机制。结果表明，生物聚合物处理显著提升了沉积物的强度、刚度、黏聚力（cohesion）和内摩擦角（friction angle），改善了其弹塑性行为和整体稳定性。微观尺度分析显示，改良后的沉积物通过抑制应变局部化（strain localization）和调控破坏模式来增强抗变形能力。位移场分析表明，颗粒运动呈现多方向位移耦合特征，径向呈现剪胀（shear dilation）与固结压缩（consolidation compression）的循环响应。扫描电子显微镜（SEM）与拉曼光谱（Raman spectroscopy）联合表征证实，强化机制源于生物聚合物通过氢键（hydrogen bond）介导的界面黏结机制，在沉积物颗粒间形成胶结结构和团块状聚集体（patchy aggregates）。水合物与生物聚合物的联合胶结作用实现了宏观力学性能和结构稳定性的协同增强。

本研究发表于《Journal of Ocean Engineering and Science》，旨在解决深海油气资源开发中水合物储层稳定性这一关键工程挑战。随着全球能源需求激增和陆上油气储量日益枯竭，深海资源开发已成为缓解能源短缺的重要战略。然而，在深海环境中，常规油气藏常与天然气水合物共存于同一.passage{同一地质盆地中，且水合物储层主要分布在相对浅层，对环境波动高度敏感。生产活动引起的温度和压力微小变化即可触发水合物分解（hydrate dissociation），导致储层结构劣化，引发地层塌陷、海底滑坡、井筒失稳及生产平台沉降等严重工程问题，同时甲烷释放还会破坏海洋生态平衡。因此，确保水合物储层安全对于深海油气资源的负责任开发至关重要。

目前，水合物储层加固研究仍处于新兴阶段。虽有研究提出利用CO₂置换CH₄形成CO₂水合物进行储层加固，或因效率低和技术壁垒而难以实用化；也有学者探索微生物诱导碳酸盐沉淀（microbial-induced carbonate precipitation, MICP）技术或提出"原位供热辅助降压法"，但或限于非水合物沉积物，或仍处于理论阶段。生物聚合物因其多功能性和经济性已被广泛用于各类岩土体的加固，其较低的热导率和黏弹性能可在机械与热应力下耗散能量，但在海洋工程中多用作水合物抑制剂（hydrate inhibitor），其在储层加固中的应用尚未探索。基于此，研究人员开展本项研究，以验证生物聚合物在水合物储层加固中的可行性并阐明其强化机制。

研究人员采用南海神狐海域7.8-8.8 m深度海底沉积物作为样本，选用黄原胶（xanthan gum, XG）作为生物聚合物改良剂，利用自制低温高压CT三轴试验系统，对无水合物沉积物（hydrate-free sediments, HFS）、水合物沉积物（HBS）和分解后水合物沉积物（decomposed hydrate-bearing sediments, DHBS）在改良前后进行多级剪切试验。试验采用氙气水合物（XeH）替代甲烷水合物以保证CT成像对比度，设置有效围压（effective confining pressure, σ_c′）分别为1、2、4 MPa的三级剪切阶段，并结合粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）技术、SEM和拉曼光谱表征手段，从宏观力学响应、多尺度剪切变形机制及微观强化机理三个层面展开系统研究。

研究背景与问题方面，水合物储层固有的低成岩作用导致水合物分解后原始支撑结构劣化，强度和刚度显著降低。传统三轴压缩试验已揭示水合物饱和度、有效围压和孔隙压力等参数与沉积物抗剪强度的正相关关系，且水合物的孔隙填充（pore-filling）、荷载传递（load-bearing）、颗粒胶结（particle-cementing）和颗粒包覆（particle-coating）等赋存形态显著影响力学特性。CT成像技术的发展为研究水合物沉积物微观结构演化提供了可能，但水合物分解导致的动态微观结构变化及其对力学行为的影响机制仍需深入。针对近井区域水合物带受生产扰动后的稳定性保障问题，亟需开发切实有效的储层加固技术。

主要关键技术方法包括：（1）低温高压CT三轴系统，集成微焦点X射线CT（micro-focus X-ray CT）、三轴压力室、柱塞泵压力控制、恒温浴温度调控及数据采集系统，实现155 kV电压、40 μA电流、43/27 μm/体素空间分辨率的CT扫描；（2）基于人工智能的CT图像灰度分割与体积应变计算技术；（3）PIV增量位移场分析技术，用于亚毫米尺度变形可视化；（4）SEM表面形貌表征技术；（5）拉曼光谱分子结构分析技术（532 nm激光源，500–3600 cm^-1光谱范围）。

研究结果部分如下：

**宏观力学响应**：生物聚合物改良未改变沉积物的应变硬化本构特征，但显著提升了其力学性能。改良后HBS的刚度较未改良样品提高约29.8%，且该差值随有效围压增大而减小，表明在浅层海洋区域生物聚合物的改良效果更为显著；改良后DHBS的刚度超过HFS，说明生物聚合物在分解过程中仍保持有效，且分解后气水再分布进一步增强了刚度；改良后HFS的刚度提高约22.6%，且随有效围压升高而增大，表明埋藏深度增加时该技术更具优势。Mohr-Coulomb强度分析显示，生物聚合物改良显著提高了黏聚力和内摩擦角，其中对黏聚力的提升尤为显著：HFS的黏聚力提高约208.6%，DHBS提高约360%，HBS提高33.9%。改良后沉积物的屈服点延后，弹塑性性能改善，整体稳定性和抗变形能力增强。

**多尺度剪切变形机制**：体积应变曲线显示，HBS及其改良样品的体积应变始终低于HFS，含生物聚合物样品体积应变更小。HBSB在屈服前应变阶段体积应变显著降低，弹性性能明显改善；DHBSB在屈服后应变阶段体积应变大幅降低，表明生物聚合物对分解后水合物沉积物的塑性改善尤为有效。

PIV增量位移场分析揭示：（1）HFS样品呈现明显剪切带（shear band）破坏模式，随有效围压增大，剪切带角度和厚度均增加，塑性应变在轴向应变14%时已发生；（2）HFSB样品同样呈现剪切带破坏，但随有效围压增大剪切带厚度减小、角度增大，表明强度提高且抗塑性变形能力增强，高围压下改良效果更显著；（3）DHBSB样品表现为鼓胀（bulging）破坏模式，分解过程中气水再分布促进了生物聚合物与土颗粒的进一步结合，形成高度互锁的团簇结构，抑制了应变局部化；（4）HBS样品因水合物赋存区与无水合物区强度差异，在初始剪切阶段出现局部化应变，最终仍呈剪切带破坏；（5）HBSB样品发生破坏模式转变，由剪切带破坏转为鼓胀破坏，增量位移矢量方向更加规则，颗粒运动范围更小，水合物与生物聚合物形成联合胶结，整体变形抗力提高。

**CT成像多尺度演化研究**：以铁粉颗粒为参考标记的CT图像分析显示，剪切阶段截面直径增大（剪胀），固结阶段截面直径减小（压缩）。颗粒位移响应与宏观轴向-径向变形总体一致但非完全同步，存在局部迁移的异步性和异质性。固结阶段位移量一般大于剪切阶段，步进式固结起到结构均质化作用，减轻了剪切阶段诱导的应变局部化效应。多方向位移耦合特征明显，铁粉颗粒除y-z平面运动外还存在显著的x方向迁移。HFSB和HBS剪切带区域颗粒间距增量显著大于非剪切带区域；HBSB和DHBSB鼓胀变形样品中，边缘颗粒与整体运动一致，而中心区域颗粒因三轴固结应力约束形成压缩区，迁移幅度更小且更异步，呈现非均匀变化的空间演化特征。

**强化机制揭示**：SEM多尺度观察显示，未改良沉积物颗粒自然形成小团簇结构，间隙显著，整体疏松；改良后颗粒间胶结效应显著增强，形成更大更致密的聚集体，空隙减少，堆积更紧密。1 μm尺度下，生物聚合物作为胶结和聚簇剂，将细矿物颗粒黏结成较大凝聚体，大颗粒被小颗粒环绕，形成广泛胶结结构，部分聚合物包裹矿物颗粒形成团块状聚集体。

拉曼光谱分析证实，海洋沉积物中富含羟基（-OH）官能团，主要矿物成分为石英（SiO₂，32.7%–57.0%）和黏土矿物（16.8%–27.1%，以伊利石为主）。石英表面硅醇基（Si-OH）和伊利石界面硅醇/铝醇基（Al-OH）与生物聚合物分子链上密集的羟基形成多尺度氢键网络。改良后Al-OH振动峰（~795 cm^-1）、-OH伸缩振动峰（~3146 cm^-1）和Si-OH伸缩振动峰（~3450 cm^-1）均发生位移，证实了氢键介导的界面黏结机制。

讨论与结论部分指出，生物聚合物改良通过颗粒间胶结强化机制有效抑制了应变局部化，显著增强了沉积物整体强度，实现了剪切破坏模式的有效调控。颗粒位移呈现多方向耦合特征，径向遵循剪胀-固结压缩的循环响应模式。氢键介导的界面黏结机制使生物聚合物在沉积物颗粒间形成胶结结构和团块状聚集体，显著增强了颗粒间荷载协同作用，水合物与生物聚合物的联合胶结最终实现了宏观力学性能和结构稳定性的协同提升。

研究结论翻译如下：（1）生物聚合物改良未改变沉积物的应变硬化本构行为，但显著改善了其力学性能，包括强度提升、刚度增加、屈服应变延后、弹塑性性能改善以及整体稳定性和变形抗力的进一步增强；（2）生物聚合物改良提高了沉积物的黏聚力和内摩擦角，其中黏聚力的提升尤为显著，且在水合物分解过程中，气水再分布进一步增强了生物聚合物的改良效果；（3）生物聚合物改良通过颗粒间胶结强化机制有效抑制了应变局部化，显著增强了沉积物整体强度，从而实现了剪切破坏模式的有效调控，由剪切带破坏转变为鼓胀破坏；（4）沉积物中颗粒位移呈现多方向耦合特征，径向遵循剪胀与固结压缩的循环响应模式；剪切带破坏样品中剪切带区域颗粒运动更为剧烈，而鼓胀变形样品中心区域呈现非均匀变化的空间演化特征；（5）通过氢键介导的界面黏结机制，生物聚合物在沉积物颗粒间形成胶结结构和团块状聚集体，显著增强了颗粒间荷载协同作用，水合物与生物聚合物的联合胶结最终实现了宏观力学性能和结构稳定性的协同提升。