天然气水合物是一种在低温高压状态下形成的类冰状晶体,随着永久冻土地区以及深海海底天然气水合物资源的发现,它被认为是一种潜力巨大的能源资源。降压开采法被认为是一种前景较好的开采海底天然气水合物资源的方法之一,然而降压伴随水合物的分解,会对水合物储层的力学性质产生比较显著的影响,且极有可能引发像开采平台基础设施破坏、井壁失稳等工程事故。不受控制的水合物分解也会加剧全球温室效应。本文开展了对含水合物沉积物的力学及变形特性研究,重点研究了降压过程中涉及的储层力学特性变化规律,以深入理解水合物储层的地质力学特性,将水合物开采过程中发生不必要的安全事故以及环境影响降低到最小。　　(1)本文以筛选过后的南海储层砂为沉积物骨架,在实验室内人工合成了含甲烷水合物沉积物,并对其进行了单级和多级三轴剪切实验,重点分析了单级及多级三轴剪切的应力应变及体积应变关系,结果发现:水合物的存在可以显著提高沉积物的抗剪强度。在降压分解过程中,含水合物沉积物试样的力学强度受到有效围压的增大和孔隙中水合物含量减少的综合影响。前期试样由于孔隙压力降低导致有效围压大幅增加,试样抗剪强度增大。后期由于水合物含量的大幅降低,试样在较高有效围压下抗剪强度依然下降。有效围压对含水合物沉积物试样的体积应变有较大地影响,较高的有效围压会导致含水合物试样产生显著地体积小,因此在降压开采过程中很可能会伴随显著地地层沉降。　　(2)通过半降压剪切法以及完全降压剪切法对不同围压和水合物饱和度的试样进行了三轴剪切实验。实验结果表明:剪切过程中降压会引发试样的屈服,但是由于较高有效围压的作用,试样不会完全被破坏;高饱和度水合物沉积物试样对降压过程敏感度更高,可能是当沉积物试样中的水合物含量较高时,部分水合物充当了沉积物的骨架结构。通过莫尔库伦破坏理论对不同沉积物试样剪切结果进行分析发现,降压后试样强度的增强可能是其内摩擦角变大引起的。　　(3)通过MHCS模型对含水合物沉积物的单级及多级剪切数据进行了数值模拟计算,分析了沉积物试样的应力应变问题,结果发现,对于含水合物沉积物试样,需要综合考虑围压和有效围压值,不能单纯地考虑有效围压,这会使模拟结果产生较大的误差,尤其是高围压条件下。对于多级剪切试样,剪切的后期需要考虑模型的适用性,扩大模型参数的优化范围。修正的MHCS模型数值模拟的结果与多级剪切应力应变实验数据吻合,可为水合物开采的地层稳定性预测提供理论基础。　　论文重点提供了一种提高含水合物沉积物力学实验效率的方法,并在高围压范围对沉积物试样进行了多因素复杂条件下的三轴剪切实验,最后通过数值模拟从理论上对沉积物降压过程中的力学变化特性进行了分析。这些研究结果将可以作为研究水合物储层的地质力学特性的实验和理论依据。