天然气水合物又称可燃冰,作为一种潜在的清洁能源已引起世界各国的广泛关注。我国在南海已探明储量巨大的天然气水合物资源,目前已进入试采的关键时期。国际上的可燃冰试采,多是采用降压、注热、使用抑制剂等方法,将固体可燃冰分解成天然气和水,然后对天然气进行采集。然而,可燃冰的开采会影响沉积层力学行为,进而有可能诱发地层沉降和边坡滑移等地质灾害,并由此可能导致工程设施破坏。因此,可燃冰开采对地层环境的影响和潜在诱发的地质灾害,是目前关切的重大安全问题。分析开采对水合物沉积层的力学行为的影响,揭示沉积层失稳机理,对水合物沉积层安全评价具有重要理论和现实意义。数值分析、现场数据和室内试验相结合的方法是分析水合物沉积层力学行为的有效手段。为了进行水合物沉积层力学行为的数值模拟,需要深入分析天然气水合物沉积物的力学特性,建立本构方程和多场耦合计算模型。本文在分析和总结前人开展水合物沉积物力学特性研究的基础上,基于能量耗散理论和临界状态的概念,建立了能够描述水合物对沉积物力学特性影响的本构模型。并考虑多相介质的多场耦合作用,建立了水合物沉积物的热-渗流-变形-相变多场耦合模型。从而针对水合物开采过程中,水合物分解对沉积层物理力学行为的影响展开模拟。主要研究内容及成果包括:1.将水合物力学饱和度的概念引入到本构模型中,建立了力学饱和度与Drucker-Prager屈服面之间的关系。同时,模型考虑了摩擦角和粘聚力的等效塑性应变硬化。通过对比Miyazaki的三轴试验数据,证明该模型可以准确地描述水合物沉积物在不同围压和不同饱和度条件下的应力-应变关系。2.基于能量耗散理论,建立水合物沉积物的临界状态模型,描述水合物沉积物的应力-应变关系与剪胀特性。相对于传统的临界状态模型,非关联流动法则可以直接由耗散函数导出,模型自动满足热力学第二定律。通过引入描述屈服面形状和大小的模型参数,使模型可以分析非椭圆屈服面对应力-应变关系和剪胀关系的影响,打破传统临界状态模型中屈服面剪胀和剪缩部分必须相等的限制,证明模型在描述非椭圆屈服面方面具有优势。提出并编写了针对水合物沉积物本构关系的返回映射算法,并将计算结果与Masui,Hyodo等人的三轴试验数据进行对比,验证了模型的准确性。3.基于有限元方法,分析了温度场、压力场和相变之间的耦合机理,推导了多场耦合控制方程及其弱形式。同时,将水合物沉积物的临界状态模型嵌入到多场耦合模型中,并应用有限元方法,实现了水合物沉积物在多场耦合作用下的应力与变形计算。通过与Masuda的实验结果以及TOUGH、FLAC、STARTS等商用软件的计算结果进行对比,证明模型可以准确的描述降压和注热对水合物分解产气的影响。通过模拟不同降压和升温条件下的分解产气问题,表明采用降压和注热联合开采方式比单独开采方式更能有效的提高水合物分解速率。通过分析开采过程中水合物沉积层的力学行为,表明该力学行为受到水合物开采方式的影响。该结论对开采方案的设计具有重要意义。4.模拟并分析钻井产热和水合物降压开采对开采井附近沉积层的影响,研究了水合物分布不均的条件下,钻井升温和降压开采引起的地层变形和应力分布规律。不同地层在相同升温或降压条件下,会表现出不同的力学行为。对于含水合物的沉积层,水合物分解会导致应力释放和较大的体积收缩。同时,水合物分解还会提高流体渗透性,加速了热对流。对于不含水合物的沉积层,其应力和变形会受到含水合物层变形的影响。不同沉积层表现出来的不同力学行为,引起了整体地层变形和应力的分布不均。此研究成果可以作为井区稳定性分析的基础。