天然气水合物作为一种清洁能源,储藏丰富,能量效率高,在世界海域广泛分布,受到全球各国的高度重视。但由于其生成所需的温压平衡条件,它主要分布于强度较弱的海底浅表,分解易引发环境和工程安全问题,因此,对天然气水合物钻采作业进行风险分析,具有重要意义,而风险分析的基础是对含水合物地层物理力学特性的准确认识。本文主要通过模拟我国南海天然气水合物储层的地质条件,利用人工合成含水合物试样进行室内三轴实验,获取含水合物地层的岩石物理力学参数,在定量分析的基础上,建立合理适用的强度模型和本构模型。经过水合物储层力学理论建模,在分析深水浅层地质力学条件的基础上,对南海某实际钻遇水合物储层的井眼进行了井壁稳定性分析。研究结果表明,总体上看,水合物饱和度和有效围压的增大,会引起峰值强度的增加,但围压增加引起的峰值增量逐渐减小。弹性模量随有效围压增大而线性增大,而泊松比受各条件变化引发的变化不具明显规律。天然气水合物地层的成岩性不同(胶结程度),孔隙内水合物饱和度和有效围压引起的储层力学性质变化特征不同。在孔隙度相同的情况下,颗粒胶结较弱的储层受天然气水合物充填胶结和有效围压变化的影响更为明显,因此钻采作业遭遇这类地层时,天然气水合物的分解更具危险性。基于实验定量分析,建立了适用于三类储层(具有一定成岩性的粉砂层、成岩性较差的粉砂层和未成岩的含泥粉砂层)的修正Mohr-Coulomb强度准则,针对应力-应变关系与常规岩石明显不同的未胶结含泥粉砂储层,建立了双曲线本构模型,可准确计算不同条件下的天然气水合物储层抗剪强度和应力-应变关系。另外,由深水浅部地层物理力学特性和应力状态出发,建立了深水浅层井壁稳定计算模型,并对南海A井浅部地层进行了井壁稳定评价。结果表明,总体来看,地层由上至下,井壁坍塌风险有增大趋势,而破裂风险减小。深水浅部地层安全钻井液密度窗口狭窄,但随井深增加,窗口逐渐扩宽。天然气水合物储层段,坍塌压力当量密度显著降低,可直接采用海水钻进。但由于储层力学性质改变,其地应力水平相应发生改变,破裂压力降低,破裂风险增大。本研究针对南海天然气水合物储层物理力学特性进行了实验定量分析和理论建模,并进行了工程案例应用,为南海天然气水合物钻采工程设计和优化提供依据和参考。