天然气水合物是一种潜在的清洁能源，稳定赋存于海底冻土带和海底沉积物中。含水合物沉积物（GHBS）的力学行为非常复杂，受到诸多因素的影响。深入理解和认识含水合物沉积物力学性质对于保证天然气水合物长期的安全、稳定开采具有重要意义。已有的室内力学试验中表明，含水合物沉积物与不含水合物的沉积物试样的剪切强度差，随着水合物饱和度的增加出现一个突变的现象，由于室内试验条件的局限性，尚未对这一现象提供合理的解释。另一方面，已有的基于离散元方法的含水合物沉积物的模拟研究中，尚未考虑随着水合物饱和度的变化可能引起的水合物赋存形态转变这一因素对含水合物沉积力学行为的影响。

近日，北京天然气水合物国际研究中心博士研究生钱安娜，基于离散元方法构建了微观的含水合物沉积物模型，利用直剪试验研究了不同水合物饱和度和垂向应力作用下含水合物沉积物的宏观和微观力学行为。通过含水合物沉积物的剪切强度、内聚力、内摩擦角、剪切带、平均配位数、裂纹数量的演变等多角度综合分析，发现随着水合物饱和度的增加，含水合物沉积物内的水合物赋存形态存在转变，为已有的室内力学试验发现的剪切强度突变现象从微观角度提供了一种解释。

图1 不同水合物饱和度下GHBS中水合物颗粒与沉积物颗粒的内聚力相互作用机理

图2 不同水合物饱和度下水合物在GHBS离散元模型中的赋存形态

相关研究成果Numerical simulation of direct shear tests on gas hydrate-bearing sediments using the discrete element method 近期发表在《Gas Science and Engineering》（原《Journal of Natural Gas Science and Engineering》）上，北京大学北京天然气水合物国际研究中心博士研究生钱安娜为该论文的第一作者，北京工业大学城建学部丁言露博士和北京大学北京天然气水合物国际研究中心卢海龙教授为该论文的共同通讯作者。

上述研究得到了广东省基础与应用基础研究重大专项(No.2020B0301030003) 和中国地质调查局（DD20221703）的资助。

原文信息：

Qian A, Ding Y, Lu H, et al. Numerical simulation of direct shear tests on gas hydrate-bearing sediments using the discrete element method[J]. Gas Science and Engineering, 2023: 204995.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jgsce.2023.204995