天然气水合物储层工程地质参数评价实验系统的主要功能如下：①通过多功能静力触探探头在模拟水合物储层中的贯入，获取探头贯入过程中模拟储层的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙压力、电阻率等参数，取得贯入路径的摄像资料；②基于不同层位的十字板剪切数据，与静力触探参数对比分析，提供精细的天然气水合物储层工程地质参数纵向分布规律；③与二维电阻率层析成像系统配合，刻画模拟储层中水合物饱和度及其分布对静力触探参数、十字板剪切参数的影响，揭示水合物储层工程地质参数响应机理；④预留声波静力触探探头、袖珍贯入仪、球形探头及其他多功能静力触探探头扩展接口，为多手段的水合物储层工程地质参数评价提供基础实验平台。

基于以上功能设定，本系统的核心功能是天然气水合物储层静力触探测试和十字板剪切测试。首先需要在室内利用高压气源和低温强制控温模拟天然气水合物的成藏环境，从而在原位制备特定的天然气水合物模拟储层，然后开展静力触探测试或十字板测试。为此，本系统采用模块化设计，其构成主要包括水合物快速合成反应釜模块、温度控制模块、静力触探模块、十字板剪切模块、层析成像测试模块、数据采集与监控模块（图1，图2）。系统整体耐压30 MPa，适合烷烃、水介质实验，适应工作温度：−10～50 ℃。

图  1  天然气水合物工程地质参数评价系统示意图^[22-23]

Figure 1.  Flow chart of the engineering-geological parameters evaluation system for hydrate-bearing sediment^[22-23]

图  2  天然气水合物工程地质参数评价系统实物照片

Figure 2.  Photo of the engineering-geological parameters evaluation system for hydrate-bearing sediment

该模块主要功能是模拟海底沉积物温度、压力环境并生成天然气水合物，实现与温度控制模块、静力触探模块、十字板剪切模块、电阻率层析成像模块之间的配合。主要包括反应釜本体、水合物模拟储层专用内胆、防水接插件和监控传感器等。反应釜本体内尺寸为Φ 325 mm×1 400 mm，安全许用耐压30 MPa；水合物模拟储层专用内胆为尼龙材质，主体尺寸Φ 300 mm×1 200 mm，壁厚10 mm。

为了促进天然气水合物快速合成并实现与其他模块的配合，水合物储层模拟专用内胆结构进行特殊设计，主要包括以下特点：壁面镶嵌通气孔，通气孔安装不锈钢滤网覆盖，内衬半透膜，透气不透水；内胆壁面嵌入温度传感器2层、电阻率层析成像测点3层；内胆温度、电阻率测点通过耐压等级为70 MPa的防水接插件与反应釜上盖连接（图3）。实验过程中，内胆与反应釜本体之间的空隙充满烷烃气体，当内胆内部的沉积物中生成水合物后，孔隙压力降低，外围气体穿透半透膜进入沉积物，进一步生成水合物。水合物生成过程中采用电阻率层析成像测点实时探测沉积物内部的电阻率场变化情况，进而反演沉积物中的水合物饱和度分布特征。

图  3  模拟水合物储层专用内胆及其测点布局

Figure 3.  The sediment container and layout of measuring points

该模块主要用于营造室内生成天然气水合物所需的低温环境。本模块通过水浴循环控制反应釜模块整体温度，通过冷媒换热介质对注入反应釜中的烷烃气体进行预冷却。通过双重控温来促进水合物的生成并维持系统温度恒定。该模块主要由釜外冷却系统和气体冷却系统等组成。温度控制区间−10～50 ℃，测量精度0.1 ℃，控制精度1 ℃。

该模块能够实现反应釜内部探头的匀速贯入，并获取贯入深度、锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力、电阻率和视频摄像。该模块主要由五桥静力触探探头、探头量测系统、贯入设备和辅助部件等组成。同时，该模块预留可扩展接口，以满足后期地震探头及其他多功能探头的扩展应用。贯入设备能够实现探头的匀速贯入（（20±5）mm/s），最大贯入力5 kN，最大贯入深度1 000 mm。

在静力触探探头选型及设计方面，常规15、10 cm²静力触探探头在扩充到四桥、五桥探头时技术门槛相对较小。但为了尽量消除边界效应，模型试验中模拟储层的边界必须足够大，这将大幅提升水合物模拟储层特别是泥质粉砂储层的制备难度。为此，本系统采用符合ISO Standard for CPT and CPTU国际标准的5 cm²探头为核心，研发了专用五桥静力触探探头（图4），探头外径与内胆内径的比例约为1∶24。探头的具体规格为：锥尖阻力量程0～50 MPa，测试精度0.1%；侧摩阻力量程0～1 MPa，测试精度1%；孔隙水压力：量程0～30 MPa，测试精度0.5%；电阻率：量程0～5 000 Ω·m，测试精度1%；视频录像：≥30 W像素；测试参数的量程允许1.5倍的过载。

图  4  五桥静力触探探头

Figure 4.  Five-bridges piezocone penetration probe

探头量测系统主要由静力触探探头、深度编码器、数据采集仪组成。辅助部件由真空饱和仪、高强度探杆、探头电缆、拉线编码器电缆组成。

该模块主要由量测系统、贯入设备、扭转系统和辅助部件等组成，其主要功能是测量含水合物沉积物十字板剪切强度、土体灵敏度等参数，与静力触探子系统对应的探测数据对比，从而获取准确的储层工程力学参数。十字板头采用两种规格的电测十字板（H=50.8 mm，D=25.4 mm；H=25.4 mm，D=25.4 mm），符合D 4648-00标准，满足耐压30 MPa需求，最大剪切扭矩M=15.4 N·m，最大抗剪强度260 kPa，测试精度1%。能够连续多次测量沉积物试样纵向十字板剪切参数，与静力触探模块接口通用，满足相互调换使用需求。扭转系统采用电机驱动，能实现多圈连续扭转，系统输出扭转力矩16 N·m，扭转角度的测试精度为1°，剪切过程中保证剪切扭转探杆与反应釜端盖的扭转密封。

电阻率层析成像测试模块的主要作用是：对沉积物中水合物空间分布信息“未探先知”^[24]，进而为静力触探、十字板剪切数据在水合物储层中的响应机理分析提供依据。电阻率层析成像测试模块主要包括层析成像测量电极、高压穿越电缆、ITS采集与数据解码仪、快速成像软件构成。

其中，电阻率层析成像测量电极为嵌入到水合物模拟储层专用内胆上的金属电极。本系统共设计3个测量位面，每个测量位面包含16个电极，测量电极通过浇注到水合物模拟储层专用内胆上的高压电缆与反应釜模块上端盖连接，并通过防水接插件与ITS p2+测量系统连接。层析成像系统采用四点法测量，利用线性反投影算法快速显示内胆中3个测量位面上的电导率场分布，由此推断水合物分布规律^[25-26]。

该模块主要用于水合物样品生成过程的温度、压力数据的采集和监控；静力触探过程中的锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙压力、电阻率值和视频摄像资料的采集及自动化处理；十字板剪切过程中扭剪力等参数的自动采集与处理等功能。该模块主要由数据采集仪、温度传感器、压力传感器、压力表及相应的数据采集软件等组成。数据可导出、能够实时采集、能够在软件界面实时显示。

采用砂土沉积物测试系统的静力触探贯入功能，将不饱和砂土分层填装到内胆中，打气压至5 MPa静置12 h，开展贯入测试，设定贯入速度2 cm/s，累计贯入4轮次（图5）。其中第一轮（No.1）测试结束后，回收贯入探杆，进行重复贯入测试（No.2）。然后将砂土从内胆中取出，重新装样、静置，重复上述贯入过程（No.3，No.4）。贯入实验证明，系统的贯入速度可以稳定维持在（20±5）mm/s，能够与现场工程地质调查使用的贯入速率保持一致^[27-28]。No.1、No.3贯入测得的锥尖阻力、侧摩阻力接近，测量稳定性良好。由于No.2、No.4贯入实验未进行重新装样和静置，导致沉积物中存在贯入后的空洞，因此，No.2、No.4贯入实验锥尖阻力严重下降，侧摩阻力基本消失。

图  5  砂土沉积物静力触探结果

Figure 5.  Piezocone penetration test results of sandy sediment

以南海神狐表层沉积物为介质，在常压下测试粉砂质黏土的静力触探特征，并与南海神狐海域天然气水合物试采现场工程地质调查测试的表层土样参数或实际测井数据进行对比（图6）。其中锥尖阻力和侧摩阻力由现场工程静力触探调查获取^[29]，电阻率数据为据文献[30]中W18站位的测井资料获取。由图可知，本系统针对南海粉砂质黏土的测试数据与现场实测数据处于同一量级，具有可比性。室内获取的侧摩阻力和锥尖阻力与现场实测数据非常接近。电阻率数据与现场数据处于同一量级，但差异较大的原因可能是实际工程地质调查使用的是三桥静力触探（锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力），未获取表层沉积物的电阻率数据，而测井数据为深度17.5 mbsf以深的数据，其压实程度、孔隙水特征等与表层沉积物差异较大。

图  6  南海粉砂质黏土静力触探功能测试结果

Figure 6.  Piezocone penetration test results for clayey-silt sediment from the Shenhu area of South China Sea

十字板剪切功能验证实验的主要目的是验证扭转机构的稳定性。为此，静力触探结束后直接更换十字板探头测试粉砂质黏土沉积物的扭剪曲线。每贯入5 cm进行一次扭转剪切，设置扭转速度为0.2 °/s，实际观察到扭转速度为0.167～0.30 °/s，测试结果如图7所示。

图  7  不同深度处十字板剪切强度

Figure 7.  Vane shear curves at different penetrating depths

根据图7的测试结果判断，反应釜内上层的黏土强度约为4 kPa，中层强度略高，约为7 kPa，均处于未固结软黏土的合理强度范围内。下层沉积物数据波动很大，且趋势并不明显，主要原因是静力触探测试结束后未重新装样，从沉积物上部直接填眼压实，导致下层土体空洞未消失，孔隙水在重力作用下在沉积物下部聚集，这一点与静力触探测试No.2、No.4中摄像头观察到的现象一致：上层土体呈现非饱和半密实状态，下层土过饱和，呈现似流动状态。

精确刻画沉积物体系中天然气水合物的空间分布特征是建立准确的储层工程力学参数-水合物饱和度关系模型的先决条件。ITS电阻率层析成像技术在二维水合物分布规律探测与快速成像方面的应用已在文献[31]中进行了详述。将该技术应用到解释工程地质参数评价系统中，我们测试了粉砂质黏土沉积物在均匀压实状态、探头贯入后、探头回收后的沉积物界面电导率场分布（图8），图8b中高电导率区域代表金属探头贯入沉积物后的状态，图8c中低电导率区域代表探头回收后在沉积物中形成的空洞。由图可知，电阻率层析成像能够在厘米级尺度反应系统内部的变化，为天然气水合物储层工程力学参数响应机理提供依据。

图  8  不同状态下的典型电阻率层析成像结果

Figure 8.  Electrical resistance tomography results under different conditions

由于水合物模拟储层制备周期长、制样难度较大，因此，以上功能验证实验均为不含天然气水合物沉积物的测试结果。总体而言，系统的贯入速率、扭剪速率基本能够维持与现场工程地质调查采用的施工参数一致，电阻率层析成像也能够与系统实现较好的配合。上述实验都是在高压条件下测试的，因此，测量的压力环境与水合物模拟储层一致，在后续针对天然气水合物模拟储层进行实验的过程中，主要瓶颈是快速制备含水合物模拟储层。

多功能静力触探结合十字板技术，能够在获取储层工程力学参数的同时获取储层的孔、渗、饱信息，是降低天然气水合物勘探开发成本、实现工程-地质一体化探测进程中非常有前景的一项技术。为了探索天然气水合物储层的工程力学参数响应特征及其响应机理，将多功能静力触探技术、十字板剪切技术与电阻率层析成像技术结合，自主研发了一套天然气水合物储层工程地质参数评价试验系统。该系统由水合物快速合成反应釜模块、温度控制模块、静力触探模块、十字板剪切模块、层析成像测试模块、数据采集与监控模块等构成。针对不含水合物的砂土沉积物和南海粉砂质黏土沉积物开展了静力触探功能测试及十字板剪切测试，测试结果证明系统的贯入速度可以稳定维持在（20±5）mm/s，与现场工程地质调查使用的贯入速率保持一致，十字板扭转速度为0.167～0.30 °/s，符合工程勘查要求。多次测量数据稳定性良好，与现场实测数据有可比性。目前系统已经经过多轮调试测试，完成功能验证并正在开展针对泥质粉砂含水合物沉积物的测试。

该系统不仅能够为静力触探、十字板剪切在水合物储层中响应机理的探索提供支撑，还可作为一套水合物开发工程-地质一体化新技术和新装备的综合试验平台，为新技术、新探头的功能验证和机理分析提供支撑。该技术的发展应该从两方面进行攻关：其一从基础理论与技术体系的角度，重点关注多功能探头贯入条件下天然气水合物储层的响应机理、主控因素。其二从现场装备和工程应用的角度，以现有多功能静力触探技术为核心，创新集成新型的天然气水合物工程-地质一体化探测探头。