了解天然气水合物储层力学特性是地质风险防控和安全高效开发的基础和前提，揭示其复杂工况下的破坏机制是当前面临的关键问题之一。然而，目前对水合物沉积物剪切断面破坏特征的研究较少，导致剪切破坏机制研究尚不深入。针对上述问题，本文创新性的研发了一套适用于水合物沉积物在直剪条件下的界面特征观测装置，开展了一系列直剪实验以观测剪切断面形态，探讨了微观断面参数与宏观力学参数的内在联系，旨在揭示天然气水合物储层的变形模式和破坏机理。结果表明，剪切荷载-水平位移曲线主要分为三个阶段：弹性变形阶段、应变软化阶段和稳定阶段。峰值剪切载荷和抗剪强度均随水合物饱和度的增加而增加，而随剪切速率的增加而减小。所有水合物沉积物试样的剪切断面都呈现 “凹”、“凸”和“S”形状等曲面模式，且裂纹数量和走向表现出显著的差异。观察发现剪切荷载-水平位移曲线和剪切断面形态均与剪切速率密切相关，特别是抗剪强度、剪切断面粗糙度和裂缝数量。此外，基于实验数据建立抗剪强度和剪切断面粗糙度的高精度经验预测公式。水合物沉积物试样的变形机制和强度行为主要取决于沉积物颗粒的运动模式、水合物强度和水合物沉积物胶结强度。上述研究为评价地质力学稳定性和储层地质风险防控提供理论参考。

水合物沉积物；直剪实验；剪切断面形态；力学参数；破坏机理