【论文推荐】| 循环荷载下吸力锚与海洋水合物层相互作用数值模拟

论文导读与观点概要

1. 研究目的

随着海洋油气开发向深远海迈进，吸力锚基础极有可能贯入浅层天然气水合物沉积层。在风浪循环荷载作用下，吸力锚内部的孔隙压力波动可能诱发水合物解离，导致基础失稳。本文旨在建立热-流-固-化（THMC）多物理场耦合数值模型，探究循环荷载诱发水合物解离的作用机理，并分析水合物初始饱和度、沉积层温度等关键参数对吸力锚内部负压消散及稳定性的影响规律，为含水合物海域的吸力锚基础设计提供安全评估依据。

2. 研究方法

本文采用数值模拟与参数化分析相结合的方法：

3. 主要结果

🔥 水合物解离特征

📉 对吸力锚稳定性的影响

4. 结论

通过吸力锚基础与海洋沉积层数值模型仿真计算，模拟由于风浪循环荷载引起海洋沉积层孔隙压力波动和水合物解离反应过程，分析海洋储层有无水合物、储层中水合物初始饱和度、海洋沉积地层温度等一系列相关参数对海洋储层水合物解离和海洋沉积层压力场与渗流场分布的影响，得到以下结论：

1）循环荷载引起的孔隙压力周期性波动会导致海洋储层中的水合物进行解离反应，浅部储层中的水合物解离度最大，解离反应速率最快。水合物的存在及其解离会显著改变吸力锚内部负压的分布。在10.0 m深度处，水合物解离度可达5.01%，而在12.0 m深度处仅为0.86%，表明浅层水合物更易受孔隙压力波动影响。随着初始水合物饱和度的增加，吸力锚内“被动吸力”的范围逐渐缩小，负压消散速度加快，抗拔承载力显著降低。

2）随着沉积层温度的升高，水合物的稳定性显著降低，储层中的水合物含量迅速减少；温度较小为275.45 K时，水合物解离速率较慢，解离程度较低；温度增大至278.45 K时，水合物解离速率显著增大；且渗流速度较大的区域逐步扩展至吸力锚底部与外部沉积层的接触区域。这说明沉积层孔隙度与温度均对水合物解离具有显著影响，都会大幅促进海洋沉积层的渗流现象，水合物解离速率更快，吸力锚内部负压消散更为显著，土体固结性降低影响吸力锚基础的稳定性。

3）当储层不含水合物时，海洋沉积层中的压力梯度最小，吸力锚负压吸附范围最大；储层中含有水合物时，海洋沉积层中的压力梯度迅速增大，并且初始水合物饱和度由0.1增大到0.3时，吸力锚负压消散速度加快；较深的储层中水合物含量越高，锚内负压转化为地层初始压力的速度越快，吸附力消散，吸力锚稳定性越低。

综上所述，在海洋工程中，为确保吸力锚基础的长期稳定性和施工安全性，应尽量避免诱发水合物解离反应。具体措施包括优化吸力锚的设计参数，选择适宜的沉积层条件，以及减少循环荷载对吸力锚及周围储层的扰动。研究为吸力锚在水合物储层区域的工程应用提供了定量数据支持和理论参考，对提升海洋工程基础的安全性和可靠性具有重要意义。

💡 推广语：

这篇文章为深远海工程安全敲响了警钟！研究通过高精度数值模拟发现，吸力锚在“踩刹车”（循环荷载）时，可能会意外引爆海底的“隐形炸弹”（天然气水合物）。结果显示，水合物解离会导致吸力锚的“抓地力”（负压）快速流失，尤其是在浅层高温高饱和度区域风险最大。对于从事深海油气与风电基础设计的工程师而言，这是一份必须纳入考量的风险评估“红宝书”。

相关图表

本文引用格式：李望晨, 管龙飞, 杨建宇, 等. 循环荷载下吸力锚与海洋水合物层相互作用数值模拟[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 10-22.  (LI Wangchen, GUAN Longfei, YANG Jianyu, et al. Numerical simulation of the interaction between suction anchors and marine hydrate layers under cyclic loading[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 10-22.  (in Chinese)）

通信作者简介：邓学晶   

邓学晶，男，山东日照人，副教授。2007年11月 - 今，在中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院工程力学系工作；2007年10月，获大连理工大学岩土工程专业博士学位；1999年7月，获兰州理工大学结构工程专业硕士学位；1996年7月，获兰州大学理论与应用力学专业学士学位。2014年10月-2015年9月，在美国南卫理公会大学访问学者。发表学术论文20篇，EI收录11篇。主要从事岩土工程数值计算; 岩石断裂机理; 多物理场耦合理论及应用; 天然气水合物开发技术等方面的研究。

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