天然气水合物能量密度大、分布范围广、清洁无污染、储量丰富,被认为是21世纪最具开发潜能的新型战略能源。但与常规的油气藏不同,在开采过程中天然气水合物发生分解会引起储层变形和强度的降低,导致开采井系统失稳,诱发工程地质灾害。我国南海水合物储层以泥质粉砂型水合物储层为主,矿物成分主要由碎屑矿物石英和黏土矿物蒙脱石、伊利石组成。水合物储层非均质性强,矿物成分及含量随站位发生改变,特别是黏土矿物的变化会导致力学性质的巨大差异,研究黏土矿物对泥质粉砂水合物沉积物力学性质的影响对实现水合物的安全开采非常重要。因此,本文针对伊利石和蒙脱石两种黏土矿物,开展了泥质粉砂水合沉积物的力学特性研究,探明了黏土矿物类型和含量对泥质粉砂水合物沉积物强度、模量及变形特性的影响,明确了降压分解过程中,泥质粉砂水合物沉积物力学性质的变化规律。构建了泥质粉砂水合物沉积物的数值模型,并根据试验得到的力学参数对模型进行优化,通过分析接触力链和位移场等细观特征,揭示了泥质粉砂水合物沉积物力学演化机理。首先通过SHWSZ-3型低温高压水合物三轴测试仪分别对含0%、10%、20%、30%质量分数的伊利石和蒙脱石泥质粉砂水合物沉积物试样进行三轴剪切试验,分析了黏土矿物类型和含量对强度和变形特性的影响。结果表明,黏土矿物的存在使得试样均表现为伴随剪缩的应变硬化行为,随着黏土含量的增加破坏强度依次降低,刚度受黏土含量的影响较小。总体上,含伊利石试样的强度和刚度均大于含蒙脱石试样。因蒙脱石吸水形成厚的水化膜,含蒙脱石试样的内聚力要高于含伊利石试样,内摩擦角则相反。随着黏土含量的增加,内摩擦角降低,内聚力未表现出明显递增或递减的变化规律。随后,分别对降压分解至不同残余饱和度的含伊利石和含蒙脱石的泥质粉砂水合物沉积物试样进行多级加载剪切试验。结果表明,泥质粉砂水合物沉积物的强度和刚度均随残余水合物饱和度的降低而减小,随着有效围压的增大而增大。但多级加载剪切试验获得的刚度因积累了早期阶段的应力、应变,数值上偏大,因此多级加载剪切试验获得的刚度值仅作为定性结论分析。内聚力随水合物的分解呈明显下降趋势,但内摩擦角仅有小幅降低,主要原因是黏土颗粒吸水形成水化膜起到了润滑作用。说明水合物分解过程中沉积物强度的降低主要是由内聚力变化引起的。最后,根据南海泥质粉砂水合物沉积物的特点,构建了考虑毛细水效应的颗粒流数值模型,并进行了双轴压缩数值模拟,通过分析接触力链和位移场等细观特征揭示了泥质粉砂水合物沉积物的力学演化机制。模拟结果表明,构建的数值模型能够捕捉泥质粉砂水合物沉积物的主要力学性质,表现为应变硬化行为的泥质粉砂水合物沉积物随轴向应力的增加,其接触力链持续增大,强接触力链呈竖向分布形成稳定的结构起到承担轴向载荷的作用,试样最终产生“突变性剪切破坏”,其中含伊利石的试样变形小于含蒙脱石试样。表现为应变软化行为的粉砂水合物沉积物当达到峰值强度时,其强接触力链最大。随后强度降低,强接触力链逐渐减弱且呈不连续分布,试样发生“渐进性剪切破坏”。