2021年,我国原油对外依存度超过70%,国家能源安全面临严峻挑战。天然气水合物具有储量大、埋藏浅、分布广等特点,是未来清洁油气接替资源。我国南海神狐海域天然气水合物储层岩性为黏土质粉砂型,黏土含量约26%～30%,黏土矿物具有扩散双电层结构,对水分子具有较强的结合力,不同黏土矿物吸水可发生不同程度的膨胀。因此,黏土矿物对天然气水合物的形成条件及泥质粉砂沉积物导流能力具有显著的影响,本文针对天然气水合物相平衡性质、结合水-水合物形成特征以及水合物再形成规律开展理论和实验研究。与粉砂介质不同,黏土矿物表面具有双电层结构,水分子受到双电层束缚,根据结合力的不同,可分为强结合水和弱结合水,结合水形成水合物的条件与自由水水合物存在差异。本文采用逐步升温法测量了1℃-10℃、3 MPa-10 MPa范围黏土矿物结合水水合物的相平衡条件,该方法通过增大合成压力、延长合成时间,促使黏土矿物中弱结合水向水合物的充分转化,然后逐步升温促使结合水水合物从内层向外层逐步分解,测定距离黏土表面不同位置弱结合水水合物的相平衡条件。实验测得不同黏土矿物表面最内层弱结合水水合物相平衡温度和压力,钠基和钙基蒙脱石均为1.0℃,4.30 MPa,伊利石为1.0℃,4.06 MPa,这说明黏土矿物结合水水合物形成条件远高于自由水水合物（1.0℃,2.82 MPa,由ChenGuo水合物热力学模型计算）。结果表明,与黏土矿物表面距离越近,弱结合水水合物形成条件越高,这主要是由于距离黏土矿物表面越近,结合水的活度越低,结合水水分子构建水合物笼型结构的难度越大;而与黏土矿物表面距离越远,结合水的活度越接近自由水,弱结合水水合物的形成条件趋近于自由水水合物。此外,同层位弱结合水水合物形成压力随温度升高显著升高,这与自由水水合物温度和压力关系相似。水合物相平衡性质是开展天然气水合物资源勘探开发的理论基础,本部分研究结果对天然气水合物资源量评价、开采工艺设计和开采进程的判定提供了重要理论依据。黏土矿物结合水相平衡的研究,为更好地了解黏土矿物中水合物的形成动力学特性提供了指导性方向。本文在2℃的温度下,实验研究了湿蒙脱石和伊利石中结合水形成二氧化碳水合物的过程。利用低场核磁共振技术测定了水的类型和含量。分析了黏土矿物种类、含水率和形成压力对气体储存能力的影响。在水合物形成过程中,湿黏土T2分布谱的峰位向左移动,表明弱结合水从扩散双电层的外层有序地向内层转化为水合物。残余水被认为是流动性极低的强结合水,不能完全转化为水合物。黏土比砂具有更高的吸水能力。随着含水率的增加,气体在蒙脱石中的储存从表面吸附转变为水合物的形成。拐点在含水率15%左右。当含水率从0%增加到15%时,气体储存量的减少可能是由于水分子与气体分子竞争并占据在吸附位点上。当含水率高于15%时,由于弱结合水所受结合力降低,二氧化碳水合物开始形成,气体储存量增加。与蒙脱石不同的是,在强结合水含量较低的伊利石中,随着含水率从5%增加到20%,气体在弱结合水中持续转化形成水合物。由于扩散双电层中结合水活性的变化,弱结合水最终生成的水合物量随着压力的升高而增加。这些结果不仅将拓宽对黏土结合水系统中形成天然气水合物的理解,还将促进对黏土沉积物中二氧化碳水合物储存的安全性和潜力的新评估。水合物再形成是天然气水合物降压开采过程中广泛存在的现象,也是影响产气速率和生产安全的重要障碍。黏土作为海洋沉积物中的一种常见矿物,其吸水膨胀性和结合性可改变多孔介质局部渗透性。本文自主研制了一维长管水合物模拟平台,在纯砂和含黏土石英砂两种多孔介质中,研究水合物已分解区在无水条件下气体节流膨胀效应温度场的变化规律和在含水条件下水合物再形成演化规律,并总结了黏土的作用。实验表明随进气压力增大和出气压力减小或者在相同压差条件下随流量增大,两种多孔介质中的节流膨胀效应增强,温度下降幅度和下降速率增大;水合物再形成起始时间提前,区域增大;但是水合物再形成起始位置恒定在距入口端50 cm处,主要沿气流方向扩展。含水条件下渗透性减小导致气体节流膨胀效应减弱,温度变化程度减弱;水合物再形成时间延后、扩展范围缩小。水合物大量形成后,局部渗透率快速下降,压力抬升导致水合物再形成区域的进一步扩大。由于黏土形成团聚体结构导致孔径变大、渗透率增大,入口端节流膨胀效应大幅减弱,温度下降幅度减小,不出现纯砂介质中中部大量形成水合物的现象。另外黏土发生运移改变了局部渗透率,使局部温度下降幅度增大,导致了水合物再形成起始时间和位置的变化。水合物形成后对管内气体进行分段计算并获得实验结束状态的水合物饱和度分布情况。纯砂介质中水合物大量形成在距入口50cm附近,而含黏土多孔介质在出气端。在开采过程中可通过压力调控和井周加热的方法抑制二次水合物的形成。本文对黏土矿物中结合水水合物的相平衡性质和形成机理开展实验研究,并揭示了纯砂和含黏土石英砂沉积物中水合物再形成特征及演化规律,研究结果可为泥质粉砂天然气水合物的勘探开发提供理论基础。