能源短缺是目前全球经济和社会发展面临共同难题和挑战,天然气水合物是未来全球能源发展的战略制高点,是解决世界能源缺口的重要可替代能源。天然气水合物在全球范围内储量巨大,仅我国南海储量达700亿吨油当量,相当于我国已探明油气资源总量的一半。研究海底天然气水合物开采时的储层相变、演化及灾变过程,揭示相关地层的力学性状及灾变机理,是保障天然气水合物开发利用、海洋地质灾害预测和深海工程基础建设的重要内容,对于确保我国能源供应安全以及经济社会可持续发展具有重要意义。本文首先建立水合物储层开采时上覆土层的热-水-力耦合作用解析模型,研究水合物开采对上覆土层的影响;然后基于有限差分法构建天然气水合物储层降压开采热-水-力-化多场相互作用数值分析模型,研究降压开采时储层温度、压力、饱和度及位移等多场耦合响应。最后结合水合物开采常重力试验和开采物理模拟相似律,研发天然气水合物开采超重力试验装置,主要工作及研究成果总结如下:(1)对于水合物储层的上覆土层,由水合物储层分解产生的额外液气压力和温度变化会在上覆土层底部累积振荡超静孔隙水压力,超静孔压达到峰值后逐渐消散,最后趋于稳定。开采过程中的热传递引起上覆土层热膨胀,随着开采进行膨胀变形不断累积增大,最大热膨胀量达土层的0.5%,且土层顶部和底部呈现显著差异,这对开采井稳定性影响较大。(2)降压开采时水合物储层产生剧烈的多场相互作用:井口附近的水合物分解速率较快,分解吸热导致储层温度降低,温度沿径向先降低后升高,分解产气速率大于排出速率,短期内气饱和度上升而水合物饱和度下降;由于井口周围较大的渗流梯度及应力突变,储层变形主要发生在井口周围r/R<0.3区域内,该区域内同位置的轴向应变约为径向应变的2倍;各点应变不断累积,最终趋于稳定。固相水合物分解会破坏原有的孔隙结构,颗粒骨架重分布,孔隙率变大。在此过程中,重力加速度的影响不可忽视。(3)对于水合物开采的物理模拟试验,真实模拟海底天然气水合物储层的热-水-力-化多场相互作用时空演变与灾变效应,需要满足关键的重力相似准则,已有常重力试验无法满足应力相似。通过超重力离心机能使模型海床中的应力状态与原型等效,水合物开采过程的应力场模拟才具备有效性。该超重力试验装置研发需要克服的主要技术点包括超重力下高压釜结构设计、超重力下高压伺服控制和超重力下水合物多模式模拟开采。