天然气水合物是一种重要的新型能源,具有储量大、污染小和能量密度高等优点,开采潜力巨大、应用前景广阔。我国南海天然气水合物储量约为陆上石油、天然气资源总量的一半,实现我国天然气水合物的开发,具有重大战略意义。世界各国的天然气水合物试采实践表明,水合物藏稳定、高效开采仍然是世界难题,亟需大量基础研究,以形成对水合物生产控制机理及影响因素的全面深入理解。水合物分解生产的本质是打破水合物在储层内的温压相平衡,水合物储层的渗流特性是决定开采过程中热动力条件演化的关键因素。渗透率的大小及分布特征是评价水合物储层质量、制定合理开采方案的重要依据。不同于油气藏,水合物藏的渗透率随着水合物的相变发生改变。渗透率的动态变化本质上受水合物孔隙行为演化的影响。然而,水合物孔隙行为演化与渗透率动态变化的定量关联仍是目前的研究缺口,导致难以构建准确的渗透率预测模型,进而影响水合物藏生产性能的可靠评价。本文从多尺度展开了多孔介质内水合物相变过程中渗透率的相关研究,以孔隙尺度水合物孔隙行为演化数值模型构建及规律分析为出发点,构建了岩心尺度水合物赋存多孔介质渗透率预测模型,并进一步应用于场地尺度我国南海水合物藏生产性能评价中。主要研究内容和结果如下:(1)基于相间作用力平衡以及水合物相变动力学,构建相变过程水合物孔隙行为演化数值模型并验证其可靠性。结合水合物孔隙赋存形态的原位实验观测,提出水合物孔隙形态演化的水动力学及热动力学联合控制机制,揭示水合物由颗粒壁面逐步生长至孔隙中心的孔隙行为演化规律,并量化由水合物相变引起的关键孔隙结构特征改变,实现水合物孔隙行为演化与渗透率动态变化的定量关联。结果显示,当水合物饱和度增加至0.3以上时,渗透率降低为初始值的10%左右。(2)水合物赋存岩心的渗透率,既受骨架多孔结构影响,又随水合物相变而改变。基于核磁共振成像对多组玻璃砂岩心孔隙结构的表征,构建用于描述其孔隙度-渗透率关系的多种形式Kozeny-Carman模型,并以此作为参考框架对多种水合物赋存天然岩心骨架渗透率预测进行分析。基于渗透率随水合物孔隙行为演化的变化规律,引入一水合物饱和度阈值来界定水合物孔隙行为演化对渗透率变化影响的转变点,从而构建水合物赋存多孔介质渗透率预测模型。该模型对多孔介质类型、水合物相变工况的依赖性低,对多组实验及场地测量数据的预测精度高达90%以上,具有广泛的应用性。(3)水合物藏渗透率具有各向异性特征,然而在水合物藏生产性能评价中常常被忽视。以中国南海神狐地区水合物藏为例,数值分析不同程度渗透率各向异性对不同岩性储层中水合物降压生产性能的影响。结果表明,渗透率各向异性会降低产气速率的峰值大小并推迟其出现的时间,甚至导致生产提前终止,因此不利于水合物藏的高效生产。当考虑其影响时,砂质储层的产气量显著降低,其生产性能不再优于粉砂储层。(4)水合物填充型裂隙普遍存在于海洋、冻土水合物藏,具有高水合物饱和度、高孔隙度以及高渗透率特征,不仅对水合物储量有所贡献也加剧了储层渗透率分布的非均质性。通过数值模拟中国神狐、韩国Ulleung以及加拿大Mallik地区裂隙型水合物藏的生产过程,可以发现:裂隙能显著影响储层内流体运移和压力传递的路径,影响程度与范围受到外部流体补充能力及内部流体运移能力的限制。神狐地区盖层外充足的流体补充使得裂隙内的水合物完全分解,进而提升了生产中后期的气体产能。此外,由裂隙分布改变引起的温压场演化效率与路径的差别较为显著,常常成为了威胁气体连续生产的“不利因素”。对于Mallik及神狐地区上盖层可渗透的水合物储层,气体生产可能由于裂隙分布的改变而提前终止。