天然气水合物作为一种新型的清洁能源,近年来引起了世界各国的高度重视。天然气水合物生成和分解的相变微观特性决定了水合物的空间赋存规律及孔隙结构特征,伴随复杂相变产生的内部传热、传质恶化以及储层失稳是天然气水合物资源安全、高效开采面临的关键问题。因此,本论文开发了天然气水合物原位可视化系统,解析不同层藏条件下水合物相变生成微观特性和赋存规律,阐明多时变因素协同作用下水合物相变分解微观特性和强化分解方式,并进一步深入探究天然气水合物气体置换机制与优化方法,为天然气水合物资源安全、高效开采研究奠定基础。针对现有水合物可视化研究非原位、时空分辨率不足与组分分辨困难等缺陷,本论文开发了 X-ray CT原位3D成像系统和高斯消解模型,探究不同层藏类型气体水合物相变生成微观特性以及气-水-固三相多组分空间赋存演变规律;开发了 NMR原位可视化系统、孔隙网络渗流模拟以及基于1H化学位移的PRF测温方法,克服传统分布式点温度测量和红外热感成像的局限性,解析水合物相变生成微观特性对孔-渗-饱等宏观物理性质的影响;发展了 MRI原位可视化系统和基于横向弛豫时间校正的相分辨方法,探明多时变因素协同作用下水合物相变分解微观特性;设计了天然气水合物气体置换的低温、高压模拟实验系统与分析方法,展开多相态区气体置换机制和优化方法研究。首先利用开发的X-ray CT和MRI原位可视化系统,围绕不同气-水饱和度气体水合物相变生成微观特性及空间赋存演变规律展开研究:发现了气饱和气体水合物非均质成核和生长规律,阐明了“悬浮型”的低饱和度水合物以及“填充型”和“粘接型”的高饱和度水合物的赋存规律,解析了微气泡破碎强化相间传质、成型气液团簇促进水合物生成对CO2的二次封存机制;探究了盐离子、温度、细颗粒和饱和方式对水饱和气体水合物生成的影响,阐明了相态溶解、化学势差和渗流能力对盐水饱和过程的控制机制,为实验室尺度不同层藏条件水饱和气体水合物生成提出了最优的制备方式。利用MRI原位可视化系统对水合物相变分解界面进行了动态识别跟踪,重点研究了压力场(降压梯度、速度)、温度场(注热梯度、储层显热、环境传热)以及相态转换(分解、结冰、二次生成)对沉积层孔隙内气、水产出规律的影响机制,发现了主要受环境传热影响的“环形分解”微观特性和受储层显热主导的“均匀分解”微观特性,阐明了传统技术开采水合物资源的主要限制因素。提出了连续性降压调控方式,缓解结冰及水合物再生成逆反应;提出了压-热联调方法,显著提高水合物分解速率的同时,避免全过程注热热耗散高、能源效率低的问题;提出了氮气驱替开发方法,控制相变产水对储层渗透能力的弱化作用,实现连续、稳定的产气。基于上述天然气水合物相变分解微观特性和强化分解方式的研究结果,本论文进一步深入探究了多相态区气体置换的主控因素,构建Avrami模型和Shrinking Core模型解析了快速表面置换和内部缩核扩散-缓慢置换的全历程,阐明了 CH4-CO2混合水合物层阻碍CO2相间传质对气体置换的制约因素,并将连续性降压调控、梯度注热和小客体分子N2驱替引入快速表面置换末期,强化天然气水合物气体置换进程。