本论文分为两个独立部分:部分一是水合物沉积物中水合物分解相变阵面演化研究，为论文主体部分，部分二是水合物机械—热采法可行性研究，为论文附录部分。　　 天然气水合物（简称水合物）广泛分布于海洋湖泊深水地层和高纬度极地冻土地层环境（较低的温度和较高的压力）中，是21世纪最为重要的替代能源之一。水合物在多孔岩土孔隙中与土骨架形成水合物沉积物，并赋存于水合物地层。目前，加拿大、美国、日本等国在高纬度极地冻土环境下进行了水合物的试开采，单井平均产气速率约为103m3/d，试开采效率相对较低。水合物开采效率取决于水合物分解相变阵面传播速度。本论文结合室内实验、数值模拟和理论分析，开展水合物沉积物中水合物分解相变阵面演化研究，为提高水合物开采效率提供理论依据和新的思路。　　 首先，针对已有的水合物合成与分解实验系统进行水合物沉积物样品制备模块的改造。经改造，合成甲烷水合物饱和度上限由30％左右提升至80％左右，样品两端甲烷水合物饱和度差别缩小至10％以内。在此基础上，进行水合物降压分解室内模拟实验，测量孔隙压力、温度、产气量和产气速度，分析水合物沉积物渗流演化和温度变化过程。结果表明，气体渗流阵面的传播距离与时间的平方根近似成正比。　　 然后，提出水合物降压分解数学模型求解方法，以C语言编写求解程序，尽量保证数学模型边界条件与水合物降压分解室内模拟实验的边界条件一致，以室内模拟实验的实验数据对该数学模型进行适用性验证。结果表明，产气量的预测值与对应的实验数据符合良好，孔隙压力、温度和产气速度的预测值与对应实验数据趋势一致，局部存在一定差别。　　 最后，提出一端同时降压和加热的、另一端渗流封闭和绝热的水合物沉积物中水合物分解数学模型，分析水合物分解相变阵面和分解相变过渡区演化过程和控制参数，探讨水合物分解效率的制约效应，提出该模型的解耦分析思路。结果表明，水合物降压分解相变阵面和加热分解相变阵面传播距离以及水合物分解相变过渡区和加热分解区厚度均与时间平方根成正比;水合物分解相变阵面和分解相变过渡区演化过程的控制参数是气体渗流特征时间与热传导特征时间的比值;砂土类沉积物中水合物分解过程解耦分析思路可简化求解流程。　　 水合物分解效率由热传导效应控制，单纯提高热源温度或增加降压幅度对于提高水合物分解效率效果甚微，传热条件差是提高水合物分解效率的制约因素，从根本上解决由开采方式引起的传热效率低下问题是提高水合物分解效率的关键;　　 附录部分针对水合物机械—热采法进行初步研究。介绍该方法的概念模型;对该方法进行能量效率评估和经济性评价;概述该方法涉及的重要力学问题。结果表明，水合物沉积物由机械设备粉碎后与海水掺混，水合物在对流传热环境中快速分解，该方法具有较高的开采效率;该方法的能量效率（产能与机械耗能的比值）介于10～160之间，项目可在第6年实现盈利。