天然气水合物因其资源储量巨大、能量密度高、燃烧清洁高效,被认为是全球最具潜力的新型替代能源之一。目前中国南海天然气水合物资源储量巨大,其勘探开发研究正进入关键突破阶段,实现天然气水合物资源的安全、高效开采利用将对缓解我国能源紧张、优化能源结构、保障能源安全意义重大。实际天然气水合物资源的开采本质上是多孔介质内伴随相变的传热传质、气水渗流的多场多因素耦合的复杂过程,探明微孔隙尺度气体水合物分解过程传质控制机理,解析水合物相变过程微观结构演变对实际储层岩心渗透特性以及对气-水运移的影响机制,将对水合物资源的高效开发与利用具有重要的理论指导意义。本文围绕以上科学问题,为了探明水合物微观分解过程传质控制机制,基于微纳米尺度下液体原位透射电镜与原子力显微镜技术,首次捕获并跟踪了水合物相变分解水层中纳米气泡的布朗运动过程,提出并证实了水合物相变分解过程纳米气泡控制传质机制。研究发现水合物分解液纳米气泡尺寸均值粒径在100-150nm,且呈对数正态分布规律。溶液中气体过饱和度是影响气泡尺寸演化的主控因素。基于动态光散射技术并引用气泡界面双电层理论,阐明了纳米气泡体系Zeta电位变化规律,气泡直径下降,带来表面电荷密度增大,引起Zeta电位升高。通过对纳米气泡内部压力与密度的计算,以及实验发现纳米气泡缩短水合物二次生成诱导时间,进一步揭示了纳米气泡内部高压、高密度是诱发水合物二次成核即记忆效应关键因素。通过对水合物生成分解过程原位可视化研究,实验得出水合物在微纳米气泡表面优先成核,随后进入晶体生长铺膜阶段。微纳米气泡控制了水合物生长形态,枝晶状生长形态优先倾向于沿着气泡方向生长,并且控制了水合物生长路径,增强了水合物生长进程中气体传质速率。借助MRI技术发现了在相平衡之上的阶段性降压带来的压力扰动以及温度的降低,造成液相溶解气大量析出形成微纳米气泡富集液,促进了相界面的水合物二次生成捕获,该系列实验系统阐明了微纳米气泡在水合物微观生成过程中增强传质以及促进相变成核机制。随后探明水合物在孔隙中相变微观结构演化规律,开发了低场核磁共振NMR原位测量水合物相变过程岩心渗透率技术,通过水合物相变过程中微孔隙空间自由水/束缚水-水合物实时饱和度分布以及孔隙结构演化规律,确立了水合物由孔隙填充型向胶结形态转化的临界水合物饱和度约为35%,获得了水合物不同赋存饱和度下岩心渗透率模型。进一步开发不同渗透率下岩心相变气水运移产出数值模型,阐明了低渗透岩心内部较高压差是气水产出的主要驱动力,外围径向传热及储层显热是分解驱动的主要能量来源。围绕南海天然气水合物储层取样岩心展开基础物性分析,系统提取岩心三维骨架结构,颗粒特征及水合物赋存形态。借助开发低场核磁共振NMR测量储层岩心渗透率。通过建立南海物性特征储层岩心物理模型,针对降压、注热及联合三种开采技术的岩心气-水产出规律与开采效率进行了模拟对比分析;储层渗透率是直接控制水合物相变分解气-水多相渗流的关键;渗透率较低的储层岩心在注热条件下有利于提高产气效率,但不利于初期的气-水流动,产气波动较大。针对南海较低渗透率储层,采用压-热联调的方法能大大提高单一降压法的气体产气速率。在实际水合物开采过程中及时排水是提高储层产气效率的有效手段。