天然气水合物储量丰富,广泛分布于永久冻土带和深海沉积层中,被认为是21世纪最具商业开发前景的新型能源。天然气水合物开采过程可能引起储层胶结弱化和强度衰减,进而引起储层沉降和变形,甚至引发储层失稳和结构物破坏等工程地质灾害。我国南海水合物储层以非成岩的粉质沉积物为主,全面评价其力学特性是我国天然气水合物安全开采面临的一项重要课题。本文以此为背景,分析了天然气水合物沉积物模量、强度和变形特性及其影响因素,探明了二氧化碳置换、降压分解和注热分解三种过程对天然气水合物粉质沉积物力学特性影响规律,并基于获得的南海重塑天然气水合物沉积物强度及变形特性数据,结合水合物开采全耦合模型模拟了南海神狐海域GMGS3-W19低渗透水合物储层降压开采过程,为我国天然气水合物安全开采提供理论依据和方法。具体工作如下:制备了多种砂质和粉质天然气水合物沉积物,并进行探针、剪切和分解实验研究,分析了宿主颗粒、围压和温度等因素对天然气水合物沉积物强度特性影响规律,发现较大平均粒径可以提高天然气水合物沉积物强度。同时,研究了水合物生成过程宿主沉积物小应变模量和强度演化规律,发现了水合物生成过程宿主沉积物小应变泊松比逐渐降低的现象,探明了水合物胶结强度依赖于宿主颗粒比表面积这一特性,发现粉质沉积物相比于砂质沉积物在降压分解中小应变模量和强度的损失更小。根据南海水合物岩心颗粒级配曲线制备天然气水合物粉质沉积物,并对其进行等压固结、剪切和分解实验研究,分析了天然气水合物粉质沉积物在二氧化碳置换、降压分解和注热分解三种过程中的强度变化及变形特性,发现水合物热力学稳定性差异是造成二氧化碳置换前后粉质沉积物力学特性变化的主要原因,降压和注热分解过程沉积物变形幅度主要由有效应力与有效应力比决定,以及初始水合物饱和度会影响沉积物变形路径的现象,分析了孔隙压力下降和水合物分解对沉积物变形的各自贡献率,探明了水合物分解导致的粉质沉积物粘聚力下降是其强度衰减的主要原因。利用南海神狐海域水合物岩心重塑了天然气水合物沉积物,分析了水合物饱和度和有效围压对重塑天然气水合物沉积物力学特性影响规律,建立了水合物饱和度与沉积物强度参数的线性关系;同时,研究了降压分解过程重塑天然气水合物沉积物变形特性,发现当轴向荷载低于水合物沉积物强度的80%时,降压分解不会引起沉积物的破坏。建立了南海水合物开采全耦合模型,结合重塑天然气水合物沉积物弹性模量、粘聚力和内摩擦角等力学参数,对南海神狐海域GMGS3-W19站位低渗透水合物储层进行了降压开采模拟。结果表明:在降压产气过程中,储层最大应变为1.4%,边坡稳定;近井区域储层位移达到0.16m,位移量超出井半径值0.15m,开采井可能发生变形并影响天然气水合物的安全开采。