随着常规能源日益枯竭而能源需求不断增长,寻找和开发非常规能源已迫在眉睫。作为国际公认最具商业开发前景的新型清洁能源的天然气水合物（简称为水合物）广泛分布于海域沉积物和陆域冻土区,具有能量密度高、分布广、规模大和埋藏浅等特点,本文以祁连山冻土区水合物为对象,开展了试开采的相关研究。祁连山冻土区水合物主要以薄层状、片状、团块状和结核状方式充填在泥岩和油页岩裂隙内,少量以浸染状充填在砂岩孔隙内。2011年,采用降压法和热激发法在该地区实施了我国首次水合物开采试验,历时101小时,产气95 m3。虽然试采取得成功,但产气量和能量利用率低,因此有必要对该地区水合物开采开展深入研究。本文首先对该地区水合物形成机制及埋藏特点进行分析,以更好地选择开采方法和开采参数。祁连山冻土区水合物形成机制可归纳为:地层沉降与隆起控制烃源岩生气-断裂与地层控制运聚-冻土控制成藏。来自深层的热解气通过断裂向上运移;在低孔低渗泥岩和油页岩层及具有强压扭特征的F1、F2断裂共同封堵作用下,气体在浅层破碎带及岩层裂隙内形成气体聚集带;综合考虑祁连山水合物气体组分复杂与地层温压条件,可推测出水合物稳定带为100m⁴00m;在稳定带与气体聚集带交叉区域形成水合物藏。这种形成机制下产生了埋藏浅、矿层薄、不连续和受断裂控制影响大的水合物藏,因此开采时需准确选定层位,并考虑低储层压力这一特点。为获取水合物藏特征参数,分析注热开采效果,本文采用Tough Hydrate数值模拟软件对试采工程进行模拟。降压开采模拟结果显示,水合物饱和度低,结合水合物分解速率模型,推测出该地区裂隙填充型水合物饱和度约为2.5%。注热开采模拟结果显示,加热影响范围明显小于降压开采影响范围,在本次试采中,注热对水合物分解速率影响较小,分析认为是加热时间过短导致加热影响范围有限。由于该地区水合物饱和度太低,为开采少量水合物需要将整个水合物储层温度升高,导致热激发法开采成本相对较高,为此本文提出采用气体置换法开采裂隙介质下水合物。置换开采裂隙介质内水合物涉及到气液运移规律和CO₂/N₂/CH₄混合气水合物相平衡条件,对此本文分别开展研究。引入双孔隙系统分析,建立含水合物裂隙系统内气液运移方程,分析可知影响气液运移效果的主要因素为各相饱和度。通过数值计算可知,在含单个裂隙的裂隙充填型水合物储层模型中,全局流动受裂隙控制,在置换开采过程中主要考虑裂隙即可,为便于CO₂气体的注入,需将裂隙系统内水饱和度降低至0.273之下,使裂隙内气液两相流动状态呈分层流。通过CO₂/CH₄和CO₂/N₂/CH₄混合气水合物相平衡条件可分析置换压力、水合物饱和度和气体饱和度等参数对置换效果的影响,以选择置换开采参数。对于祁连山冻土区水合物藏,储层压力低,水合物饱和度低,在置换过程中气相足够,可以选择低压力CO₂或CO₂含量相对较多CO₂/N₂混合气置换开采。最后,通过裂隙介质下置换开采实验探讨裂隙宽度、水合物形态和置换介质对置换效果的影响。岩心裂隙内采用不同厚度的水层进行CH₄水合物合成及置换开采,当水层较厚时,合成过程中水的转化率较高,但置换率相对较低。当水层为3mm时,水转化率约为55%,CO₂置换开采的最终置换率约为8.8%,采用CO₂/N₂（3:1）可以提高置换率,提高幅度约为80%。置换开采初期,CH₄产气速率和置换气体消耗速率均较高,前24小时置换率约为5⁸%,随着置换反应的进行,置换速率逐渐降低,分析认为层状CH₄水合物或结核状CH₄水合物表层逐渐形成一层混合气水合物和CO₂水合物,阻碍了气体与CH₄水合物的传质效率。除裂隙宽度和置换介质影响置换效果外,水合物产状在很大程度上影响着置换开采效果,通过实验4和其他实验对比可知,相对结核状和分布不均的厚层状CH₄水合物,当CH₄水合物层状分布效果较好时,可大幅度增强置换效果,实验4的最终置换率相对实验1的最终置换率有明显提高,水合物产状对置换效果的影响强于置换介质和裂隙宽度的影响。基于以上分析和实验结果可知,裂隙介质下置换开采水合物的主要影响因素为水合物产状、系统中水饱和度、置换压力和置换介质。水合物产状影响了置换接触面积,进一步影响到置换速率和最终置换率;系统中水饱和度不仅会影响气液运移规律,还会影响到置换过程中气体与水合物的接触条件;置换压力和置换介质涉及到系统达到相平衡时气相中和水合物相中气体组分,进一步影响到理论置换率,置换压力和置换介质的选择还需结合储层压力、水合物相饱和度和气相饱和度等参数。本文详细讨论了祁连山冻土区水合物的形成机制,并通过实验和模拟进行验证分析,为该地区水合物的成藏总结及其他冻土区水合物的寻找提供了一定的指导。首次建立了裂隙介质下水合物藏的气液流动方程,并通过理论计算详细分析了各相饱和度对裂隙储层内气液渗透率的影响。通过开展裂隙介质下水合物置换开采实验,明确了置换开采裂隙介质下水合物的主要影响因素,便于进一步开展置换机理的研究。