天然气水合物具有全球范围内储量大、能量高、污染小等特点,被视为21世纪最有潜力替代石油、煤炭等常规化石燃料的清洁能源。随着我国海洋强国战略的提出,天然气水合物的安全、高效开采战略意义重大。降压法是目前水合物开采中使用最广、最具前景的一种开采方式。降压法的基本原理是通过降低储层压力,使固态水合物发生相变,进而成流态采出。上述过程会引起储层物性变化以及多相渗流;另一方面,在渗流场的剥蚀、冲刷作用下,脱落的砂颗粒在孔隙内发生迁移,大量的砂颗粒在渗流场作用下迁移至开采井的现象,被称为出砂。出砂会堵塞水合物渗流通道,影响水合物持续性、商业化开采。因此,研究水合物相变引起储层中多相渗流与砂颗粒迁移的耦合问题具有重要的理论和工程意义。本文针对水合物降压开采多相渗流以及砂颗粒迁移问题开展流固耦合数值模拟研究。首先,综合考虑水合物分解与多相渗流之间的动态耦合,建立了耦合水合物动力学分解与多孔介质非饱和渗流的数学模型,并利用COMSOL多物理场耦合有限元软件进行数值实现,与Masuda水合物分解试验进行对比,验证模型的合理性。基于敏感性分析结果表明:水合物的峰值产气速率随着渗透率、降压幅度的增大而升高,根据VG模型,初始含水饱和度的增加会导致气相相对渗透率减小,反而使得峰值产气速率降低;水合物饱和度降低速率随储层渗透率、降压幅度的增加而加快,随着初始含水饱和度的增加而减小。其次,考虑颗粒迁移与渗流场间相互作用,建立了饱和与非饱和状态下的砂颗粒在多孔介质内的运动模型,同时模拟实现了Yousif多孔介质颗粒迁移试验,验证了模型的合理性。通过砂颗粒在多孔介质内迁移敏感性计算分析得出:砂颗粒迁移速度随着流速和多孔介质颗粒粒径的增加而加快,表现为相同时间内出砂量增加;颗粒浓度的增加,促进了孔隙堵塞现象的发生,降低了颗粒在孔隙内的迁移速度,但由于多孔介质内颗粒含量增加,加大了可迁移至出口颗粒的比例,使得出砂量随之增加。最后,基于日本南开海槽实际试采工程数据,建立了充分考虑实际水合物层非均质性的水合物出砂过程流固耦合数值模型,该模型可以反映出水合物开采过程中储层成层非均质性对物性参数以及砂颗粒迁移的影响。研究发现:由于水合物储层成层非均质性,会引起垂向非饱和渗流,以及颗粒发生层间迁移的现象。该模型更加契合水合物实际生产情况,对水合物工业化开采理论完善具有一定的借鉴意义。