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天然气水合物(Natural Gas Hydrate，NGH)具有储量大、分布广、清洁环保等优点，是未来传统化石燃料的替代能源之一。降压法作为最具潜力的开采方法之一，虽已在多次NGH现场试采中得以应用和验证，但其开采技术及工艺不成熟，开采速率慢、成本高;开采地质安全、产砂及二次水合物形成等仍是制约NGH资源开发利用的关键。本文在系统调研国内外NGH降压开采研究现状与发展趋势的基础上，针对我国南海神狐海域NGH成藏特征，采用实验模拟和数值模拟研究方法，系统深入地研究了降压开采工艺（降压模式、降压速率、井间距）及水合物藏类型对沉积物中NGH三维降压开采特性与开采规律的影响机制，研究了沉积物中有机质对开采过程二次水合物形成分解的影响机制。研究成果可为我国南海NGH降压开采工艺优选及二次水合物预测与防治提供理论与技术支持，具有重要科学意义和应用参考价值。主要创新性工作及研究成果如下:
(1)采用实验室自行研制的天然气水合物三维开采模拟实验装置，实验阐明了单级和不同多级降压模式下NGH开采产气产水特性，温度、压力场变化规律及其影响机制。水合物藏降压开采均包括稳定降压、不稳定降压及定压三个阶段;降压初期有水合物继续生成和放热，温度可升至10.3℃;不稳定降压期间水合物藏压力、温度基本沿着P-T相平衡曲线变化，其产水速率可降至稳定降压阶段的1/3;单级降压时水合物藏温度降低提供的显热约占水合物分解消耗总热量的55％，是多级降压的3倍;多级降压开采水合物分解速率及消耗显热随生产压力升高而降低，生产周期约是单级降压的1.6倍，水合物藏内温度始终较高，可有效避免二次水合物形成;由于单级和多级降压最终降压幅度相同，最终累积产气量一致，降压阶段短暂的闭井操作可适当降低产水量;相比于单级降压，多级降压生产过程中产气分布较为均匀，产气速率相对稳定。
(2)实验研究了不同降压速率对开采产气、产水特性及生产规律的影响机制。研究表明随着降压速率从0.751MPa/min降至0.199MPa/min，井口产水速率可降低约2/3，降压期间累积产水量降低;较小的降压速率可使降压期间的水合物分解率提高近2倍，累积产气量相应增加，且水合物藏温度下降速率较小;但较小的降压速率会导致降压初期水合物生成量增多，温度升幅增大。
(3)对比研究了水饱和及气饱和水合物藏的降压生产特性。相比于气饱和水合物藏，水饱和水合物藏的降压周期可缩短4/9，但总生产周期显著增加;降压期间水饱和水合物藏的水合物分解速率大于气饱和水合物藏，会消耗相对较多的水合物藏显热，定压期间水合物分解速率则相反;降压期间水饱和水合物藏在短短20min内，即总生产周期的5％，分解了近乎一半的水合物，其分解效率高于气饱和水合物藏;生产结束时气饱和水合物藏的气体回收率明显高于水饱和水合物藏，且水回收率低于后者。
(4)创新性地针对南海神狐海域W17站位水合物藏，建立了含游离气的多层水合物藏物理模型，利用TOUGH+HYDRATE模拟研究了下伏游离气及井间距对水合物藏降压生产特性的影响。单直井降压开采表明，随着开采时间的增加，井口产出气中水合物分解气占比不断下降，开采至10年时，水合物分解气占总产气的44.5％，其余则为孔隙水中溶解气及沉积层中初始游离气;生产初期下伏游离气会促进水合物分解，中后期则相反;由于下伏游离气的存在，水合物藏的累积产气量及气液比始终大于无游离气的水合物藏，累积产水量则小于后者;生产过程中水合物层Ⅰ分解前沿下后方会有大量二次水合物形成;多直井联合降压开采时，井间区域会存在压降迭加现象，由于井间干扰作用导致平均每口井产气产水量及水合物分解产气速率会比单直井独自开采稍微降低，5年可累计降低产水量约3.96×108kg;井间距越大，两井中间交汇区域的降压越慢，水合物分解速率越小，且温度相对降低幅度也越小;结合水合物分解率及井口气液比可大致确定井间距为40m时更有利于水合物藏开采。
(5)首次实验研究了泥质粉砂中有机质对盐水体系甲烷二次水合物生成分解的影响机制，表明海洋沉积物中富里酸(FA)和氯化钠(NaCl)的存在会促进水合物的分解，抑制二次水合物的生成，有利于开采。实验测定了泥质粉砂中，不同浓度FA+3.0wt％NaCl溶液中甲烷水合物相平衡数据，表明无论3.0wt％NaCl存在与否，泥质粉砂中甲烷水合物相平衡压力均高于纯水体系，随FA浓度的增加而增大，随沉积物中水的饱和度的增加而减小;生成分解实验结果则显示较高浓度6.0wt％及10.0wt％FA存在会抑制水合物的生成，但其抑制效果弱于3.0wt％NaCl，较低浓度2.0wt％FA则会促进水合物的生成，缩短水合物生成时间;FA与NaCl在溶液中共存时，FA会削弱NaCl对水合物生成的抑制性能，且削弱作用会随着FA浓度的增加而增强;FA和3.0wt％NaCl共存时对多孔介质中水合物的分解具有协同促进效应，尤其是较高浓度FA。
(1)采用实验室自行研制的天然气水合物三维开采模拟实验装置，实验阐明了单级和不同多级降压模式下NGH开采产气产水特性，温度、压力场变化规律及其影响机制。水合物藏降压开采均包括稳定降压、不稳定降压及定压三个阶段;降压初期有水合物继续生成和放热，温度可升至10.3℃;不稳定降压期间水合物藏压力、温度基本沿着P-T相平衡曲线变化，其产水速率可降至稳定降压阶段的1/3;单级降压时水合物藏温度降低提供的显热约占水合物分解消耗总热量的55％，是多级降压的3倍;多级降压开采水合物分解速率及消耗显热随生产压力升高而降低，生产周期约是单级降压的1.6倍，水合物藏内温度始终较高，可有效避免二次水合物形成;由于单级和多级降压最终降压幅度相同，最终累积产气量一致，降压阶段短暂的闭井操作可适当降低产水量;相比于单级降压，多级降压生产过程中产气分布较为均匀，产气速率相对稳定。
(2)实验研究了不同降压速率对开采产气、产水特性及生产规律的影响机制。研究表明随着降压速率从0.751MPa/min降至0.199MPa/min，井口产水速率可降低约2/3，降压期间累积产水量降低;较小的降压速率可使降压期间的水合物分解率提高近2倍，累积产气量相应增加，且水合物藏温度下降速率较小;但较小的降压速率会导致降压初期水合物生成量增多，温度升幅增大。
(3)对比研究了水饱和及气饱和水合物藏的降压生产特性。相比于气饱和水合物藏，水饱和水合物藏的降压周期可缩短4/9，但总生产周期显著增加;降压期间水饱和水合物藏的水合物分解速率大于气饱和水合物藏，会消耗相对较多的水合物藏显热，定压期间水合物分解速率则相反;降压期间水饱和水合物藏在短短20min内，即总生产周期的5％，分解了近乎一半的水合物，其分解效率高于气饱和水合物藏;生产结束时气饱和水合物藏的气体回收率明显高于水饱和水合物藏，且水回收率低于后者。
(4)创新性地针对南海神狐海域W17站位水合物藏，建立了含游离气的多层水合物藏物理模型，利用TOUGH+HYDRATE模拟研究了下伏游离气及井间距对水合物藏降压生产特性的影响。单直井降压开采表明，随着开采时间的增加，井口产出气中水合物分解气占比不断下降，开采至10年时，水合物分解气占总产气的44.5％，其余则为孔隙水中溶解气及沉积层中初始游离气;生产初期下伏游离气会促进水合物分解，中后期则相反;由于下伏游离气的存在，水合物藏的累积产气量及气液比始终大于无游离气的水合物藏，累积产水量则小于后者;生产过程中水合物层Ⅰ分解前沿下后方会有大量二次水合物形成;多直井联合降压开采时，井间区域会存在压降迭加现象，由于井间干扰作用导致平均每口井产气产水量及水合物分解产气速率会比单直井独自开采稍微降低，5年可累计降低产水量约3.96×108kg;井间距越大，两井中间交汇区域的降压越慢，水合物分解速率越小，且温度相对降低幅度也越小;结合水合物分解率及井口气液比可大致确定井间距为40m时更有利于水合物藏开采。
(5)首次实验研究了泥质粉砂中有机质对盐水体系甲烷二次水合物生成分解的影响机制，表明海洋沉积物中富里酸(FA)和氯化钠(NaCl)的存在会促进水合物的分解，抑制二次水合物的生成，有利于开采。实验测定了泥质粉砂中，不同浓度FA+3.0wt％NaCl溶液中甲烷水合物相平衡数据，表明无论3.0wt％NaCl存在与否，泥质粉砂中甲烷水合物相平衡压力均高于纯水体系，随FA浓度的增加而增大，随沉积物中水的饱和度的增加而减小;生成分解实验结果则显示较高浓度6.0wt％及10.0wt％FA存在会抑制水合物的生成，但其抑制效果弱于3.0wt％NaCl，较低浓度2.0wt％FA则会促进水合物的生成，缩短水合物生成时间;FA与NaCl在溶液中共存时，FA会削弱NaCl对水合物生成的抑制性能，且削弱作用会随着FA浓度的增加而增强;FA和3.0wt％NaCl共存时对多孔介质中水合物的分解具有协同促进效应，尤其是较高浓度FA。