天然气水合物广泛分布于海底沉积物和陆地多年冻土区,是一种清洁高效的新型能源。二氧化碳置换天然气水合物层中的CH4开采冻土区的天然气水合物是一种非常有前途的天然气水合物开采方法。然而,现有的研究主要集中在冰点以上CO2-CH4水合物的置换过程,而对于冰点以下CO2-CH4水合物置换特性及其动力学的研究还比较匮乏,且对于冰点以下多孔介质中CO2-CH4水合物置换机理及其动力学机制的研究有待进一步深入。本文采用冰粉和石英砂混合体系模拟冻土环境下天然气水合物赋存的沉积物环境条件,分别研究了多孔介质粒径、含冰量、初始压力和温度等因素对CO2-CH4水合物的置换效率和CO2封存效果的影响,揭示了冰点以下多孔介质体系中CO2-CH4水合物的置换特性及其规律。同时,开展了降压驱动和热驱动对CO2-CH4水合物置换的影响研究,进一步分析了置换过程的强化机理。本文的主要研究内容和结果如下:（1）采用粒径分别为250～380μm、380～500μm和500～710μm的石英砂,开展了不同多孔介质粒径条件下CO2-CH4水合物的置换过程实验研究。研究结果表明:小粒径砂层体系有利于CH4水合物的生成,但后期的置换效率和平均置换速率较低,并且CO2的封存率和平均CO2封存速率也较低。而大粒径砂层体系中CH4水合物的生成周期长,但后期的置换效率和CO2的封存率明显高于小粒径砂层体系的。（2）在相同的多孔介质粒径（380～500μm）条件下,研究了不同含冰量（50%、33.3%和20%）对CO2-CH4水合物置换过程的影响。研究结果表明:含冰量较多的储层中,由于冰粒对孔隙通道内气体扩散的阻碍作用,不仅前期的CH4水合物的生成周期较长,而且最终的置换效率和CO2的封存率也较低。同时,随着储层含冰量的减少,这种阻碍作用减弱,最终的置换效率升高。（3）在相同的温度（270.65K）条件下,研究了不同初始压力（2.2MPa、2.3MPa和2.5MPa）下CO2-CH4水合物的置换过程。研究结果表明:当初始压力在CH4水合物近平衡区时,有利于最终置换效率和CO2封存率的提高。同时,当初始压力在置换温度所对应的相平衡压力以下时,促进了CH4的回收,进而提高了最终置换效率和CO2封存率。（4）在相同的压力（2.2MPa）条件下,研究了不同初始温度（270.65K、271.65K和272.65K）对置换过程的影响。实验结果表明:随着置换温度的升高,最终置换效率和CO2封存率大幅提升,冰点以下多孔介质中的置换温度是影响最终置换效果的重要因素。研究结果还表明,在冰点以下条件下温度在近冰点附近时,对于最终的置换效果来说最佳。（5）从水合反应驱动力的角度,研究了CH4水合物分解诱导作用对冰点以下多孔介质中CO2-CH4水合物置换过程的影响。结果表明:降压驱动和热驱动促进了CH4水合物的分解,诱导强化了CO2-CH4水合物置换过程,提高了最终的置换效率。同时,研究结果还表明:降压驱动力并非越大越好,一定的降压驱动力才对最终的置换效率而言是有利的。另外,基于降压驱动和热驱动实验结果,以摩尔吉布斯自由能变为基础,分别进行了不同实验条件下置换过程的驱动力计算。研究结果进一步表明,正是存在一定的降压驱动诱导和热驱动诱导,促使CH4水合物的分解,为后期CO2的置换提供了便利条件。本文的创新点:（1）通过实验模拟研究冰点以下多孔介质体系中CO2-CH4水合物的置换过程,揭示了冰点以下多孔介质中CO2-CH4水合物的置换影响因素及其动力学规律。（2）从降压驱动和热驱动角度研究分解诱导对最终置换效果的影响机制,揭示了分解诱导作用对冰点以下多孔介质体系中CO2-CH4水合物置换的强化机理,为天然气水合物的置换开采提供理论指导。