我国天然气水合物储量丰富,天然气水合物是我国未来开发利用的重要能源对象。2017年,我国成功在南海海域进行天然气水合物降压试采,成为世界上首个成功完成海上试采的国家,标志着在海域天然气水合物的开发研究方面,我国已经处于世界领先地位。现阶段对天然气水合物降压开采的模拟大多基于实验室模拟,本文在充分调研国内外文献的基础上,考虑水合物分解动力学以及开采过程中压力温度的变化,建立了符合天然气水合物矿场开采实际的降压开采多场耦合数学模型,选取柱形坐标系,采用径向非均匀、纵向均匀网格系统,并利用有限差分方法分别采用隐式和显式求解方法,得到了不同开采时刻的地层压力、温度和各相饱和度分布特征,以及对压力和温度进行了参数敏感性分析。此外,虽然天然气水合物是一种较为洁净的能源,但是考虑到开采过程中泄漏的甲烷气体具有非常严重的温室效应,本文还针对天然气水合物开采过程中的泄漏问题建立了海底甲烷泄漏数学模型,对该模型进行求解得到了海底甲烷泄漏时的浓度变化特征,并对其参数敏感性进行了分析。最后,应用本文所建立的甲烷泄漏数学模型对我国某海域实测海底甲烷泄漏浓度监测数据进行了矿场应用,得到了甲烷泄漏峰值浓度,海水流速等参数,对该海域及同类天然气水合物藏降压开采及其开采过程中对环境的影响具有重要指导意义。