天然气水合物作为一种新型清洁能源,因其能量密度高、资源密度优、全球分布广,从而引起了世界研究人员的高度关注。全球几乎97%的水合物资源蕴藏于海洋中,我国海域天然气水合物储量更是高达800亿吨油当量。然而,海洋水合物传统开采方法易引发海底储层塌陷、斜坡失稳等地质灾害及产砂堵塞等开采障碍,导致水合物开采产气效率低、持续性差等难题。CO2置换开采水合物具有环境友好及维持储层稳定性的优点,因此,探明海洋天然气水合物CO2置换开采特性及优化机理,构建水合物安全高效开采理论和方法,是我国天然气水合物资源开发利用的关键。本论文依据南海神狐海域天然气水合物赋存条件进行了水合物沉积物样品重塑,首次探究了南海真实储层环境的水合物CO2置换特性。结合经典的结晶反应模型和气相/水合物相逸度差获取了海洋水合物CO2置换开采动力学模型,从储层内部特征分析了海洋沉积物对置换开采高效性的影响实质。全历程跟踪水合物CO2置换进程,分析了各敏感因素作用下的CO2置换时变规律,揭示了不同相态区域内CH4开采与CO2封存进程的影响机制。为解决CO2置换效率低,反应速率慢的瓶颈难题,结合相态调控提出注热盐水联合CO2置换开采新技术。以增强CO2层间扩散为突破口,在水合物CO2置换进程中向水合物储层注入热盐水,诱发水合物表层分解,提升CO2向水合物内部扩散能力,促进深层置换,并量化了盐水盐度对CH4开采及CO2封存的影响作用。实验结果表明,受狭窄孔隙、粘土溶胀、强结合水等储层特性协同影响,海洋泥质粉砂水合物CO2置换特性明显区别于高渗性砂质沉积物。置换过程逸度差时变特性表明水合物CO2置换过程表现为表面快速置换阶段和深层缓慢置换阶段,但泥质沉积物中气体扩散受到显著抑制,整个置换进程呈现出平稳缓慢的反应特征。受CH4水合物分解和CO2置换的协同作用,低压置换条件呈现出较高的CH4采收率。随着压力升高,CH4水合物表层及孔隙处CO2水合物大量生成阻碍了CO2深层扩散,致使高压液态CO2在细海洋泥质沉积物中置换效果受限。由于CO2封存受CH4水合物分解、CH4/CO2置换和相变产水的协同影响,尽管高温下强烈传热传质作用能够促进CH4/CO2置换,但对CO2封存没有显著影响。就地质环境而言,储层CH4水合物和水含量对CO2封存的影响比CH4采收更为显著,水饱和度适中的储层具有优越的CH4/CO2置换潜力。为打破传质屏障,在CO2置换进程中注热盐水,受热盐水附带的热量和盐度的双重影响,表层CO2水合物分解,气体传质通道打开,CO2得以与深层CH4水合物接触,最高将CH4置换效率提升了两倍。