天然气水合物广泛分布于海底沉积物和陆地永久冻土带中,具有能量密度大、分布范围广、储量大的特点,有望成为重要的潜在清洁油气接替能源。CO₂置换法是一种新型安全环保的开采方法,可同时实现天然气开采和CO₂储存,置换法在美国阿拉斯加地区水合物试采工程的成功应用,证实它具有一定的经济和技术可行性。从安全环保的角度上讲,置换法开采我国海域和陆域水合物将是一种不错的替代开采措施。虽然近年来CO₂/N₂置换开采在热力学可行性、动力学过程、微观反应机制等方面取得长足的进步,但考虑到我国天然气水合物恶劣的储层环境和复杂的晶体结构特征以及置换气体注入的复杂渗流-相变过程,现有研究和置换法的应用会存在一些问题与不足。基于此,本文以我国海域和陆域天然气水合物为主要研究对象,围绕CO₂/N₂置换开采技术,针对现有研究不足和实际应用CO₂/N₂置换法可能存在的问题,开展了CO₂/N₂置换开采天然气水合物动力学特性的相关研究。为更好地理解（CO₂/N₂）-CH₄气体交换行为和置换过程中储层热量变化规律,研究了CH₄+CO₂+N₂水合物客体分布特征和分解焓。基于Chen-Guo热力学模型计算了CH₄、CO₂和N₂的孔穴占有率,发现CO₂主要占据sI水合物大孔穴,而N₂可与CH₄竞争占据小孔穴,证明N₂的加入会提高sI水合物小孔穴的CH₄置换率,此外,随着气相N₂/CO₂摩尔比值增大,水合物中N₂占有率越来越高,但N₂和CO₂的总占有率反而降低,表明气相N₂/CO₂摩尔比的选择对置换是非常重要的;应用Clausius-Clapeyron方程计算了CH₄+CO₂+N₂水合物的分解焓,发现CH₄+CO₂+N₂水合物分解焓会随着sI水合物大孔穴中CO₂占有率增加而增大,但气相中N₂含量的变化对水合物分解焓的影响不明显。考虑到置换注气过程中在适当条件下可能会生成CO₂+N₂水合物,进而影响后续置换开采进程。为更好弄清CO₂+N₂水合物生成动力学过程及对后续置换的影响,本文在搅拌气-水体系下分析了CO₂+N₂水合物形成动力学过程,探究了CO₂+N₂混合气体在含水地层的渗流-相变特性。搅拌气-水体系下,通过对气相组成和气体消耗规律的分析,认为CO₂+N₂混合气体生成水合物呈现双步骤动力学机理:CO₂快速与水络合生成含空孔穴的基础水合物,而N₂缓慢吸附到空孔穴（联结孔）中;此外,低压会引起CO₂消耗变慢,但水合物相CO₂含量增多,高搅拌速度会同时增高CO₂消耗速率和水合物相CO₂含量。CO₂+N₂混合气体渗流-相变过程中,通过分析温压和气相组成的时空演化规律,发现CO₂+N₂水合物的生成呈现两种截然不同动力学过程,新鲜水环境中,CO₂+N₂水合物按照一处率先成核生成水合物后逐渐向外扩展的模式进行生长,而分解水环境中水合物可在多处成核生长;此外,气相CO₂含量沿气体渗流方向逐渐降低,气体溶解-水合反应消耗的CO₂含量较高,且不同实验中水合物生成位置有所差异,这是由水合物成核的随机性导致的。我国海域水合物储层温度偏高,CO₂+N₂水合物不会稳定存在,向海域水合物储层注入CO₂+N₂混合气体不可避免地诱发复杂的生产机制,而不是之前研究的纯置换开采。本文实验模拟了我国神狐海域天然气水合物储层温压环境,开展了注CO₂+N₂混合气体开采CH₄水合物实验研究,以评估CO₂+N₂置换开采海域天然气水合物的可行性,揭示海域温压条件下CH₄产出机制。实验结果表明,虽然注入的CO₂+N₂混合气体不具备单独置换开采能力,但是在分解气CH₄的协助下,CO₂+N₂置换开采CH₄水合物的现象的确存在;对比分析CH₄产出和CO₂+N₂消耗特征表明,注CO₂+N₂开采海域CH₄水合物动力学过程遵循两阶段反应模式:初期快速置换-分解同步的表面反应与后期缓慢扩散控制的置换反应;基于气相色谱（GC）结果计算不同实验条件下CH₄回收率,发现CH₄气体的产出主要来源于初期快速置换-分解同步的表面反应,高温和低压可导致表面反应更剧烈,CH₄回收率更高,前20个小时内CH₄回收率可高达71%,表明注CO₂+N₂短期开采海域CH₄水合物可能是一种经济可行的生产策略。我国陆域天然气水合物晶体结构为Ⅱ型,水合物相组分复杂,会对置换开采产生较大的影响。由于sII水合物具有特殊的客体-孔穴相互作用关系,sII水合物中（CO₂/N₂）-烃类气体交换过程会遵循独特的置换模式,不同烃类气体产出、CO₂/N₂置换动力学、置换开采模式等都会在时空尺度上存在差异。因此,本文开展CO₂/N₂置换开采sII水合物动力学实验研究,以调查sII水合物藏置换产气行为。采用气相色谱分析了置换过程中流体相组成演化规律,发现所有实验条件下CH₄最易回收,而流体相中C₃H₈含量的增加取决于实验条件,这与sII水合物是否进行晶体结构转化（sII→sI）或同晶体结构转变（sII→sII）的置换模式有关;分析CO₂/N₂消耗规律表明,CO₂的消耗优先比N₂消耗,这意味着CO₂和N₂在置换过程中起着不同的作用;采用置换后水合物分解耦合分解气组成分析的方法,获得了置换后水合物颗粒内部组成非均质分布特征,结果发现,气态CO₂和CO₂+N₂置换时,晶体结构转化（sII→sI）在反应初期发生在sII水合物颗粒表层,而颗粒内层在随后渗透控制的置换阶段进行同晶体结构置换（sII→sII）;sII水合物的置换率与晶体结构转化（sII→sI）程度相关,液态CO₂可诱使sII水合物发生较大程度的晶体结构转化,具有最高置换率,可达70%左右,而N₂的加入会使晶体结构转化程度变低,进而置换率变低。综上,本文在CH₄+CO₂+N₂水合物客体分布特征和分解焓、CO₂+N₂混合气体渗流-相变特性、CO₂/N₂置换开采海域CH₄水合物和sII水合物动力学特性等方面开展了较为系统的研究,一些结论可为野外置换开采工程的方案设计和最佳置换工艺的选择提供参考,为我国天然气水合物的置换开采奠定理论基础。