世界海洋天然气水合物资源量约为2.83×1015m3,是陆地上的100倍以上,水合物总资源约为全球天然气总储量的1.56倍。目前,世界范围内已获取的海域天然气水合物样品普遍具有埋深浅、弱胶结(无岩石骨架结构、颗粒间胶结强度弱)等特点。针对海底浅表层弱胶结天然气水合物藏,中国工程院院士提出的固态流化采掘技术思路是有望实现此类水合物藏高效开采的革命性技术,即:在不改变水合物所处海洋原始温度、压力场的条件下固态采掘水合物,将其破碎后采用封闭管道输送至海洋平台。这既可有效开采这类资源,又可避免三大安全风险(生产安全、装备安全、环境安全)。该技术面临的主要科学问题和难点在于:水合物藏固态流化采掘水下输送气液固多相非平衡管流规律、施工参数优化方法、井控安全以及实验评价方法。因此,本文针对海洋天然气水合物藏固态流化采掘多相非平衡管流进行了深入研究,主要完成工作如下:(1)在充分调研国内外资料基础上,分析了海底浅表层弱胶结水合物藏的成藏特点、开采风险及技术难点,通过适应性分析对比得到固态流化5大技术优势,并根据该特殊开采模式提出了该技术的关键科学问题。(2)根据水合物分解机理建立了井筒流动过程中的天然气水合物分解数学模型,并建立了分解面积、分解速率常数、甲烷气体逸度、水合物相平衡等辅助数学模型,同时通过数值模拟得到温度、压力、管流速度对水合物分解速率的影响规律。然后,采用分子动力学模拟方法,从微观层面上揭示了天然气水合物分解变化规律。(3)建立了海洋天然气水合物藏固态流化采掘中的井筒温度、压力及多相流数学模型。同时,建立了垂直段固相运移、考虑水合物凝聚力的水平段固相起动数学模型,并进行数值模拟得到水合物丰度、粒径、钻井液密度和黏度对起动临界流速的影响规律。根据天然气水合物非平衡分解及井筒多相流模型,建立了复杂介质井筒非平衡多相流特征参数预测方法,综合初始、边界条件,采用有限差分法进行数值模拟。通过敏感性分析关键施工参数如:钻井液排量、机械钻速、钻井液密度、水合物藏钻屑粒径、隔水管直径、井口回压从而得到了固态流化施工参数规律性认识并建立了最优参数评价体系。(4)利用复杂介质井筒非平衡多相流特征参数预测方法,以井筒流动安全分析为基础,根据安全、高效开采的优选原则进行了施工参数优化设计。(5)利用现有多相流实验台架进行水平井筒固相运移、垂直井筒多相流及携岩规律实验,验证了水平、垂直段固相运移模型的准确性。同时,设计了海洋浅表层天然气水合物藏固态流化大型物理模拟实验台架并制定了实验方案。通过本文研究,完善了固态流化技术方案,形成了针对性的适应性分析方法、耦合水合物分解的复杂介质多相流动分析方法和施工参数优化设计方法,这对海洋天然气水合物藏的安全、合理、高效采掘以及延伸流体力学工业应用都有着积极意义。