置换法开采是现有天然气水合物开采方法中最具有应用前景的技术,可以同步实现甲烷（CH₄）开采与二氧化碳（CO₂）埋存,并且能够保持地层稳定。但目前置换法的开采效率和能效较低,开采经济性差,离工业应用仍有较大差距。针对以上问题,本文将置换法与热激法联合,提出新型“间歇式原位加热”强化置换开采技术,以提高开采效率和能效。置换开采后地层内产生的游离CH₄气再次富集,可能造成已埋存的CO₂水合物失稳分解发生泄漏,故本文进一步考察了由于CH₄富集引起的CO₂水合物的逆置换过程,以评估温室气体泄漏对环境的影响。本文通过向CH₄水合物层内注入CO₂或CO₂/N₂混合气进行置换开采和间歇式原位加热强化开采天然气水合物研究,主要探究了CO₂相态和N₂组分以及初始开采温度对CH₄开采率和采注比的影响。实验结果显示,置换开采CH₄开采率为11.79%～35.64%、采注比为0.05～0.18;间歇式原位加热强化开采CH₄开采率为19.56%～64.80%、采注比为0.09～0.33,后者的开采效率整体比前者的高。开采效率随置换温度或初始开采温度升高而增大。本文实验条件下,在280.15 K,8.00 MPa下,CO₂/N₂置换开采的CH₄开采率达到35.64%,采注比为0.18,而采用CO₂/N₂间歇式原位加热强化开采后,CH₄开采率提高到64.80%,采注比达到0.30,强化效果显著。根据实验结果构建了置换开采和间歇式原位加热强化开采天然气水合物的工艺,利用Aspen Plus模拟计算开采能效,并比较了两种开采方案能源投入回报值（EROI值）。能效分析结果表明,EROI值从置换开采2.27～10.50提高到间歇式原位加热强化开采2.80～13.54。间歇式原位加热强化开采经济性比单纯置换开采要高。在280.15 K,3.90MPa下,间歇式原位加热强化开采单位能耗最低,为0.76 k Wh/Nm³·CH₄。降低能耗比最大的加压注气可以有效地降低单位能耗,进一步提高能效需要探索更高效加热模式。除此之外,本文还模拟了逆置换过程。在CO₂水合物下部注入CH₄气模拟逆置换过程,考察了不同初始压力和温度对逆置换过程的CO₂释放率、CH₄水合率和CH₄/CO₂进出比的影响。实验结果表明,在较低初始压力和较高温度下,CO₂水合物分解驱动力较大,CO₂释放率较大,CH₄/CO₂进出比较小。在279.15 K,3.00 MPa下CO₂释放率最大为27.65%,CH₄水合率最大为58.11%,CH₄/CO₂进出比为0.83。由于CH₄温室效应比CO₂的强,因此逆置换一定程度上减缓了温室效应。