天然气水合物广泛分布于海洋沉积物、陆上永久冻土带以及陆上湖泊中,储量极其丰富,其成功开采将对缓解日益紧张的传统化石燃料危机具有重要意义,早已被各国视为未来石油、天然气等常规能源的有效替代能源。然而,水合物的商业化开采进程中仍面临诸多关键技术问题,其中开采技术水平低和开采过程中带来的安全隐患大是困扰水合物商业化开采的两个重要问题,而研究水合物地层在开采过程中地层的孔隙孔隙性质、渗透性质、电学性质和力学性质等随水合物分解的变化规律以及影响物性响应的微观机理研究,对水合物地层气体生产、测井解析和井壁地层力学稳定性具有重要的理论和现实意义。但是,由于受到天然岩心获取困难且成本高昂等问题的限制,国内外相关研究人员不得不采用人造岩心来代替天然岩心。常规油气领域人造岩心技术相对比较成熟,而在水合物等非常规能源领域人造岩心技术存在与原位地层的物性参数差异较大,尺寸较小以及孔隙均匀性差等不足,容易造成对后续实验测试结果的准确性和对实际开采的指导性有很大的影响。针对以上问题,本文开展了人造岩心的制作装置和制作工艺研究,对水合物地层开采进行了初步的实验模拟研究,从微观角度研究了水合物分解对地层物性响应的影响及机理。全文共分为七个章节,主要内容如下：第一章：首先对天然气水合物性质和其开采对全球能源、气候和环境的影响进行了分析。引出水合物商业化开采面临的主要技术问题、研究目的与内容。第二章：回顾了天然气水合物勘探研究发展历程和钻探取心技术,分析和认识了获取水合物地层天然岩心的技术难点与高昂成本。第三章：利用人造岩心开展了模拟实际水合物地层骨架密度、渗透率、孔隙度和力学强度等物性的研究,分析了岩心制作工艺对宏观物性参数的影响机理,探索出了可以制作密度、渗透率、孔隙度和力学强度等物性贴近实际水合物地层骨架的人造岩心技术和实验思路。第四章：利用人造岩心模拟了墨西哥湾水合物地层骨架,开展了水合物地层加热开采和伴随开采发生的钻井液侵入等问题研究,通过温度、压力和电阻率的物性响应详细分析了水合物分解和钻井液侵入对地层孔隙性质和电学性质的影响规律,对水合物地层钻测井技术与钻井液工艺提出了指导意见。第五章：开展了评价水合物开采过程中地层力学性质变化的研究,分析了地层剪切强度、峰值强度、残余强度的变化,得出了水合物地层粘聚力和内摩擦角等重要力学参数随水合物饱和度变化的定量关系,通过与前人的研究对比分析得出了水合物饱和度对地层粘聚力和内摩擦角的影响机理。第六章：从微观孔隙角度开展了水合物分解对地层排水性和力学稳定性的影响研究,通过对水合物分解过程中微观孔隙水的运移,砂颗粒粘结强度变化的观测,分析得出了水合物分布模式、饱和度和粒径变化对地层渗透性和力学强度的影响机理。第七章：总结了本文的主要结论和创新点,提出了文章的不足之处以及今后的研究方向。通过对上述问题的理论与实验研究,得出的主要结论和认识如下：(1)得出的最优人造岩心配方在粒径级配、密度、渗透率、孔隙度和力学强度等物性上十分贴近美国阿拉斯加北部斜坡水合物地骨架。(2)水合物地层钻井时伴随有钻井液侵入现象,钻井液温度、液柱与地层孔隙压力差以及盐度对近井壁地层中水合物稳定性有重要影响,容易导致水合物分解从而改变地层的孔隙性质、电学性质和力学性质,影响测井准确性与井壁稳定性。(3)钻井液在压差与温差下侵入水合物地层过程中,地层温度与压力呈上升趋势,而电阻率先升高后下降,地层渗透性受水气运移突变的影响明显。地层中压力的传递速率快于热量的传递,易使原始岩心孔隙中的水、气在压力升高而温度尚未改变的情况下继续生成水合物。在温度达到水合物分解温度时又会使水合物发生分解,分解产生的水气向孔隙深处运移,运移的过程中容易再次形成水合物,造成电阻率的升高。而温差是地层中水合物分解的主要因素,压差则有利于提高孔隙水压力,保持水合物的稳定。另外,高盐度钻井液不仅有利于形成高压差,同时会抑制水气重新形成水合物。(4)水合物饱和度的减小降低了地层颗粒间的粘结力,同时在破坏过程中参与摩擦,影响地层间的摩擦性能。随着饱和度的降低,水合物地层的剪切强度、粘聚力迅速减小,且二者与饱和度呈近似线性关系。而内摩擦角受饱和度的减小则先是基本维持不变,后迅速降低。另外,水合物饱和度的减小,地层的脆性增强,软化现象更加明显。(5)不同分布模式和饱和度的水合物在分解过程中对地层力学强度的影响显著不同。随着饱和度的变化,水合物分解行为逐渐从孔隙中间,向相邻颗粒之间和颗粒表面转移,对水合物地层力学强度的影响也逐渐增大。水合物的分解降低了地层颗粒间的粘结强度,易造成颗粒在孔隙水运移的影响下堵塞孔隙通道,阻碍孔隙水排出。相比于大直径颗粒,小粒径颗粒制作的岩心的力学强度在水合物分解过程中所受影响更加明显。