天然气水合物是一种极具开采前景的新能源。若能加快发展海洋天然气水合物开发技术,实现海洋天然气水合物商业化开采,将对我国能源战略提供有力保障。目前,美、俄、日、加等国均在加速探索海洋天然气水合物商业开采技术,2017年我国在南海海域进行了天然气水合物首次实验性质试采,取得了圆满成功。但目前对海洋天然气水合物商业化开发仍是空白,尤其是海底表层天然气水合物资源开发利用还处于技术探索阶段。海底表层水合物通常以脉状、块状和细粒状形式存在于海底沉积物中,会因所在区域温度、压力条件变化而导致天然气水合物分解、气化和释放,相较于其它类型水合物矿藏更易于开采,具备一定的开发前景。本文设计了一种基于盖顶降压式海底表层天然气水合物开采装置,该装置利用盖顶壳体与密闭挡板,覆盖待开发水合物储层并形成密闭环境,进行降压开采,具备控制水合物分解,防止甲烷气体泄露的功能。本文具体研究内容包括以下几个方面:(1)通过大量调研水合物基础性质研究现状与实验开采研究现状,结合海底表层水合物特性,设计了海底表层天然气水合物盖顶降压式开采工艺流程,并设计了基于该工艺流程的开采装置。(2)分析了盖顶降压式开采装置在深水环境中采用降压分解时的受力情况,设计了一种拉力杆-膜壳结构的盖顶外壳,采用可调拉力杆,模块化外壳板,支撑柱构成受力系统,平衡由于降压开采造成的壳体内外压差,提高了开采装置结构强度,保证水合物开采稳定进行。(3)通过有限元软件分析开采装置在1000米深海工况中,在9MPa、8.5MPa、8MPa生产压力下的受力情况,验证了拉力杆-壳膜结构可以保障开采装置在9MPa、8.5MPa、8MPa生产压力即降压1MPa、1.5MPa、2MPa工况下稳定运行。(4)建立了盖顶降压式开采装置稳态生产时温度场数学模型,开展了对直径20m的开采装置在不同加热温度与不同生产压力的作用下对稳态开采影响的研究,得到了开采装置稳态生产时加热温度与生产压力的变化,对单位时间产气率与累计天然气产量的影响规律。发现提高输入热水温度可显著加速靠近加热管道区域的水合物分解,生产压力为8MPa时加热热水温度20℃与40℃开采装置最高产气率分别为7462.5m3/h、9983.3m3/h,使得早期采气效率得到提升,但同时发现储层分解区域离加热管道越远影响效果越弱,输入热水温度对开采后期产气率影响不大,模拟开采装置生产压力在8MPa下采用40℃热水加热运行300小时,盖顶降压式开采装置产能达到日均天然气产量22.67万方;