天然气水合物作为一种新型战略资源,因其巨大的储量而备受关注。开采天然气水合物的主要思路是通过降压、加热、气体置换、注入抑制剂等方法打破其原有的相平衡状态,使其分解为水和甲烷气并对产生的气体进行抽取回收。在流体抽取过程中,受其拖曳作用影响,沉积物颗粒可能发生脱落和运移,即出现出砂现象。这一方面可能造成地层亏空、井壁失稳等问题;另一方面,流体中携带的固体颗粒会对电潜泵、井筒等开采装置造成磨损及堵塞,影响水合物开采的持续进行。天然气水合物储层由于埋深浅、胶结程度差,更易出现出砂问题。目前,世界范围内已开展的水合物试采工程几乎都遭遇了这一问题,部分试采工程甚至因为严重的出砂而被迫提前终止。出砂问题已经成为限制水合物长期安全高效开采的重要因素。然而,水合物开采储层出砂机理还不甚明确,并且缺乏相应的数值模拟软件对出砂过程及其对产气性能的影响进行定量评价。因此,非常有必要在厘清水合物开采储层出砂机理的基础上,开发一款适用于水合物开采出砂数值模拟的程序,以实现水合物开采过程中气-水-砂产出及其互馈作用的定量刻画,为水合物长期安全高效开采提供理论支撑。本文通过对现有研究的归纳总结,采用理论分析的方法进一步明确了水合物开采储层出砂机理,即储层固体颗粒的脱落主要受地层破坏变形、流体侵蚀及水合物分解地层弱化等多重因素的影响,固体颗粒脱落之后的运移过程受到流体拖曳作用和颗粒大小与流动通道孔径尺寸之间相互关系的共同作用。通过将悬浮固体颗粒类比于溶液中的溶质,并在溶质运移质量守恒方程的基础上引入颗粒沉积滞留及启动运移等过程,实现了对固体颗粒输运过程的定量刻画。以此为基础,构建了含水合物储层固体颗粒脱落、运移刻画模型并开发了相应的模拟模块。通过采用序列耦合的方式将其与水合物开采THM（Thermal-Hydrological-Mechanical）耦合程序Hydrate Biot进行搭接,开发了首款内嵌到水合物开采国际通用模拟软件TOUGH+Hydrate的出砂模拟程序Hydrate Sand,并通过与前人出砂实验结果的对比初步验证了其可靠性。由于水合物开采出砂问题的复杂性,目前很难获得其精确的解析解。本文通过将模拟结果与日本Nankai海槽2013年第一次水合物试采工程公布的气、水、砂产出数据进行对比拟合,进一步验证了新开发程序的可靠性;另一方面,通过考虑出砂过程及其引发的防砂装置堵塞现象,对Nankai海槽2017年第二次水合物试采中AT1-P3井异常偏低的产气表现进行了解释,显著改善了前人未考虑出砂过程模拟产气速率较实测值大幅偏高的问题（最多偏高近一个数量级）。提出降压幅度和降压速率的降低能够缓解出砂过程以及由此引发的防砂装置堵塞现象,由此能解释为什么第二次试采中AT-P2井能以更小的最大降压幅度（约为5MPa）获得高于AT-P3井（最大降压幅度约7.5 MPa）3倍以上的平均产气速率。考虑到我国南海神狐海域水合物试采场地泥质粉砂储层中巨大的水合物储量及较高的出砂风险,进一步选取该场地为研究对象,首次定量化系统分析了神狐海域水合物试采场地泥质储层的出砂过程及其对产气的影响。提出虽然相较于传统的水合物层开采,“三相区”开采所需的更小的降压幅度有利于缓解出砂现象,但是预测得到的泥质储层开采产出流体中固体颗粒含量仍高于适度出砂上限值（0.05%）的数倍至数十倍。为保证开采的安全进行,需要借助高性能防砂装置（挡砂率>60%）进行防砂。同时,研究结果表明,高挡砂率防砂装置的使用会造成井周堵塞和产气速率的降低,如开采中后期（半年至1年）挡砂率设置为60%时能够获得的产气速率仅为挡砂率为10%的1/2至2/3左右。如何在防砂与增产之间寻求平衡点是水合物开采未来面临的一大难题。本次研究能够帮助进一步认识水合物开采出砂过程及其对产气性能的影响,为未来水合物试采中开采及防砂方案的制定提供理论依据。