我国是油气进口第一大国,2020年原油和天然气对外依存度分别上升至73.5%和41.7%,能源形势严峻,急需寻找常规油气的替代能源。同时,世界能源供给也在向清洁、高效和低碳方向发展。深化清洁低碳能源的开发和应用技术、健全绿色能源体系,是实现“碳中和”目标的必由之路。天然气水合物是一种具有巨大潜力的清洁能源,埋藏广泛,储量巨大。我国海域天然气水合物资源丰富,在南海神狐海域分别于2017年7月和2020年3月实施了第一次和第二次天然气水合物试开采工程,均取得巨大成果,有望实现水合物的商业化开发。通过天然气水合物钻井取心和样品分析,翔实掌握储层信息、圈定天然气水合物矿区,对资源储量预测、开发模式评价具有重要意义。基于天然气水合物在低温高压下稳定的性质,国外主要采用保压取样的方式获取天然气水合物样品,但由于复杂的孔底环境、苛刻的机械密封要求,保压取样技术整体岩心获取率低、保压成功率不高。我国在南海实施的水合物勘探航次,均高价租借了国外的水合物取心钻具。海域天然气水合物保真取样技术,是我国亟需解决的关键技术难题。天然气水合物冷冻取样技术,基于水合物相平衡理论,在孔底对样品冷冻降温,降低天然气水合物的临界分解压力,延长样品在提升过程中的稳定时间,结合天然气水合物独特的自保护效应,抑制样品中水合物分解,尽可能地维持样品中原始水合物饱和度等参数,从而实现保真取样。虽然天然气水合物冷冻取样技术在钻具研发和制冷效率方面的理论日趋完善,但对取样过程中泥质粉砂水合物稳定性的研究尚存在不足。海洋天然气水合物冷冻取样主要分为孔底冷冻样品过程和提升样品过程,冷冻过程中样品温度降低,提升过程中样品外界压力降低,温度和压力的变化可能导致水合物分解。如果想通过获得的样品计算原储层水合物饱和度参数,就必须明确取样过程中水合物的分解规律和稳定特性。根据孔底冷冻和提升过程中水合物样品的温度压力变化特点,本文以南海泥质粉砂水合物样品为主要研究对象,针对泥质粉砂水合物样品在取样过程中涉及的稳定性问题,开展以下理论分析和实验研究:(1)泥质粉砂在低温下的自保护效应的数值模拟和实验研究。为验证泥质粉砂水合物在低温下的自保护效应、分析温度和压力对其稳定性的影响机制,根据南海泥质粉砂水合物储层参数,用Tough+Hydrate数值模拟方法研究岩心尺度下泥质粉砂水合物在不同低温条件下的分解特性。发现水合物在低温下分解速率快速降低,且随着温度的降低,样品中水合物完全分解所需的时间越长。在实验研究中,制备与泥质粉砂储层孔渗性质相近的样品,并在样品中合成甲烷水合物,测试其在不同低温条件下的稳定性。开展温度和压力对泥质粉砂水合物稳定性的实验,结果表明特定的低温条件有利于水合物形成稳定的自保护效应;分解压力越大,水合物稳定性越高。通过数值模拟和实验研究,对比分析泥质粉砂水合物在低温下的稳定机理,初步确定了天然气水合物冷冻取样钻具的目标冷冻温度。(2)泥质粉砂水合物在低温下亚稳态特性的研究。在样品提升过程中,泥质粉砂水合物的温度压力会经历纯水合物的亚稳态区间,为研究泥质粉砂水合物在亚稳态区间的稳定特性,分析样品由亚稳态区间向非稳态过渡时分解速率的变化特征,发现泥质粉砂水合物温度压力条件在亚稳态区间时分解极其缓慢。通过克劳修斯-克拉佩龙(Clausius-Clapeyron)方程确定其具有亚稳态特性的温度区间。运用Materials studio分子动力学数值模拟方法,分析甲烷水合物在亚稳态、非稳态区间的分解特性,从微观层面揭示水合物自保护效应和亚稳态的机理。发现甲烷水合物在亚稳态区间的稳定特性与晶格变形和甲烷分子扩散有关。(3)取样过程中过冷水对泥质粉砂水合物稳定性的影响机制研究。泥质粉砂小孔隙中水的相变和水合物分解难以观察,运用低场核磁共振技术监测泥质粉砂中过冷水在低温下的凝结规律、分析水合物分解过程过冷水的转变规律以及对分解速率的影响机理。通过上述理论分析、数值模拟和实验研究,阐明冷冻取样过程样品中水合物的自保护机理、泥质粉砂水合物在亚稳态区间的稳定特性、以及过冷水形成和凝结过程对水合物稳定性的影响机制。在进一步完善天然气水合物冷冻取样技术的深层理论的同时,支撑和指导冷冻取样钻具的设计和施工工艺。此外,在天然气水合物开采方面,避免储层中局部区域水合物位于亚稳态区间,对于水合物藏的高效开发有重要意义;泥质粉砂中水合物的快速合成特点以及在低温下极高的稳定性,在气体储运领域有巨大的潜在应用价值。