近些年来对于天然气水合物研究的逐步深化,使得天然气水合物被公认为是具有良好前景的重要后续能源,它具有分布广、资源量大、能量密度高和无污染等特征。全球范围内至今还没有实现天然气水合物的商业开采,只有少数国家进行了试验性开采,在已开展天然气水合物试采的国家中,大部分国家在试采过程中都遇到不同程度的地层出砂现象。然而,要实现天然气水合物资源的长期商业化开采,地层出砂问题是必须攻克的关键点。因此,开展天然气水合物开采出砂风险评价方法研究对天然气水合物地层开采的理论研究和实际工程都具有重要的意义。本研究以南海北部黏土质粉砂天然气水合物地层的试采为工程背景,采用模拟实验建立了适用于南海北部黏土质粉砂天然气水合物地层的强度准则和应力-应变本构模型,结合岩石力学、渗流力学、热力学、物理化学等理论,利用理论分析、数值计算的方法,建立了考虑天然气水合物分解相变的天然气水合物地层开采出砂风险评价多场耦合数学模型,并利用有限元软件对该数学模型进行求解,系统研究天然气水合物地层开采过程中的地层物理、力学响应,构建了完整的天然气水合物地层开采出砂风险评价方法理论体系,分析了天然气水合物地层开采过程中的出砂影响因素及出砂规律,评价了南海北部天然气水合物地层降压开采出砂危害程度,为今后我国南海天然气水合物资源大规模勘探开发提供理论支撑。首先,结合国内外天然气水合物试采项目的经验,以及天然气水合物地层的特点、天然气水合物分解特点和天然气水合物分解后对地层影响,研究了天然气水合物开采出砂风险形成机理及出砂影响因素。天然气水合物地层开采出砂是一个多相态变化、多物理场耦合的复杂过程,与常规油气藏出砂具有明显区别。其次,通过模拟南海黏土质粉砂天然气水合物地层的物理力学实验,可以发现天然气水合物地层应力-应变曲线无明显的压密阶段,弹性阶段较短,屈服阶段较长,峰值强度不明显,还表现出了明显的应变硬化特征。假定天然气水合物地层内摩擦角不变,引入天然气水合物饱和度的影响,以及有效围压对天然气水合物地层的非线性影响,推导建立了黏土质粉砂天然气水合物地层强度准则。同时,建立了适用于南海北部黏土质粉砂天然气水合物地层的双曲线应力-应变本构模型,该模型可反映黏土质粉砂天然气水合物地层在特定条件下的应变硬化特征,可准确计算峰前应力-应变关系。再次,在考虑热传导、热对流、天然气水合物地层上下岩层及井眼处能量补给,以及天然气水合物分解吸热等因素的条件下,利用能量守恒原理建立了天然气水合物地层温度场模型;构建了天然气水合物分解相变特性模型,包括天然气水合物分解动力学模型、天然气水合物相平衡模型和分解热模型;基于广义达西定律,结合地层骨架及孔隙流体的连续性方程,推导并建立了天然气水合物地层开采流体渗流场模型,模型考虑了气、水两相渗流以及地层各向异性;基于固体力学小变形理论和Terzaghi有效应力原理,推导建立了天然气水合物地层开采地层变形场模型;给出了天然气水合物地层开采出砂分析各物理场的定解条件,主要包括边界条件和初始条件两部分。综合以上各模型建立天然气水合物地层开采出砂风险评价分析所需的物理力学参数模型,全面反映了天然气水合物地层开采过程中天然气水合物分解及地层应力状态变化等因素对物性参数的影响,也是体现天然气水合物地层开采出砂评价问题是受多因素耦合作用的一个方面。最后,基于ABAQUS有限元软件的二次开发功能建立了天然气水合物地层开采出砂风险评价模型,对生产因素和地质因素两类天然气水合物地层开采出砂影响因素进行分析,研究了开采过程中天然气水合物地层塑性应变以及出砂量的演化过程,分析总结灾害规律。结果表明:随着开采时间的增加,天然气水合物地层的最大等效塑性应变也随之变大,即地层破坏出砂的风险程度增加;同一天然气水合物地层,随着生产压差的增大,天然气水合物分解范围增大,同时天然气水合物地层的出砂范围和出砂的严重程度都将增大,且最大塑性应变随生产压差增大的增幅也随着生产压差的增大而增大;初始天然气水合物饱和度变化对地层开采出砂的影响有限,天然气水合物地层骨架基质性质对地层开采出砂影响很大;水平地应力差异导致井眼附近地层最小水平地应力方向所受压应力最集中,是地层最易出砂的位置,水平地应力非均程度越大,井眼附近地层最大塑性变形区域越大,地层出砂可能性越大。同时模拟了南海北部天然气水合物地层降压开采,结果显示:南海北部神狐海域的水合物地层因地应力非均程度较小,井周围岩塑性屈服范围较为均匀;采用直井裸眼完井方式开采时,降压开采法最大生产压差不应超过5 MPa;采用水平井筛管完井方式开采时,水合物地层的产液量比直接裸眼完井方式开采时大幅度提高,而含砂量有所降低,降压开采法最大生产压差为8.6 MPa。