天然气水合物是一种分布广泛、清洁低碳且储量巨大的非常规能源,其开发利用对调整我国能源结构、减少大气污染以及缓解能源短缺具有重要的意义。然而水合物开发又是世界性难题,特别是水合物复杂的工程地质特性导致开采效率较低,安全风险较高。其中,储层渗透率是影响天然气水合物开采效率最为关键的物性参数,是水合物开采工艺流程优化的基础参数。揭示海域水合物储层渗流规律及其机理是水合物高效开发亟需解决的关键科学问题,也是水合物研究领域的难点课题之一。据此,本文采用理论与实验相结合的方法,从宏、微观角度开展了含水合物沉积物孔隙结构特征及渗流规律研究。联合X-CT、LF-NMR和SEM等微观技术测试了含水合物沉积物孔隙结构,建立了有效孔隙分形参数（孔径分形维数、二维最大孔径和迂曲度分形维数）随水合物饱和度变化的映射关系,进而提出了含水合物沉积物渗透率分形模型;同时开展了有效应力和水合物饱和度作用下含水合物沉积物有效渗透率和相对渗透率实验测试,并结合实验数据对上述渗透率分形模型适用性进行了评价。主要研究内容和结论如下:（1）在砂质沉积物中开展了水合物原位生成和分解实验,利用X-CT和LFNMR系统研究了不同生成方法对水合物赋存状态及孔隙结构参数的影响规律。结果发现水合物以非均匀形式聚集在孔隙中,水合物与沉积物颗粒的接触关系是影响比表面积、孔径和横向弛豫率的重要因素。利用X-CT、LF-NMR和SEM共同刻画了南海泥质粉砂岩心样品结构特征,系统研究了水合物赋存状态及孔隙尺寸演化规律。结果发现水合物主要聚集在大于1μm的孔隙中,有孔虫的存在显著增加了孔隙度,促进了天然气的运移和水合物的聚集。（2）基于X-CT图像和LF-NMR曲线求解了含水合物砂质沉积物有效孔隙分形参数,系统分析了水合物饱和度对有效孔隙分形参数的影响,发展了有效和相对渗透率分形模型,并与前人已有的实验数据和测井数据进行对比。研究表明,含水合物沉积物具有分形属性,随着水合物饱和度的增加,孔径分形维数和二维最大孔径逐渐减小,而迂曲分形维数几乎保持不变,提出的渗透率分形模型与前人数据具有良好的匹配性,验证了渗透率分形模型对砂质沉积物的适用性。（3）开展了含水合物泥质粉砂沉积物有效渗透率测量实验,系统研究了水合物饱和度和有效应力对有效渗透率的影响规律,结合实验数据对前述建立的砂质沉积物有效渗透率分形模型进行了适用性评价及修正。结果发现水合物存在和有效应力作用下的有效渗透率与有效孔隙度呈指数衰减关系,有效渗透率应力敏感性指数随着水合物饱和度的增加而增加,实验获得的有效渗透率数据与最大孔径参数修正后的有效渗透率分形模型预测值具有较好的一致性。（4）开展了含水合物泥质粉砂沉积物土水特征曲线测量实验,系统研究了水合物饱和度对土水特征曲线拟合参数的影响规律,利用van Genuchten模型探讨了不同水合物饱和度下的气、水两相相对渗透率变化规律,并结合实验数据对推广的砂质沉积物相对渗透率分形模型进行了适用性评价及修正。结果表明随着水合物饱和度的增加,形状参数减小,计算的相对渗透率与考虑临界毛细管半径的相对渗透率分形模型预测值具有良好的一致性。