天然气水合物是一种清洁高效的新能源,全球储量巨大,被认为是21世纪最具开采价值的非常规能源之一。我国南海水合物资源储量达800亿吨油当量,是我国石油、天然气探明储量的总和,具有广阔的开发前景。经过前期开展的海域天然气水合物勘探普查,我国已进入天然气水合物前景矿区钻探详勘和目标区试采的关键时期,实现水合物储层高精度刻画,获得试采区水合物矿藏真实特征,是安全高效开采的首要前提。天然气水合物赋存于深海沉积层中,储层特征对原位条件极其敏感,保真条件下水合物岩心船载原位检测与基础物性解析是目前研究的主要难点。为此,本文针对水合物岩心检测关键技术难题,开发了高压（～30MPa）水合物赋存形态声学反演方法、微观渗流特性可视化方法和原位力学特性测试方法,形成了一套超声波探测、X射线CT扫描与三轴力学测试一体化船载检测系统。多次赴我国南海水合物勘探靶区进行现场海试研究,提出了水合物样品岩心分析流程与方法,获取了南海试采区水合物岩心基础理化性质。首先,研发了天然气水合物岩心保压转移过程中水合物饱和度原位检测装置和分析技术。开发了高压（～30 MPa）水合物保压岩心归位整形与旋进式声波探测一体化系统,通过频率筛选确定了适用于南海钻探靶区水合物岩心声波测试的最佳频率为100 kHz,解决了超声波检测中的绕射难题。研究发现在水饱和条件下,水合物的生成会导致透射波主频峰值频率向低频位移,而气饱和条件仅伴随有主频峰值强度的变化。应用谱比法提取了透射波首波并结合快速傅里叶变换确定了波形的衰减系数,发现衰减系数随水合物饱和度的增大而增大。为现场天然气水合物保压岩心声波数据分析建立了水合物饱和度声学反演模型。其次,为了获取天然岩心中水合物赋存形态及微观渗流特性,研发了一套螺旋式船载X射线CT扫描系统。提出了岩心加持装置的分层结构方案,解决了保压条件下的射线衰减和旋转偏心问题。完成了南海水合物岩心样品的原位扫描及三维结构重建,实现了天然岩心中各组分空间分布及水合物赋存形态可视化。基于CT扫描图像建立了天然岩心的孔隙网络模型,提取了天然气水合物岩心中与水合物骨架结构相关的渗流特征参数。对比分析了不同埋藏深度和饱和度下天然岩心内气水两相渗流相对渗透率及毛细管力变化规律。第三,为了获取保真岩心原位力学参数以构建天然岩心强度准则,研发了一套天然气水合物岩心样品转移和三轴仪试验系统。样品转移装置在样品原位状态下,通过分离节点实现取样岩心的无形变脱膜,并移入三轴压力室,实现了保真岩心样品的力学特性测试。设计了带可视窗的三轴仪压力室,提供了岩心破坏模式的可视分析。研究了埋藏深度和水合物饱和度对岩心强度及变形特性的影响,分析发现170m比120m埋深岩心呈现出更明显的应变硬化现象,水合物岩心的强度和初始刚度随着含水合物饱和度的增大而增大。本研究成果为构建水合物保真岩心强度准则提供了重要的技术手段。本文作者搭载中海油708地质勘探船赴南海琼东南、荔湾水合物勘探靶区,开展了现场海试研究。应用开发的船载岩心检测系统完成了多次南海试采靶区现场海试,获得全站位多个采样深度保压岩心的粒径、孔隙水氯离子浓度等理化性质,发现了 120～170 m埋深范围内的取样岩心粒径分布和氯离子浓度均出现了异常变化,结合随钻测井数据判定,该深度范围是水合物的主要富集区。通过多次海试现场试验,在上述工作基础上参与完成了中海油水合物岩心基础理化性质测试与分析企业规范标准的制定,总结整理了两套分别针对非保真和保真岩心样品的检测分析流程,为我国南海天然气水合物试采提供基础数据支撑。