随着全世界对环境和气候问题的日益关注以及人类对清洁能源需求的快速增长，天然气水合物作为一种具有极大潜力的新型能源而受到普遍关注。CO2置换开采天然气水合物是一种新型的水合物开采技术，通过将CO2注入CH4水合物中实现CH4开采和CO2封存，对降低开采引发的地质灾害和实现能源与环境的可持续发展具有重要意义。但置换法开采存在置换效率低，置换影响因素不明确等问题。基于此，本文研究了CO2置换水合物中甲烷气体的宏观和微观动力学过程，分析了置换机理并建立了置换动力学模型，取得如下成果:　　(1)测量了CH4-CO2宏观置换反应过程，发现CH4和CO2的置换量曲线沿指数衰减型曲线变化。置换过程被分为置换反应阶段和扩散反应阶段。在表面反应阶段，置换反应前锋位于水合物表面，气体置换过程只受到置换反应本身的影响，置换速率较高。在扩散反应阶段，置换反应前锋逐渐深入水合物晶核，置换过程受到置换本身和气体在水合物表面壳层中扩散阻力的影响，置换速率显著降低。温度的上升强化了气体置换过程，CH4的置换速率和总量都得到明显的提升。　　(2)建立了水合物原位拉曼反应釜，并测量了CH4-CO2混合气体水合物的分解和CH4-CO2置换反应过程。研究表明CH4-CO2混合气体水合物的分解速率远高于置换过程中CH4水合物的分解速率。在置换过程中，水合物的晶体结构并没有发生改变。CH4在水合物大小笼中浓度之比成线性下降，表明大笼中CH4分子更容易被CO2所占据。气体组分的改变也不会影响晶体结构。在分解过程中，CH4和CO2的浓度以及水合物各晶面面积的变化曲线始终保持一致，表明水合物晶体以晶胞为单位进行整体分解。因此，水合物的分解和置换过程存在着明显的差异。　　(3)研究了含有低浓度N2的CH4-CO2水合物置换过程，发现低浓度N2的不会改变水合物的晶体结构。由于N2参与置换了部分水合物小笼中CH4气体，置换总量会带来9-13％的提升。置换速率受置换压力的升高和N2浓度的降低而出现明显的上升。但是，由于N2与CH4具有相似的物理性质并不利于降低水合物主体结构的稳定性，置换速率因此会受到明显的抑制作用。　　(4)基于反应平衡热力学在气体扩散理论的基础上建立了置换反应一维动力学模型。模型中假设在水合物相中各空间点上的气体逸度和孔穴占有率分布与相平衡条件下得到的结果始终保持一致，使得置换过程中各空间点上的水合物始终处于最稳定的状态。结果表明，该模型对CH4-CO2置换过程的宏观和微观实验结果均可以进行很好的描述。　　本文研究成果对水合物开采和CO2封存技术提供了基础数据和理论依据。