天然气水合物(NGH)是目前世界上探明的一种新型清洁能源,它具有分布广泛和高效的特性。从1810年发现水合物开始,世界各国已经在其国内大规模探测天然气水合物分布和储量,研究科学高效开采天然气水合物的技术。目前经过原位实验的天然气水合物开采方法主要有降压法,热刺激法、热力学抑制剂注入法和二氧化碳置换法等。然而,考虑到天然气生产率和开采时间等开采效果,最常用的开采方法被认为是与热刺激相结合的减压方法。但我们发现,很少有研究关注在垂直井中采用不同开采方法对NGH生产的影响。特别是针对在不同开采方法中采用没有质量注入的原位电加热的生产效果比较。考虑到目前的研究现状,本文在自行设计的实验设备的基础上,对甲烷水合物开采进行了五组垂直井原位模拟实验。分别采用以下四种开采方法:纯降压(PD)、纯电加热(PH)、降压联合电加热(SDH)和热吞吐法(H&P)。通过对分解过程中温度场、平均产气速率、水合物分解速率、获得净能量、消耗能量等参数变化的分析,找出最佳的开发方法。在转换获得净能量和消耗能量为一种能量品质分析各开采方法能量效率的同时设计了一个平均净能量指标来一起比较这些开采方法对商业开发的适用性。研究成果主要包括:(1)采用无质量注入的原位电加热时,电加热能有效传递热量到水合物沉积层内。纯降压法、降压联合电加热法和纯加热法的温度基本以不同增长幅度持续上升直到釜体内外传热平衡。而热吞吐法温度变化趋势为随时间上下波动的循环上升。釜体内温度变化不仅受开采方法影响,还受到开采过程产水影响。(2)每一种开采方法实验的累积产气曲线和未分解水合物质量曲线近乎关于一条直线的对称。这条直线是各试验组反应釜内未分解水合物总量和已分解水合物总量相等的点的连线。被命名为水合物分解和产气平衡线(LineNDB)。说明反应釜釜体内的自由气对V_p没有贡献,水合物分解是产气的唯一来源。(3)纯降压法利用的能量是从外界水浴吸收的。水合物分解前沿从四周边界向中心垂直井方向移动。相比纯降压法,降压联合电加热法和热吞吐法额外提供了加热驱动力。水合物主要从中心井向边界分解。纯电加热法只有电加热提供的热分解驱动力,水合物只能从中心井向边界分解。并且采用纯电加热法水合物不能被完全开采,纯电加热法中电加热影响范围有限。(4)热吞吐法中累计产气成阶梯状不断增长,反应釜内未分解水合物质量呈锯齿状不断下降。纯降压法,降压联合电加热法和纯电加热法产气和未分解水合物质量都随时间逐渐变化。(5)不同功率的降压联合电加热法开采时,虽然不同的电加热功率提供了不同的热驱动力,但在热驱动力能充分满足水合物分解的时间内开采效果是一样的。直到功率低的提供的热驱动力不能满足水合物快速分解,两者开采效果出现不同。我们可以考虑在采用同种开采方法时通过改变加热功率来控制水合物分解速率和开采时间,这为商业化开采提供了一种手段。但是,提高电加热功率对净能量的获得影响有限。(6)在消耗相同能量的条件下,由于热吞吐法加热功率大,提供热分解驱动力大。并且焖井期间釜体内压力升高使开采时压力分解驱动力增大,开采耗时短于降压联合电加热法。在相同功率下,采用连续加热的降压联合电加热法为了维持反应釜内连续的温度梯度,电加热耗能大。而热吞吐法不属于持续加热,在焖井和产气期间水合物吸收被加热区域石英砂的热量持续分解,电加热提供的能量主要被水合物分解吸收,热损小。综合获得净能量、消耗能量、开采时间和获得净能量速率指标,认为热吞吐法在四种方法中开采效果最好。(7)采用不同的开采方法会对水合物开采效果产生明显影响。纯降压法的平均净能量指标很小,商业开采价值低。纯加热法能量效率和平均净能量指标均最低为负,开采效果不理想,不具有商业开采价值。并且我们在降压联合电加热法的研究中发现开采过程中合理选择电加热功率来指导开采可以达到更好的开采效果。热吞吐法开采效果理想,在四种方法中最具有商业开采价值。最后在本文研究结果的基础上对未来天然气水合物开采技术的研究进行了展望。