随着国民经济的快速发展,我国能源需求快速增加,对外依存度不断提高,常规能源供应已经无法确保我国的能源安全。开发非常规能源尤其是具有巨大储量和能量密度的天然气水合物对满足国内生产生活需要,提供充足油气供应,保障能源安全具有非常重要的意义。但是作为新兴能源,天然气水合物开采仍面临许多技术难题,其中如何保障井筒流动安全是实现水合物商业化开采的关键。世界范围内多次陆域和海域试采作业均表明水合物在井筒内的二次生成和储层出砂是造成井筒堵塞和流动困难的主要原因。水合物在管路内的二次生成及管壁附着,会减小流动面积,引发管路堵塞,从而影响天然气、水及其他流体的正常流动,严重影响作业进度,甚至危及财产和人员安全。天然气水合物储层出砂以微米级砂粒为主,主要是由粘土（<4μm）和粉砂（4-63μm）组成,而现有防砂系统只能阻挡大于44μm的砂粒,粒径小于44μm的砂粒将通过防砂系统空隙进入井筒,这些微米级砂粒在井筒内的沉降堆积已经迫使多次大规模水合物试采作业提前结束。因此从防止井筒堵塞保障流动安全的角度,研究水合物生成条件及抑制水合物二次生成的方法和机理;研究降压开采井筒内微米级砂粒运移、沉积、重启规律,建立含水合物-砂-水-气多相流动模型对于保障水合物开采井筒流动安全具有重要意义。针对这些问题,本文采用文献调研、室内实验、理论建模与求解、数值模拟等多种研究方法,开展了天然气水合物降压试采井筒多相流动规律及保障技术研究,具体研究工作如下:（1）基于天然气水合物生成及抑制模型,计算了组分、温度、压力和含水量对天然气水合物生成条件的影响。利用不同学者已公开发表的实验数据验证了模拟计算的准确性。结果显示:乙烷、丙烷、CO₂、H₂S等对水合物生成起促进作用,这种促进作用随着含量的增加而逐渐减小,丙烷促进作用大于乙烷。N₂基本不影响水合物相平衡曲线,起轻微抑制作用。压力较低时,压力变化对天然气水合物平衡温度影响较大,温度较高时,温度变化对水合物平衡压力影响较大。水合物生成量与所需自由水含量基本呈正比例关系。5种单组分醇类抑制剂和4种盐类及其复配双组分均对水合物生成具有抑制作用,且随着含量的增加,抑制效果越明显。但是随着总含量的累积,不同种类单组分醇类抑制剂单位含量抑制效果表现出性能减弱、性能基本不变、性能先减弱后增强、性能增强四种规律,不同复合双组分醇类抑制剂单位含量抑制效果表现出性能先减弱后增强、性能基本不变两种规律。单组分抑制剂中三甘醇、乙二醇抑制效果较好,二甘醇和乙醇抑制效果较差。复合双组分抑制剂中乙二醇+三甘醇、甲醇+三甘醇抑制效果较好,甲醇+二甘醇、二甘醇+乙醇抑制效果较差。随着总含量的增加,单组分盐类抑制剂单位含量抑制效果表现出性能增强和性能基本不变两种规律,所有复合双组分盐类单位含量抑制效果均表现出性能增强趋势。单组分无机盐中Ca Cl₂抑制效果最好,双组分复配剂中Ca Cl₂+Mg Cl₂的复配效果最好。单、双组分抑制剂性能评价结果显示,复配可以有效提高某些醇类和无机盐的抑制效果。（2）提出了砂沉积浓度比的概念,并通过室内实验,测定了不同砂粒粒径、不同流速、不同出砂浓度以及不同井斜角下的砂沉积浓度比的数值。发现砂沉积浓度比随着井斜角的增大而增大,这与常规钻井中岩屑运移规律不同;另外砂粒粒径越大、流速越小、出砂浓度越小,砂沉积浓度比越大。通过单因素分析,使用非线性拟合技术,对实验数据进行拟合,建立了砂沉积浓度比预测模型。建模过程中引入了赤池信息量准则、贝叶斯信息量准则等多种方法对模型进行优选。并进一步对模型进行了统计学误差分析,统计学参数分析结果验证了模型在假定条件范围内准确预测砂沉积浓度比的能力。对比讨论了天然气水合物开采过程中微米级砂粒运移与岩屑运移以及常规油气开采过程中砂粒运移的不同点。（3）砂床沉积高度是衡量井筒流动面积及流动状况的重要指标,将影响砂床沉积高度的流体性质参数、固体性质参数和生产参数无量纲化并组成5个具有实际物理含义的无量纲量,分析这些参数对无因次砂床沉积高度的影响规律,结果显示无因次砂床高度随地层出砂浓度、无因次砂粒粒径和无因次井斜角的增大而增大,随雷诺数的增大而降低,且均单调变化。运用Buckingham-Π定理及单因素分析方法,建立了砂床高度预测模型,模型预测值与实验值吻合较好,统计学误差分析验证了模型的准确性。研究了砂床形成后微米级砂粒的分布及堆积状态,考虑砂床表面颗粒所受的浮重、附加质量力、上举力、拖拽力、液流压耗,粘着力、静电力,建立了微米级砂粒启动临界流速模型。（4）以2013年世界第一次海域天然气水合物降压试采井筒为背景,利用CFD数值模拟技术对试采井筒中的C形-螺旋形井段、变径井段内微米级砂粒运移过程进行模拟,结果显示C形-螺旋形井段中微米级砂粒较易沉积的部位主要在C形段的拐角处及螺旋段。螺旋段内微米级砂粒沉积情况随液流速度的增加而逐渐改善,其中螺旋段上部的砂粒清洁难度要大于螺旋段下部。变径井段中微米级砂粒主要堆积在管径突变处,沿径向方向看,管径突变截面中间微米级砂粒体积分数低,围绕中心存在一圈砂粒堆积较为严重的区域,剩余部分体积分数处于两者之间。根据复杂井段内砂粒体积分数随流速分布特征,提出了工程上微米级砂粒临界不沉积流速的计算方法,分别得到了C形-螺旋形井段、变径井段中3种粒径,3种地层出砂浓度下的临界不沉积流速。根据数值模拟数据,分别建立了C形-螺旋形井段,变径井段微米级砂粒体积浓度预测模型,为现场快速判断复杂井段流动状况提供依据。（5）基于守恒定律,考虑了气相、液相、水合物相变引起的不同组分之间的传质传能过程,建立了一套考虑因素多、形式完善的能够描述水合物试采过程中管柱流道内多相复杂流动的连续性方程、动量方程和能量方程。结合水合物试采工况,给出了相应的初始条件和边界条件,采用交错网格方案对管柱流道进行网格离散化,基于有限体积法推导得到了流道不同网格节点之间的数值迭代格式,给出了完整求解过程。