天然气石油生产装置和输送管线中,水合物的形成会导致堵塞,造成严重危害。引起水合物堵塞的原因之一是水合物形成后颗粒发生聚集,而聚集是由于颗粒之间存在粘附力。关于水合物颗粒的粘附作用已有一些研究,但尚未形成一致认识。低剂量水合物抑制剂(Low dosage hydrate inhibitors,简称LDHIs)是解决水合物堵塞的有效途径,用可靠的水合物聚集机理指导LDHIs的研究和开发及水合物的防治非常重要。本文研究LDHIs对防止水合物聚集的作用机理,在认清水合物颗粒聚集机理的基础上,分析其对水合物颗粒粘附力影响规律,这对LDHIs的开发和应用具有重要的理论和现实意义。本论文设计开发了测量水合物颗粒粘附力的显微操作及成像系统,并验证了系统可靠性,建立了研究水合物颗聚集作用的显微操控及显微观察方法。应用显微操控技术,测量了正癸烷介质中四氢呋喃(Tetrahydrofuran,简称THF)水合物颗粒在不同温度、接触力、LDHIs作用下的粘附力。使用LDHIs包括聚乙烯醇(PVA)、不同亲水亲油平衡值(HLB值)的表面活性剂、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、ISP501和实验室开发的抑制剂HGs。结果表明温度和接触力是影响水合物颗粒粘附力的重要因素,粘附力分别随温度的升高和接触力的增大呈增大的趋势。在-2.5~-3 oC、接触力0.5μN条件下,粘附力在PVA、低HLB值的Span20、Span80、Span85及HGs作用下随抑制剂浓度升高而降低;在高HLB值表面活性剂、PVP和ISP501作用下随浓度升高而增大。因此,PVA、Span20、Span80和Span85具有防止水合物聚集的效果,可用作水合物防聚剂,而PVP和ISP501则具有加剧水合物颗粒聚集的作用。应用显微观察法,研究了不同LDHIs作用下THF水合物颗粒形貌,探索了形貌对粘附力影响的初步规律,分析了LDHIs对颗粒表面润湿性的影响及其引起形貌变化和粘附力变化的原因。研究结果表明PVA、Span20、Span80、Span85、HGs作用下可促使形成具有表面粗糙的THF水合物颗粒,且颗粒亲水性有所减弱;高HLB值表面活性剂以及PVP和ISP501作用下的THF水合物颗粒较光滑,颗粒亲水性较强。由抑制剂引起的表面粗糙和表面亲水性的削弱是粘附力降低的主要原因。基于表面粗糙和表面润湿性,建立了水合物颗粒粘附力与颗粒表面性质的关联表达式。应用显微观察法,研究了PVA、Span20、Span80、Span85及PVP作用下癸烷介质中液滴-液滴、液滴-水合物颗粒和水合物颗粒的相互接触时的不同作用方式。液滴观察结果表明Span20、Span80和Span85能够在液滴表面吸附聚集并形成界面膜,Span80、Span85界面膜具有一定强度,能够防止液滴碰撞接触时聚结成大液滴。液滴-水合物颗粒接触作用的观察结果表明PVA、Span20、Span80、Span85能够改变液滴和水合物颗粒接触时液滴/癸烷、液滴/水合物和癸烷/水合物之间的界面张力,增强水合物颗粒的疏水性,削弱液滴在颗粒上的润湿;Span80和Span85在液滴表面的界面膜阻碍了液滴润湿水合物颗粒,隔离了水合物向液滴内的生长。水合物颗粒间相互作用的分析结果表明LDHIs一方面可发挥介质改性的作用,降低介质的界面能,另一方面可发挥颗粒改性的作用,改变水合物颗粒形貌和表面润湿性,发挥降粘效果。依据多相流体系中水合物发展的三个阶段:成核阶段、生长阶段和聚集,从液滴、颗粒相互作用的角度出发,分析了LDHIs在各阶段的作用机理,建立了环境、颗粒表面性质和颗粒作用方式三因素影响下水合物颗粒粘附力表达式。