天然气水合物因其巨大的能源潜力,能高效、安全的储运天然气而引起全世界工业界和学术界的广泛关注。合理的添加表面活性剂能有效的提升天然气水合物的生成速率,有助于水合物储运技术的大规模工业应用。尽管如此,关于表面活性剂促进水合物形成内在机理却始终没有完全弄清楚。明确其机理,有助于新型高效的天然气水合物促进剂研发,对海洋天然气水合物勘探开采以及石油工业中深海油气的安全运输具有重要应用价值。本研究利用定量拉曼光谱和原位观测技术,探索了生物友好型β-环糊精（β-CD）以及5种氨基酸（L-缬氨酸,L-亮氨酸,L-甲硫氨酸,L-组氨酸,L-苯丙氨酸）促进水合物形成的机理。从分子水平探讨了这几种表面活性剂促进水合物成核机制,以及对水合物生长的不同影响方式。得到如下结论:（1）275.15 K,6-20 MPa下的水合物实验表明,β-CD在气/液界面处会发生自聚集,β-CD聚集体能大幅度增加局部CH4浓度（23.08-43.56%）,且水合物会优先围绕β-CD聚集体成核。该现象可用表面活性剂对“水合物形成的疏水效应”来解释。一方面,β-CD通过“疏水水化”增强水分子结构的有序性,减小了成核功。另一方面,β-CD和CH4的“疏水相互作用”增大了局部CH4浓度。高度有序的水分子结构和局部增大的客体分子浓度为水合物成核提供了热点。（2）275.15 K,6-20 MPa条件下的水合物生长实验表明,β-CD的添加能够提升通量控制下的CH4水合物生长速率。相较于纯水,水合物的等效一维生长速率（甲烷扩散通量）在0.5 wt%β-CD溶液中和1.0 wt%β-CD溶液中分别增加了18.78%和2.77%。虽然β-CD聚集体增大了局部CH4浓度,但会阻碍CH4的扩散。在1.0 wt%β-CD溶液中,过量的β-CD聚集体在气/液界面附近形成,堵塞了气/液界面,阻碍了CH4的扩散,损害了系统的相对效率。（3）在275.15 K,10 MPa下的水合物实验表明,相较于纯水,0.05 mol%L-缬氨酸,L-亮氨酸,L-甲硫氨酸,L-组氨酸,L-苯丙氨酸的添加并不显著增加CH4和CO2水合物体系气/液界面处的客体分子过饱和度（-6.70–5.83%）以及水合物成核驱动力。氨基酸水化壳光谱的研究表明5种氨基酸添加均能增强周围的水分子局部结构,且带有更长疏水侧链的氨基酸对水分子有序性增加更为明显。更加四面体化的水分子局部结构,有利于水合物成核。（4）275.15 K,10 MPa下的扩散实验和水合物实验表明,相较于纯水,0.05mol%的5种氨基酸的添加减小了CH4及CO2在液相中的扩散系数（-3.95—-13.67%）以及扩散通量控制下的水合物的等效生长速率（-3.16—-18.91%）。（5）275.15 K,10 MPa条件下的原位观测表明,相较于纯水,0.2 mol%L-缬氨酸,L-亮氨酸,L-甲硫氨酸的添加减小了体系三相（甲烷,溶液,石英毛细管）周界角,而0.2 mol%而L-组氨酸和L-苯丙氨酸的添加增大了体系三相周界角。且接触角随着氨基酸分子量减小而减小。氨基酸添加对气/液接触面积的影响不显著（-6.54—3.64%）。通过调研发现,影响液相表面活性张力的因素很多,包括:系统温度,压力,溶液p H,溶液中离子种类,表面活性剂类型,表面活性剂浓度等。表面活性剂对水合物形成的促进机理可能不适宜仅用表面活性剂添加减小液相表面张力来解释。（6）在10 MPa压力,变温条件（253.15 K到275.15 K）下的观测结果表明,相较于纯水,CH4水合物在L-甲硫氨酸溶液中成核时的界面失稳更加剧烈。在10MPa,275.15 K,0.2 mol%L-甲硫氨酸溶液中的水合物生长实验表明,氨基酸添加能够提升界面控制下的水合物生长速率。L-甲硫氨酸溶液气/液界面处形成的螺旋层状水合物并不堵塞气/液界面。气态CH4和液相在气/液界面处的持续动态接触,加快了水合物的形成。这可能和氨基酸添加降低了水合物的粘结性,增加了成核位点,改变水合物的晶习有关。以上研究表明,β-CD与氨基酸促进水合物形成的机理不尽相同。相似之处在于,β-CD和氨基酸的添加均存在对水分子的“疏水水化”,增强周围水分子结构的有序性,有利于水合物成核。不同之处在于,β-CD和CH4分子之间存在明显的“疏水相互作用”,增加气/液界面处CH4的过饱和度和成核驱动力。而氨基酸分子与CH4/CO2之间并不存在明显的“疏水相互作用”。与此同时,β-CD还增大了CH4在均一液相中的扩散系数,提升了扩散通量控制下的水化生长速率。氨基酸的添加降低了扩散通量控制下的水合物生长速率但对界面控制下的水合物生长速率有明显的提升作用。