天然气水合物是由甲烷、乙烷、二氧化碳及硫化氢等客体分子填充在由水分子构成的笼型孔穴中形成的非化学计量性笼状晶体物质。自从1934年天然气水合物堵塞油气输送管道的现象被发现以来,随着油气资源的开发不断向深水和超深水领域进军,由管道内天然气水合物形成和堵塞所引发的一系列问题已成为石油工业流动安全保障领域的研究热点。近年来的研究表明,水合物在管道内的聚集和沉积是引发管道水合物堵塞的关键原因。基于此,本文采用理论建模、数值模拟与实验研究相结合的方法,对水合物颗粒在油气输送管道内的聚集特性和水合物的管壁膜生长沉积特性展开研究,本文的主要研究内容及成果如下:（1）为研究水合物颗粒在管道内的聚集特性,需建立水合物颗粒聚集动力学模型。水合物颗粒在流场中的微观流动行为研究是水合物颗粒聚集动力学模型建立的基础和前提。本文首先利用带视窗的高压反应釜进行水合物生成实验,在水合物颗粒生成和流动的过程中,使用高速摄像机对其微观流动行为进行观察和捕捉。基于对实验现象的分析和对实验数据的处理,研究了流场中水合物颗粒的微观形态、计算了水合物颗粒在流动过程中的粒径变化、分析了水合物颗粒在流场中的三种主要微观流动行为并据此建立了水合物颗粒在流场中的聚集过程物理模型。（2）对流场中水合物颗粒微观流动行为的研究表明,水合物颗粒间的碰撞、聚集和破碎是水合物颗粒动态聚集过程中的三个关键步骤,水合物颗粒聚集动力学模型的建立需针对上述三大步骤展开。基于此,本文依据水合物颗粒的自身性质及实际管输条件,分别对水合物颗粒在流场中的碰撞频率、聚集效率、破碎频率和破碎后水合物子颗粒的粒径分布进行理论建模,随后将上述模型整合至群体平衡模型的总框架中并以此建立水合物颗粒的聚集动力学模型。此外,基于建立的动力学模型,定义了水合物颗粒的聚集频率并对其进行了影响因素分析及正交试验研究。（3）水合物颗粒的聚集特性及水合物浆流动特性对深水流动安全保障技术和水合物法气体储运技术的发展具有重要意义。本文利用商业软件FLUENT,采用CFD-PBM的数值模拟方法对已建立的水合物颗粒聚集动力学模型进行求解,以此模拟管道纯水及油水体系中水合物颗粒的聚集特性和水合物浆的流动特性。基于数值模拟结果,分析了水合物颗粒粒径在流动中的变化过程、流场中水合物颗粒的粒径分布类型及粒径分布规律、水合物颗粒在管道横截面处的浓度分布及粒径分布规律、水合物颗粒在管道内的着床沉积特性及水合物浆的流动压降特性。（4）除了水合物颗粒间的聚集外,水合物在管道内的沉积也是导致管道水合物堵塞的重要原因。目前,国内外对水合物的管壁膜生长沉积特性研究较少,有待进一步深入。本文利用搭建的水合物膜生长沉积实验装置,开展了一系列气相空间内的管壁水合物膜生长沉积实验,对水合物的管壁膜生长沉积特性进行了系统的实验研究。基于实验结果,重点分析了管壁水合物膜生长沉积的三种检测手段、管壁水合物膜生长沉积层的形成机理、生长过程、生长形态、生长速率、厚度分布、孔隙度和干度。（5）管壁水合物膜生长沉积层形成后,其力学特性对管道的水合物堵塞机理及管道内水合物的清除具有重要影响。基于此,本文首先依据颗粒堆积理论建立了管壁水合物膜生长沉积层的空间结构模型。随后,基于建立的空间结构模型,计算了不同条件下管壁水合物膜生长沉积层的孔隙度、弹性波速、弹性模量及抗拉强度等力学特性参数。接着,本文以上述计算出的力学特性参数为基础,利用商业软件ANSYS,采用有限元的数值模拟方法,开展了一系列管壁水合物膜生长沉积层力学稳定性数值模拟并以此定量研究了管壁水合物膜生长沉积层在外力作用下的变形情况、内部应力分布情况及失效情况。此外,本文还研究了烧结对管壁水合物膜生长沉积层力学特性的影响。本文研究成果可用于深水流动安全保障水合物防治,对深入理解水合物在管道内的聚集过程、沉积过程及堵塞过程具有重要意义。