深水油气管道中高压、低温的环境条件易导致水合物生成,然而水合物的生成、分解等动力学过程均可能发生颗粒间聚集、阻塞,危及油气生产及输运安全。本文基于微观力学机制及颗粒动力学理论,从实验及仿真研究等角度入手,较为系统地探索了水合物颗粒微观聚集机理。利用自行构建的水合物微观可视化装置和微观粘附力测试装置对水合物的生成和分解规律进行了研究,从微观角度探索了油水分散体系中水合物的生长和分解对分散相聚集的影响。实验观测表明:生成及分解过程均会造成聚集现象的发生,颗粒表面包覆的液膜是颗粒间粘附的关键诱因。进而提出水合物干颗粒、湿颗粒及分散液滴等3种分散相,以及随机碰撞、粘附产生的4种多元聚集体。重点针对干颗粒-湿颗粒及湿颗粒-湿颗粒等两种多聚体,基于钟摆悬滴毛细液桥理论,提出了其微观聚集力模型。在不同粒径比和无因次液桥体积条件下,讨论了颗粒间粘附力及液桥轮廓、半包络角和断裂距离等颗粒聚集过程中关键参数的数值变化规律,由定量分析给出了液桥半包络角与无因次水合物间距间的二次函数关系。模拟计算结果表明:对于湿颗粒参与的多元聚集体,低无因次液桥体积(Vr0.1)时水合物颗粒间的相互作用力随着水合物间距的增大而呈现先增大后减小的趋势。以水合物颗粒间微观聚集力模型为基础构建聚集核、破碎核函数,采用CFD-PBM耦合方法建立了集输管道中水合物颗粒聚集动力学模型,从而将分散相生长、聚集、破碎等微观行为反映到体积、粒径等宏观属性上。借助Fluent18.1软件对耦合模型求解,研究了液相及水合物颗粒相性质对水合物颗粒在流场中聚集特性的影响。仿真结果表明:随入口流速升高,平均粒径逐渐增大,最大粒径却在逐渐降低,粒径分布曲线峰值向左下方移动;随入口水合物浓度增加,颗粒平均粒径与最大粒径均增大,粒径分布曲线峰值向右下方移动。