天然气水合物是一种类冰状的晶体化合物,通常在气水共存和高压低温的环境条件下生成。自然界中天然气水合物最早是在天然气输运管道中被发现的,由于管道内生成的水合物通常会发生沉降堵塞,进而会对天然气开采输运过程带来严重的安全问题和经济损失。为了预防管道内的水合物堵塞情况发生,需要针对水合物堵塞的机理与特性开展研究。本文通过研究管道内水合物颗粒的运动机理来分析水合物堵塞的成因,阐明管道内水合物浆液的黏度变化,设计循环管路系统并利用压差信号监测分析了管道内水合物的堵塞特性,进一步探究了不同管道结构和运行条件下的水合物堵塞过程和解堵手段,为天然气管道的安全输运提供理论依据和工程指导建议。针对管道内水合物颗粒的运动机理研究,通过受力分析和参数优化构建了水合物颗粒沉降过程的极限沉降速度模型,计算了保证颗粒在管道内不沉降条件下的临界流速;针对水合物颗粒在表面移除过程,引入毛细液桥变形所导致的毛细管力和横向液桥力的变化,建立了水合物颗粒移除临界流速模型,计算了保证颗粒在管道表面不附着条件下的临界流速;进一步对颗粒移除临界流速模型进行实验验证,测量了颗粒滚动和滑动移除的临界流速。在误差不超过10%的范围内,滚动移除的模型预测准确度达75%,滑动移除的模型预测准确度达90%。运用上述建立的模型,能够计算保证水合物颗粒在管道内不沉降不堆积的最小管道流速。针对管道内的水合物生成至堵塞过程,首先通过测量不同初始条件下的水合物生成-聚集-沉降过程的浆液黏度值变化,阐明了水合物生成至聚集过程黏度值增加而沉降过程黏度值降低的规律。为了进一步研究管道内的该过程,设计并搭建了一套高压全可视化循环管路,能够实现气液固三相混输。实验通过流动过程中的压差信号变化并结合可视化图像,原位监测了管道内水合物的生成-聚集-沉降-堵塞过程。计算了水合物生成至堵塞过程的水转化率,并提出了以压差信号为判据的水合物各阶段的预警判定点,揭示了不同含液率和管道流速下水合物生成至堵塞各阶段的流态变化规律。基于上述水合物在管道内的堵塞过程研究结果,进一步观测了管道中的起伏管、盲管和U型管等多区域的水合物浆液流态变化及水合物堵塞规律,揭示了堵塞易发生点。阐明了管道输运过程中启停操作对水合物堵塞的影响,指出了停机时长过长会增加管道内水合物生成的过冷度并进一步加速水合物堵塞过程。提出了水合物降压解堵过程中,高含液率采用分段降压而低含液率采用直接降压的方式,以保证最佳解堵效率。