天然气水合物作为理想的可替代能源,越来越受到世界各国的广泛关注。近年来世界各国相继对探明的水合物进行开采实验,但在海底天然气水合物开采输送过程中,无论是采用热激发法、降压法为代表的分解法,还是采用以打碎海底水合物以固液两相混输的形式进行开采的固态流法,都会遇到水合物在管线与井筒中的生成、二次生成与堵塞等流动安全问题,同时因为水合物藏的特点,开采时还会伴随着大量出砂。为了确保水合物开采中的流动安全,对水合物试采流道内固液两相流动特性的研究具有重要意义。本文首先根据现场数据,利用OLGA模拟得到井筒沿线温度、压力分布数据并与水合物生成的温压条件进行对比,确定并说明了试采流道内存在水合物流动安全问题。为了掌握垂直管内水合物固液两相流特点,利用自主搭建的包含垂直管段的水合物高压环道进行纯水体系下水合物的生成与流动实验。利用砂颗粒作为实验材料,进行垂直管内的颗粒沉降、携带以及堵管条件下的携砂实验。然后基于Open FOAM开源平台,根据简化的双欧拉流体模型,建立宏观流动模型对垂直管内水合物固液两相流动进行模拟,基于Open FOAM+CFDEM+LIGGGHTS平台,通过CFD-DEM耦合方法对垂直管内水合物固液两相流动进行微观模拟,从而分别得到水合物固液两相流在垂直管内的宏观与微观流动特点。通过垂直管水合物环道实验与垂直管砂粒沉积与携带实验得到:随着水合物生成量的增加,浆液的粘度增加,使得水合物浆液的流动阻力增大;流速越大流动阻力越大,压力损失越大;在水合物颗粒浓度较低的时候,影响流动阻力的因素中流速占主导地位,当水合物颗粒浓度到达一定范围以上时转由水合物浓度占主导。粒径越小沉降越缓慢,沉降速度越小,开采相场粒径44μm的石英砂临界携带速度为0.009m/s,略大于沉降速度的两倍。当颗粒在垂直管底部形成沉积堵塞管段后,冲开沉积后弯头处流道随着流动速度增大而拓宽,砂颗粒被携带离垂直管底部,当流速增大至一定水平后,流道面积不会继续随流动速度增大而拓宽。对于垂直管内含水合物固液两相流动特性宏观模拟研究,结果表明:建立的管内含水合物颗粒固液流动数值模型较为可靠;通过对模拟结果分析得到垂直管内水平段与竖直段内的水合物颗粒浓度在不同入口相分数、粒径以及入口流动速度条件下的分布规律。颗粒粒径越大,入口相分数越小,水合物颗粒分布越均匀,最大浓度相对入口相分数上升率越小;随着入口速度增大水合物颗粒分布不均匀程度先减小后增大,最大浓度相对入口相分数上升率先减小后增大。根据模拟结果拟合得到管内最大颗粒浓度与流动速度和入口相分数的定量关系式,并借此给出安全工况建议范围。对于垂直管内水合物颗粒微观模拟研究,结果表明:通过CFD-DEM的微观模拟的到的颗粒在垂直管三维空间内的浓度分布与宏观模拟结果基本一致;竖直管段内,弯头与竖直段衔接处沿流体流动方向上存在明显的“高密集线型”颗粒分布区域,延伸至竖直管段内,随着流动速度增大,这种颗粒密集现象会消失。