在低温高压环境下水合物的形成不仅会影响钻井液的流变性,增大摩阻压降,还可能在管壁上沉积,甚至进入连接器内的空隙,堵塞防喷器和节流压井管线,给井控和钻井作业带来严重威胁,这就需要对水合物的形成和生长机理进行深入研究。本文以深水钻井过程为工程应用背景,以泡状流为重点,通过实验和理论分析,构建井筒环空中水合物生成速率预测模型。本文设计了两套实验装置对水合物的生成过程进行实验研究,球形反应容器用于研究气泡表面水合物横向和垂向生长过程,圆柱形井筒用于模拟深水钻井井筒研究泡状流下水合物生长过程。利用理论分析和实验研究相结合的方法,建立了新的水合物横向和垂向生长速率模型。在这两种模型的基础上,研究了水合物形成对气泡动力学的影响以及气泡粒径分布,建立了泡状流下水合物生成速率模型,并利用实验数据对模型进行了验证。模拟结果表明:考虑自然对流传热的水合物膜横向生长速率模型与气泡表面、水平气液界面下实验数据吻合较好,水合物膜初始厚度预测相对误差不超过±20%;气泡表面水合物膜生长速率与气泡位置、气泡尺寸有关,可以通过水合物膜前沿传热效率进行表征。水合物壳生长经历了三个复杂的过程:快速生长区,连续坍塌区和生长停滞区。水合物的形成会影响气泡表面的形态和上升速度,同时对水溶液的流动性也会造成影响。泡状流下水合物生成速率不仅与单气泡下水合物生成速率有关,还受气泡粒径分布控制。利用该模型对某井水合物生成速率进行了预测,结果表明在水合物生成区域内水合物生成速率的峰值相对于过冷度的峰值会提前到达。基于水合物生成速率模型预测,提出了新的水合物防治方法,为克服深水钻井中过度使用水合物抑制剂提供了理论基础。