CO_2水合物生成流动参数及形态变化的研究

在自行设计的高压水合物循环实验环路装置上进行了CO_2水合物生成实验,研究了CO_2水合物生成过程中流动参数的变化规律,并根据水合物的形态变化对其生成机理进行了分析。实验结果表明,实验过程中温度、压力在同一时刻突变,CO_2水合物在整个循环管路内几乎同时生成;循环回路中的压差随反应的进行先增大后减小;CO_2水合物生成诱导时间随体系压力的升高、流量的增加逐渐缩短,同时高压力、大流量也加快了诱导时间缩短的速率。实验结果对深水流动保障水合物控制技术与深水天然气水合物管道输送技术的研究具有意义。     

管输流动体系下CO2水合物生成特性的研究

在高压水合物环路装置上进行CO2水合物生成特性实验,探究其耗气量与初始实验压力、流量等因素的关系。研究发现:在初始实验压力4.5 MPa、反应温度3℃,流量1375 kg/h、管路含水5 L的条件下,管输流动体系下诱导时间在1500~1600 s之间;CO2水合物生长速率与耗气量随着初始实验压力的升高、反应温度的降低而增加;管路含水6 L时体系中CO2水合物生成诱导时间比5 L时延长500 s;流量为2000 kg/h时带来的高剪切作用对CO2水合物晶核的生长有抑制作用;温度变化引起耗气量的变化较压力变化引起耗气量的变化量小。     

氧化石墨烯作为新型促进剂加速CO_2水合物生成实验

为了解决气体水合物生成速率慢、储气密度低、生成条件苛刻等难题,利用高压反应釜生成实验装置,探究了添加质量浓度为0.2 g/L的氧化石墨烯对CO_2水合物生成的诱导时间、气体消耗量及CO_2水合物相平衡压力的影响,揭示了温度和压力的变化规律,与去离子水中CO_2水合物生成实验进行了比较并分析了其促进机理。结果表明:①氧化石墨烯具有动力学促进和热力学促进的双重作用,能够加快CO_2水合物体系的传热传质效率,促进气体溶解,提高成核速率和气体消耗量,降低相平衡压力;②与去离子水相比,氧化石墨烯体系下CO_2水合物生成诱导时间缩短了74%~85%;③温度为6℃时,随着初始压力的不同氧化石墨烯均能提高气体消耗量,在4 MPa时气体消耗量增长幅度最大,达17.2%,提高了水合物储气密度;④氧化石墨烯降低CO_2水合物相平衡压力的最大降幅为20%。结论认为,该新型促进剂能够提高CO_2水合物的生成速率和储气密度。     

纳米石墨颗粒对气体水合物生成诱导时间的影响

分析和比较了纯水及浓度为0.4%的纳米石墨悬浮液体系中的CO2水合物生成过程。采用观察法测定了二种溶液体系在不同温度和压力条件下的水合物生成诱导时间,并研究了其随温度、压力的变化规律。结果表明,纳米石墨颗粒的引入能够加快体系的传热效率及成核速率,较大程度减少水合物生成的诱导时间,同等条件下,相较于纯水体系诱导时间平均下降了80.6%。此外,二种体系中水合物生成的诱导时间随着温度及压力的升高均分别呈增大和减少的趋势。然而,纳米石墨悬浮液体系中的水合物生成诱导时间受温压的变化影响较小。因此,纳米颗粒能够加速水合物的成核过程,且鉴于其巨大的比表面对传质过程的影响,实验结果也从侧面证明了水合物的成核速率主要受气液传质过程控制的结论。     

四丁基氯化铵半笼型二氧化碳水合物生成动力学研究

为明确四丁基氯化铵+CO_2+水体系下水合物生成的动力学特性,在可视化高压搅拌反应釜内进行四丁基氯化铵+CO_2+水体系水合物的动力学实验,探究了溶液中四丁基氯化铵浓度对诱导时间、快速生长时间、快速生长速率和累积耗气量的影响以及机理。实验结果表明,与纯水体系相比,随着四丁基氯化铵浓度的增加,诱导时间显著增加;5%(w)的四丁基氯化铵溶液对水合物的生成有抑制作用,而10%(w),15%(w)的四丁基氯化铵溶液则会促进水合物的生成,但是由于气体的大量消耗,驱动力减小,快速生成时间较短;随四丁基氯化铵浓度的增加,总的气体消耗量逐渐减小。     

天然气油基水合物浆液流动实验

为了解决高压油气混输管道中天然气水合物堵塞的问题,利用中国石油大学(北京)新建的中国首套高压(设计压力15 MPa)天然气水合物实验环路进行了天然气油基水合物浆液流动实验,探究了压力、流量等因素对天然气水合物浆液流动、堵管趋势以及堵塞时间的影响,并利用实时在线颗粒粒度仪监测了天然气水合物浆液生成过程中体系内天然气水合物颗粒粒径的变化趋势。实验结果表明:压力越高,天然气水合物堵管时间越短,天然气水合物的堵管风险增大;增大流量可以减缓天然气水合物堵管趋势,降低天然气水合物堵管的概率,但存在"临界最低安全流量"现象,即当流量大于某值时,天然气水合物不会发生堵管,流体以浆液的形式在环路中流动。反之,则会发生天然气水合物堵管事故;在天然气水合物生成过程中天然气水合物颗粒的粒径(弦长)分布会发生显著变化,天然气水合物颗粒间的聚并是导致天然气水合物浆液发生堵管的主要原因。     

氧化石墨烯/纳米石墨颗粒与SDS复配对CO_2水合物生成特性的影响

利用水合物技术,促进CO_2水合物的生成有利于提高其水合物捕集封存的效率。分别采用五种不同质量分数的氧化石墨烯(GO)(0.005%、0.010%、0.015%、0.020%、0.025%)和纳米石墨颗粒(GN)(0.020%、0.040%、0.060%、0.080%、0.100%)与质量分数为0.05%的十二烷基硫酸钠(SDS)复配,探究了复配添加剂体系对CO_2水合物气体消耗、诱导时间和水合物生成速率的影响。结果表明,与纯SDS相对比,两种纳米石墨材料与SDS的复配体系对CO_2水合物生成都具有动力学促进效果,能够缩短诱导时间、增加耗气量、提高平均耗气速率。在同等工况条件下,与SDS复配时,GO的添加量更低,与GN相比促进效果更优。     

水合物法天然气管道输送的实验研究

随着海洋油气开发向深海进军,海底油气混输管线受困于天然气水合物堵塞问题。天然气水合物浆液管道输送技术是保障深水油气田开发的新工艺,而研究天然气水合物浆液的流动特性则是实现上述管输新技术大规模工业应用的重要基础。为此,自行设计了一套模拟海底油气管道天然气水合物生成及其浆体流动的实验装置,分析了模拟海底管道工况下天然气水合物的生成特点,推断出海底管道中天然气水合物生成大致经历乳状物→粒状物→团状物→云状物4个过程;测定了不同工况下天然气水合物生成的诱导时间和生成时间,发现随着反应压力增大,天然气水合物的诱导、生成时间逐渐缩短;比较了温度对天然气水合物生成的影响,发现随着温度升高,天然气水合物的诱导、生成时间均变长;研究了不同工况下的耗气量;初步探讨了海底管道中流动体系下天然气水合物的生成机理。该成果为海底管道以水合物法输送天然气提供了技术依据。     

表面活性剂促进CO_2水合物生成的实验及动力学模型

采用自行设计的水合物生成实验系统,在静态条件下,在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)体系中进行了CO2水合物生成的实验。考察了表面活性剂浓度对CO2水合物生成的影响;建立了CO2水合物生成动力学模型;分析了表面活性剂对CO2水合物生成促进作用机理。实验结果表明,SDBS和SDS均能缩短CO2水合物生成的诱导时间、提高生长速率和储气密度;SDBS比SDS具有更好的CO2水合物生成促进效果,两种添加剂的最佳用量分别为0.5,0.3 g/L;建立的CO2水合物生成动力学模型能对水合物生成过程进行准确预测。     

高持液率下抑制剂对天然气水合物生成与浆液流动的影响

搭建了一套高压可视流体环路，研究了在80%高持液率下NaCl溶液、动力学抑制剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）及其复配体系对天然气水合物的生成、浆液流动及形态变化的影响。实验结果表明，NaCl溶液对天然气水合物的初始成核速率具有很好的抑制作用，当NaCl含量为5%(w)时，水合物生成诱导时间比纯水体系延长了186%；随着NaCl含量的增加，生成的水合物量不断减少，浆液流动性增强；PVP可延长天然气水合物生成的诱导时间，仅0.025%(w)的PVP即可使诱导时间延长近50%;0.500%(w)PVP的抑制效果最佳，生成的水合物量最少；3%(w)NaCl溶液与PVP的复配体系对天然气水合物的生成速率具有显著的抑制作用，与纯PVP体系相比，在PVP含量为0.10%(w)时，水合物生成诱导时间延长了66.9%，固相分数减少了23.5%，水合物浆液呈细泥沙状，流动性较好。