南海东部沉积物中烃类化合物的地球化学特征

采用色谱和色谱-质谱技术测定了南海东部沉积物柱样HD196A中的有机物,共检测出正构烷烃、类异戊二烯烃、支链烷烃和多环芳烃等90多种烃类化合物.对样品柱中部的HD196A-30子样(3.40 m)和近底部的HD196A-55子样(6.20 m)进行了地球化学特征分析.由正构烷烃分布曲线的形状、碳数范围、主峰位置以及CPI值和OEP值等特征可见,沉积物中的有机质主要来源于陆地高等植物、海洋浮游生物藻类和细菌源共存物,并以源于陆源高等植物的有机质占优势.同时,多环芳烃中菲系列成熟度参数的分布反映了该区沉积物成熟度较高.在样品中检测到角鲨烯,表明这一地区存在生物甲烷合成和细菌作用,具有生成油气及天然气水合物可能性.从柱状样品的中部到底部,S₈相对浓度的急剧增加,表示底部子样接近了硫酸盐甲烷交接带.结合区域构造背景和分析结果表明,HD196A站位具有天然气水合物形成的气源条件和温压条件.该区已有的研究资料报道的高值异常区与本次研究站位相吻合,显示该海区具有烃渗漏来源,是海底油、气和天然气水合物勘探的有利地区.     

天然气水合物的形成条件及勘探现状

天然气水合物（又称可燃冰）作为特定区域的新型烃类资源，是在一定温压条件下，由水与天然气（主要是甲烷气）结合形成的一种外观似冰的白色结晶固体。它主要赋存于深海陆坡和陆隆的浅部沉积层内。作为未来能源，它具有清洁、能量密度高、分布广、规模大、埋深浅、成藏物化条件好等特点。我国的南海陆坡、陆隆区，具有被动大陆边缘构造特征，分布有许多含油气沉积盆地。晚中新世以来，这些盆地的区域沉降剧烈，构造活动平静，沉积速率大，海洋有机物沉积十分丰富，具有天然气水合物形成的物源、温度压力、构造等地质和成矿条件。1999年以来，广州海洋地质调查局在南海北部东沙、神狐、西沙和琼东南4个海域实施了9年的水合物专项调查，完成18个航次的综合调查与研究，相继发现多处天然气水合物的地震标志（拟海底反射层，即BSR）、地质标志和地球化学标志，于2007年5月成功钻获天然气水合物样品，成为继美国、日本、印度之后第4个采到水合物实物样品的国家。     

不同井型下的天然气水合物降压开采产气产水规律

目前的研究成果表明，降压法及其改良方案可能是实现海域天然气水合物（以下简称水合物）高效开采的最佳途径，但现有降压条件下的产气能力距离水合物商业开发需求仍存在着不小的差距，因而提高水合物藏分解效率、提升储层气液运移产出能力，进而形成安全高效的水合物开采新方法，是水合物开发过程中急需解决的瓶颈问题。为此，利用自制的水合物复杂结构井模拟实验装置，分别开展了垂直井、水平二分支井（夹角90°）开采水合物的实验室模拟实验，据此分析不同开采条件下各井型的产气、产水规律。研究结果表明：①垂直井与分支井开采中，降压幅度是控制前期产气速率的主要因素，而后期环境温度对水合物分解量的影响则逐渐加强；②井型对水合物开采产能具有明显的控制作用——垂直井开采降压幅度越大，产气情况越好，但实验尺度下累计产水量则相差不大，水平二分支井（夹角90°）开采过程中，产气速率比射孔面积相同的垂直井更高，波动较小，但初始阶段产水明显；③降压—热激联合作用更有利于水合物的分解和稳定产气，在其联合作用下，水平二分支井（夹角90°）比垂直井更有利于水合物的长期稳产。     

沉积物中天然气水合物生成与分解过程的电阻率变化

测定天然气水合物在沉积物形成和分解过程中电阻率的变化对海底天然气水合物的勘探开采具有重要的意义。利用设计的水合物实验装置，以99.9%的甲烷气体—3.5%氯化钠溶液—南海沉积物为研究体系，模拟测量了温度周期变化下海底沉积物中天然气水合物形成与分解过程的电阻率。实验结果表明：当水合物在沉积物中生成时，沉积物电阻率增大。水合物初始成核时，沉积物的电阻率从4.493Ω·m减小至3.173Ω·m，随着水合物的大量形成、聚集，沉积物的电阻率增大至3.933Ω·m，最后随着松散的水合物逐渐老化致密，沉积物的电阻率逐渐减小趋于稳定至3.494Ω·m。当水合物分解时，沉积物电阻率减小。沉积物的电阻率随水合物的分解从6.763Ω·m减小到2.675Ω·m，最后趋于稳定至2.411Ω·m。温度震荡可促进沉积物中高饱和度水合物的形成，并且沉积物的电阻率随水合物饱和度增加而增大。样品的水合物饱和度从初次水合物生成时的21.80%增大到水合物再次生成时的82.17%，其电阻率从3.494Ω·m增到6.763Ω·m。     

非晶硅薄膜太阳电池的数值优化研究

基于Sentaurus TCAD数值分析平台,采用非晶硅的DOS模型对禁带中缺陷态进行表征,建立a-Si:H薄膜太阳电池的二维数值模型。对P-I-N结构的非晶硅太阳电池的本征区、P型区、N区以及P/I界面的特性进行研究,得到参数与薄膜太阳电池性能之间的关系。通过电池物理和结构参数的优化,在界面处引入ZnO作为反射层,优化得到太阳电池填充因子为74.7%,AM1.5下光电转换效率为10.1%,表明采用TCAD数值仿真可有效用于非晶硅太阳电池本征参数和反射层的优化设计,提高电池转换效率。     

介观孔隙中天然气水合物生成过程模拟

目前,对沉积物中天然气水合物（以下简称水合物）的生成过程研究大部分集中在实验研究以及水合物生成的本征动力学方面,在孔隙尺度方面缺乏对水合物生成过程的全方位考虑。为此,从介观角度出发,结合实验模拟结果,研究了沉积物孔隙中甲烷及二氧化碳水合物的生成过程。首先对甲烷水合物和二氧化碳水合物在沉积物中的生成过程进行了实验模拟（沉积物样品选用南海浅表层沉积物,粒径为60~100 目）,结果表明：水合物在沉积物孔隙中的生成过程比较平缓,体系温度基本没有大的变化;在初始阶段水合物生成量比较大,随着反应的进行,水合物生成速率逐渐减小。在实验的基础上,以孔隙水中溶解气体的浓度为变量,从介观角度数值模拟了甲烷水合物和二氧化碳水合物在沉积物中的生成过程,并以单个沉积物孔隙空间的水合物生成表征沉积物体系内水合物的生成特性。结论认为：沉积物颗粒堆积孔隙内部的水合物先在沉积物壁面处生成,然后水合物层逐渐加厚,向孔隙中心生长,水合物呈层状生成,最后填满整个沉积物颗粒孔隙;伴随着水合物的生成,沉积物体系孔隙率降低。通过模拟计算得到的水合物转化率与实验结果进行对比,其误差范围介于3%~7%,表明该模型具有较强的可靠性。     

空气的压缩性对湍流边界层流场时均量的影响

为研究空气的压缩性对湍流边界层流场时均量的影响,对来流Mach数(Ma)分别为0.058、0.233、0.466、0.874和1.457的二维、定常边界层湍流流场进行了数值模拟计算。结果表明:空气的压缩性对速度边界层和温度边界层粘性底层区速度和温度分布影响较小,但会使完全湍流区速度和速度梯度、温度和温度梯度变大;对分子扩散过程影响极小,而对湍流扩散过程影响较大;当局部Reynolds数大于1×106且来流Ma大于0.466时,使得平板局部摩擦阻力系数较不可压缩态变小,而局部传热系数较不可压缩态变大。比较模拟计算结果和不可压缩态下经验公式的计算结果表明,模拟计算结果真实可靠。     

南海北部Site 3A站位沉积物地球化学特征及其对甲烷渗漏的指示*

南海北部陆坡具有较好的水合物成藏潜力,而甲烷渗漏区的地球化学特征和沉积环境以及自生矿物的关系对天然气水合物的勘探和开采有重要指示意义。选取南海北部陆坡Site 3A站位柱状沉积物作为研究对象,通过对其主微量元素、五种形态的磷、不同形态的铁、铬还原硫（CRS）、硫同位素以及有机碳值等数据进行地球化学特征分析。结果表明,南海北部Site 3A站位柱状沉积物主要以200 cmbsf深度作为分界线,分成以有机质硫酸盐还原作用为主的上部和以甲烷厌氧氧化（AOM）作用为主的下部,对比上部,下部可指示黄铁矿含量的CRS含量增加,说明该站位存在AOM作用,200 cmbsf深度以下为硫酸盐-甲烷过渡带（SMTZ）。δCe在200 cmbsf深度以下呈现先增大后减小的趋势,说明200 cmbsf深度以下为偏碱性的还原环境。沉积物中的锰、自生磷灰石态磷（P_CFA）、铁结合磷（P_Fe）、可还原性铁（Fe_ox）、磁铁矿铁（Fe_mag）和碳酸盐铁（Fe_cab）的含量变化均受到了AOM作用的影响,下部沉积物中指示富镁方解石含量的Mg/Ca值较高,指示文石含量的Sr/Ca值无明显变化;同时,δ³⁴S并未出现明显的正偏现象,而200 cmbsf深度以下CRS和总硫（TS）的含量只是略有增加,说明该地区主要以低渗漏或甲烷扩散为主。     

客体分子数对甲烷水合物导热性能影响的分子动力学模拟

本文通过采用EMD方法Green-Kubo理论计算263.15 K 晶穴占有率0-100% sI甲烷水合物导热系数,研究客体分子数对甲烷水合物导热性能的影响。模拟结果显示,甲烷水合物的低导热性能由主体分子构建的笼型结构决定。而在相同温压条件下,随着客体分子甲烷进入晶胞数目增多,晶穴占有率增大后,密度增大,同时客体分子对声子的散射也增强,二者均导致导热性能增强。     

南海北部陆坡天然气水合物地震识别研究

天然气水合物的存在改变沉积地层的声学特征，使得多道地震勘探成为发现天然气水合物的主要手段。地震识别首先通过地震剖面上独特的地震反射特征初步判断，然后经过地震反演获得地层的速度场分布，从而确定天然气水合物的存在及分布。南海北部陆坡是天然气水合物形成并稳定存在的有利区域，其多道地震反射剖面上具有明显的天然气水合物存在标志，包括强振幅的似海底反射（BSR）、振幅空白带、BSR与地层斜交等典型地震反射特征。文章以南海北部陆坡区的多道高分辨率地震数据为基础，探讨了天然气水合物地震识别的地震成像和波阻抗反演这二个方面的关键技术；研究结果不但突出了含天然气水合物地层的地震反射特征，并得到与天然气水合物最相关的地层岩性参数--声波速度；地震反射特征与速度场异常分别为天然气水合物的识别提供了定性和定量的地球物理证据；根据声波速度场的分布，可以推断存在于研究区地层的天然气水合物主要分布在靠近BSR的上覆沉积地层中。