多孔介质中CO2-CH4水合物置换的影响因素及强化机理研究进展

天然气水合物因其储量巨大、清洁无污染而成为未来最具潜力的清洁能源之一，CO₂置换法可实现天然气水合物的安全开采和温室气体的地层封存。然而，多孔介质中CO₂-CH₄水合物的置换过程存在反应周期长、速率慢、效率低等特点，已成为制约天然气水合物高效开采的瓶颈问题。本文全面综述了多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物的置换特性，分析了CO₂-CH₄水合物的置换机理及其动力学过程。在此基础上，详述了不同因素对多孔介质中CO₂-CH₄水合物置换效率的影响规律及强化机理，包括热刺激、置换压力、小分子气体、化学添加剂等的作用机理及其规律。最后指出了多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物置换过程强化技术存在的不足和未来的发展方向。对多孔介质体系中CO₂-CH₄水合物置换过程的强化机理及其动力学机制的认识仍需进一步研究。     

液化条件对多孔介质中CO2水合物生成过程的影响

为了研究液化条件对多孔介质中CO₂水合物生成过程的影响机制及其规律,在初始压力为3.9、4.2、4.5、4.8和5.1 MPa,温度为273.5、274.5和275.5 K条件下研究粒径为700μm的石英砂介质中CO₂水合物的生成过程。结果表明：在相同条件下,随着初始压力的增加,多孔介质中CO₂水合物的生成速率逐渐增大;当压力低于液化压力时,随着初始压力的增加,CO₂水合物的生成速率逐渐增大,且温度越高,水合物生成速率增加的趋势越明显;当CO₂气体压力达到液化压力时,随着初始压力的不断升高,CO₂水合物的生成速率明显增大;多孔介质中CO₂水合物的最大生成速率达到了9.297×10^-3 mol·s^-1。研究结果进一步表明：液化可有效强化多孔介质中CO₂水合物的生成过程,提高CO₂水合物的生成速率。     

CO2/N2置换-降压强化开采天然气水合物

将天然气水合物中的CH₄置换为CO₂水合物是未来能源生产和温室气体控制的一种创新方法,但通常条件下CO₂对水合物中CH₄的置换效率较低,因此采用混合气联合降压强化置换的开采方法被提出。模拟(海底静水压力)在三轴应力约束状态下,通过注入固定比例[n(CO₂)∶n(N₂)=4∶1]的置换气体,研究降压强化置换过程中储层气相组分、CH₄开采率与CO₂封存率的变化。结果表明：CO₂+N₂联合降压强化置换法大幅度提高CH₄水合物置换效率,CH₄置换率相较于传统置换法的15.2%提升至35.22%,其中N₂直接贡献率占8.66%。通过降压强化,显著增强分解后期阶段气体扩散效果,提高CH₄开采率与CO₂封存率,对提高水合物转换开采具有良好的应用前景。     

二氧化碳置换开采天然气水合物控制因素研究

二氧化碳(CO₂)减排与能源短缺是当前全世界正面对的两大问题。利用水合物法CO₂置换开采天然气水合物(NGH)既可实现CO₂水合物地层封存,又能开采CH₄,是高效的CO₂利用与封存技术。本文开展CH₄-CO₂置换开采NGH实验,探究置换效率的影响因素。研究结果表明,置换效率受控于气体在水合物相的扩散,越靠近气相,置换效率越高,而越远离气相则置换效率越低。研究结果对于进一步提高CH₄-CO₂置换效率以及促进碳减排事业的发展具有重要的意义。     

凹凸棒石体系下CO2水合物生成动力学实验

油气生产、储运及CO₂管道输送的过程中易生成CO₂水合物,添加抑制剂是预防CO₂水合物生成的有效手段。为解决CO₂水合物堵塞问题,本文采用超声波处理后的凹凸棒石作为抑制剂,利用可视化高压反应釜实验装置,在初始条件3 MPa和2℃下,研究了添加浓度为0、0.05mg/mL、0.30mg/mL、0.50mg/mL、0.75mg/mL、1.00mg/mL和1.50 mg/mL的凹凸棒石对CO₂水合物生成动力学的影响。用压力变化法测定了水合物生成诱导时间,用动力学模型计算了水合物生成量,并分析了凹凸棒石影响CO₂水合物生成的微观机理。实验结果表明凹凸棒石能延长CO₂水合物生成诱导时间,浓度为0.75mg/mL时作用效果最佳,较纯水体系CO₂水合物生成诱导时间延长了200%;凹凸棒石能减少CO₂水合物的生成量,浓度为1.5mg/mL时作用效果最佳,与纯水体系相比减少了12.8%。凹凸棒石抑制水合物生成的微观机理主要是由于其独特的选择吸附性以及对传质传热的阻碍。研究表明以凹凸棒石作为CO₂水合物抑制剂效果良好,能有效延长其诱导时间,兼具经济性和环境友好的特点。     

二氧化碳置换法模拟开采天然气水合物的研究进展

目前实验室模拟开采天然气水合物(NGH)的最主要的方法为外激法,通过注热、降压等方式使水合物分解释放出甲烷(CH₄),外激法最大的问题在于水合物的分解容易造成地层结构变化,导致地质斜坡灾害。利用二氧化碳(CO₂)在水合物相中置换开采CH₄,由于置换过程发生在水合物相中,不改变水合物相结构,因此可以降低地质灾害风险。本文全面介绍了利用CO₂在水合物相从NGH中置换CH₄的研究进展,从置换可行性、动力学模型、模拟研究、实验研究等方面对当前的研究进行了综述,并为进一步发展置换法开采CH₄技术指出了方向。     

天然气水合物置换开采的能源效率研究

天然气水合物分解是一个相变过程,开采时涉及各种形式能量的消耗和转化,如电能、化学能、热能等。为了科学地评价天然气水合物开采技术的经济性,建立了以有效能（）为核心的能源效率计算方程,并以CO₂置换法开采天然气水合物为例,介绍任意生产周期内能源效率的计算方法和流程框图。在CO₂置换开采天然气水合物的工艺过程中,注气量、产气量和产气中甲烷含量是三个关键参数,将产气量与注气量之比定义为采注比,分析采注比及产气中甲烷含量对能源效率的影响。结果表明：在设定条件下CO₂置换开采天然气水合物的整体能源效率介于0.31～6.4之间;增大采注比,有利于提高能源效率;产气中甲烷的摩尔分率越高,气体分离的能耗越低,能源效率也可显著提高。因此,调控产气量和产气中甲烷摩尔分率是提高CO₂置换法能源效率的主要途径。通过所建立的能效计算方程为天然气水合物开采工艺的优化提供指导。     

我国非常规油气资源“可燃冰”的开采技术研究进展

分析了我国油气资源的现状,全面综述了天然气水合物的开采技术研究进展,并分析了各种开采技术及方法的利弊。二氧化碳置换开采法是一种非常有前途的天然气水合物开采方法,就需要研究二氧化碳水合物生成和甲烷水合物分解的动力学过程,揭示置换过程的内在机理。最后指出了冻土区天然气水合物开采技术存在的问题和今后的发展方向。     

自生热体系开采天然气水合物效果评价

置换开采天然气水合物方法有避免地质灾害的优点，但其工艺复杂且置换效率低。为此，提出了一种利用自生热体系(亚硝酸钠、氯化铵、盐酸、氯化钙)反应释放的热量和氮气开采天然气水合物的方法。在已经优化的体系配方基础上，模拟天然气水合物藏低温高压(4℃、8MPa)的条件下开展自生热体系开采天然气水合物及CO₂开采天然气水合物效果对比实验，结合气相色谱分析结果计算两种方法的开采效率。结果表明：自生热体系1h内的开采效率可达59.24%，比CO₂的开采效率高32个百分点。研究成果为该体系在天然气水合物开采实验中的应用提供了依据。     

含环戊烷体系中二氧化碳水合物形成分解热特性

水合物法分离捕集二氧化碳（CO₂）是实现碳减排的重要技术。然而,受制于气体水合物形成分解微观机理的不明确,水合物形成速度慢及气体消耗量低两个关键问题还未得到解决,气体水合物CO₂分离捕集技术还未得到商业应用。为了揭示气体水合物形成微观机理,本研究利用激光Raman光谱仪对不同实验条件下生成的CO₂水合物进行测试,详细分析了生成的气体水合物的Raman峰,利用低温高压差式扫描量热仪（DSC）对含环戊烷（CP）体系中CO₂水合物形成分解进行热表征。研究发现,恒容条件下,初始压力为2.5MPa时,气体消耗量为0.0187 mol/mol,CO₂的Raman峰出现在1276.3 cm^-1和1379.6 cm^-1;初始压力为5.0MPa时,气体消耗量为0.744mol/mol,CO₂的Raman峰出现在1276.1 cm^-1和1379.6 cm^-1。CO₂水合物形成分解热结果表明,一方面,随着操作温度、压力条件的变化,形成水合物的种类与结构发生改变;另一方面,对于相同初始体系,最终形成的水合物不是单一的,而是多种水合物共存。此研究结果为进一步理清气体水合物形成微观机理提供了理论基础和重要的科学依据。     

CO2置换天然气水合物中CH4的研究进展

在全面综述国内外天然气水合物开采技术研究现状的基础上,重点介绍了国内外CO2置换开采天然气水合物的研究进展,分别从热力学和动力学角度分析了置换反应过程的可行性. 现有的研究主要集中在自由饱和水体系,而自然界中天然气水合物主要赋存于海底沉积层和永久冻土层中,需结合天然气水合物赋存的自然环境条件,研究其动力学过程,揭示置换反应过程的内在机理. 最后指出了CO2置换开采天然气水合物尚存在的问题和今后的研究方向.     

多孔介质中CO2-CH4水合物置换过程的强化方法研究进展

CO2置换天然气水合物中的CH4是一种非常有前途的天然气水合物开采方法,该法兼具能源安全开采和温室气体地层封存的双重优势。首先综述了多孔介质中CO2-CH4水合物置换的研究进展,分析了制约CO2置换法开采天然气水合物商业应用的关键瓶颈问题,即置换过程存在的反应周期长、速率慢和效率低等问题。针对此问题,主要详述了强化CO2-CH4水合物置换的强化方法研究进展,包括注入不同的CO2相态、小分子及混合气体的强化、结合传统开采法的联合强化以及其他强化方法的作用机理,讨论了各种强化方法尚待完善和改进的地方。最后提出了多孔介质中CO2-CH4水合物置换强化方法目前研究的不足和未来的研究方向。     

初始压力对冰冻石英砂中CO2水合物生成特性的影响

利用冰冻石英砂模拟冻土水合物的赋存条件，研究了压力对二氧化碳水合物生成特性的影响，在300 mL高压水合物反应釜中于271 K下进行了多组CO2液化压力以上及以下的霰状冰粉包裹的石英砂中水合物生成实验。结果表明，充入的CO2未液化时，初始压力越大，水合反应速率越快，压力越早达稳定状态；充入压力达液化压力后，注入的CO2越多，水合反应速率越快。压力作为水合反应的驱动力，压力越高水合物生成越多，冰的最终转化率越高。采用CO2置换冻土区中甲烷水合物时，控制压力低于液化压力或注入过量的CO2，置换效果更好。     

天然气水合物形成与生长影响因素综述

天然气水合物(NGH)是水分子和天然气分子形成的一种复杂的笼型晶体,其在油气管道输送、天然气储存和制冷等行业中都具有重要的研究意义和利用价值,但天然气水合物的形成是一个多组分、多阶段的复杂过程,不同因素对于天然气水合物形成和生长的影响尚有待明确。本文介绍了天然气水合物形成的物理过程以及水合物成核的3种机理假说;详细梳理了基质两亲性、添加剂、多孔介质环境和杂质、液体组成、温度压力以及流动条件等因素对于天然气水合物形成和生长的影响,并对其作了简要分析。同时指出,原油组成对于水合物抑制效果的定量化、蜡晶结构对于水合物形成过程中传质和传热的影响以及微观化的动力学抑制剂抑制机理等都是水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。     

STUDY FOR NATURAL GAS HYDRATE CONVERSED FROM ICE

Natural gas hydrates are crystalline clathrate compounds composed of water and gases of small molecular diameters that can be used for storage and transport of natural gas as a novel method. In the paper a series of experiments of aspects and kinetics for hydrate formed from natural gas and ice were carried out on the industrial small scale production apparatus. The experimental results show that formation conditions of hydrate conversed from ice are independent of induction time, and bigger degrees of supersaturation and supercooling improved the driving force and advanced the hydrate formation. Superpressure is also favorable for ice particle conversion to hydrate. In addition, it was found there have an optimal reaction time during hydrate formation.     

Kinetic simulation of methane hydrate formation and dissociation in porous media

The vast amount of hydrocarbon gas deposited in the earth's crust as gas hydrates has significant implications for future energy supply and global climate. A 3-D simulator for methane hydrate formation and dissociation in porous media is developed for designing and interpreting laboratory and field hydrate experiments. Four components (hydrate, methane, water and salt) and five phases (hydrate, gas, aqueous-phase, ice and salt precipitate) are considered in the simulator. The intrinsic kinetics of hydrate formation or dissociation is considered using the Kim-Bishnoi model. Water freezing and ice melting are tracked with primary variable switch method (PVSM) by assuming equilibrium phase transition. Mass transport, including two-phase flow and molecular diffusions, and heat transfer involved in formation or dissociation of hydrates are included in the governing equations, which are discretized with finite volume difference method and are solved in a fully implicit manner. The developed simulator is used here to study the formation and the dissociation of hydrates in laboratory-scale core samples. In hydrate formation from the system of gas and ice (G+I) and in hydrate dissociation systems where ice appears, the equilibrium between aqueous-phase and ice (A-I) is found to have a “blocking” effect on heat transfer when salt is absent from the system. Increase of initial temperature (at constant outlet pressure), introduction of salt component into the system, decrease of outlet pressure, and increase of boundary heat transfer coefficient can lead to faster hydrate dissociation.     

天然气水合物热开采技术研究进展

对天然气水合物热开采技术的研究进展进行了综述,概括了热开采技术研究的基础实验和数值模拟,分析了天然气水合物分解动力学研究,传热、传质对分解的影响及多孔介质和水合物地层中水合物开采规律. 研究表明,热开采技术作为强化供热开采方案,可弥补常规开采效率低的缺点;对水合物分解热力学和动力学的实验研究已能满足对水合物热力分解认识的基本要求,但沉积物内的水合物热力学性能研究尚需深入;模型研究已从一维单相发展到复杂的三维多相数值模型,通过单个或多个模型的综合分析已能达到实际水合物藏开采计算的要求. 最后指出了热开采天然气水合物尚存在的问题和研究方向.     

二氧化碳水合物稳定储存的影响因素研究进展

CO₂置换开采天然气水合物以及水合物法气体储运技术是当前科学家们研究的热点,而水合物的稳定性对其长时间储存和长距离运输至关重要。因此必须提高二氧化碳水合物储存能力和寻求水合物高效稳定的储存条件,然而科学家们发现一些促进剂可以使水合物在温和的条件下长时间存储。本文从“自保护”效应的3种机制、温度、压力以及粒径、促进剂和水合物形态这些因素分析了其对二氧化碳水合物稳定性的影响,证明气体水合物普遍在260~270K和0.1~0.4MPa的条件下稳定性较好,并且同种促进剂在冰点上下对水合物稳定性的影响不同,最后指出了水合物稳定性方面今后的研究方向。     

国内多孔介质中天然气水合物成藏机理研究现状

南中国海的沉积物和青藏高原等冻土带中富含大量的天然气水合物,其成藏机理是开采天然气水合物的关键之一。本文介绍了中国近年来对多孔介质中模拟天然气水合物成藏的研究现状,包括主要的研究单位、研究者、研究方法与仪器设备以及近年来国内期刊上多孔介质中天然气水合物成藏机理的文献情况。