多孔介质中甲烷水合物不同分解方法实验研究

冻土区天然气水合物是未来能源的重要补充,然而冻土区天然气水合物的开采研究还处于初级阶段。本文利用一维水合物分解实验装置,在1.24～1.35 ℃以及2.83～2.89 MPa温度压力条件下,模拟冻土区天然气水合物降压定压分解以及注热水定压分解实验研究,分析降压分解及注热水分解过程中温度、压力、产水以及产气随时间变化特性及能量效率。研究结果表明,分解过程产气可分为自由气释放、水合物分解以及残余气体产出3个阶段,实验过程中温度先降后升,降压分解过程与注热水分解自由气产出阶段基本没有水产出,而在水合物分解阶段,产水速率与注水速率相等。注热分解过程中能量效率先升后降,注热量越大,能量效率越低。     

温度对多孔介质中甲烷水合物生成过程的影响

采用自行设计的实验装置,分别进行了0℃以上(274.7 K)、0℃附近(272.8±0.5 K)和0℃以下(267.4 K)3种不同温度下,在20～40日石英砂中甲烷水合物的生成实验.结果表明甲烷水合物在0℃以上生成比较快;在0℃附近储气量大,水合物在整个砂层中的分布比较均匀.针对实验结果,本文提出了水合物在三种不同温度下的生成机理.     

复配体系下无机盐对甲烷水合物生成的影响研究

采用不同质量分数的NaCl环境下,研究在273.15 K和7 MPa下不同粒径的多孔介质(SiO₂)与表面活性剂(SDS)复配对甲烷水合物生成的影响。实验发现：NaCl的加入对水合物的生成起到了抑制的作用,且随着质量分数的增加,这种抑制效果越明显;NaCl的加入会减弱由SDS引起的贴壁生成的效果,在此前提下,在实际的生产中,可以添加某一质量分数的氯化钠来确定水合物的形成位置,使得水合物和多孔介质便于分离,节约成本。     

近冰点多孔介质中甲烷水合物生成的温度敏感性

水合物技术是实现天然气储存、气体分离、海水淡化和二氧化碳捕集等的潜在可行途径之一,水合物技术为了降低生产成本同时又保持系统流动性,通常选择冰粉或冰浆等形式使生成反应在冰点附近进行;自然界的天然气水合物多数赋存于天然的多孔介质内,随着全球气温升高,甲烷水合物在临界条件附近的敏感性会导致储层的稳定性下降及潜在的甲烷大量释放,尤其是受气候变化影响较大的冻土带天然气水合物,其储层温度一般也处于冰点附近。本工作研究了硅砂(0.1~0.5 mm)中甲烷水合物在近冰点的形成过程与动力学特征,分别在273.75, 273.85和273.95 K小温差下研究了压力、温度、反应速率和甲烷吸收量变化,分析并计算了硅砂孔隙中水合物、水相和气相的最终体积饱和度。温度与反应速率的变化表明,水合物生成过程呈现出明显的三个阶段,在不同的阶段,温度和反应速率表现出独特的变化特征如峰值、持续时间等,同时对环境温度的敏感性非常强,温度升高后甲烷水合物生长速率及其在孔隙中的饱和度均有所降低,低温下水合物生长点晚及对应诱导期持续更长。     

热盐水分解甲烷水合物实验研究

利用一维开采模拟系统,注入NaCl水溶液,进行甲烷水合物分解过程和开采模拟研究.结果表明在NaCl水溶液的作用下,甲烷水合物降温吸热分解.气体产出过程可以分为自由气产出阶段,水合物分解阶段以及水合物分解结束后常规气藏的气体产生阶段,而NaCl的加入可以提高水合物分解阶段的产气速率.在自由气产出期间基本没有水产出,在水合物分解期间,产水速率稍高于注水速率,水合物分解结束后,产水速率等于注水速率.     

甲烷水合物生成分解的实验研究

海底存在着大量可燃冰,1 m3可燃冰能够储存160 m3的天然气。因此,可燃冰的开采与利用可燃冰储存与运输天然气具有重要意义。在改变搅拌、过冷度及低浓度动力学抑制剂的条件下,对甲烷水合物生成量与生成速率进行了实验研究。将甲烷水合物进行升温分解,分析水合物分解时的压力变化情况。结果表明:搅拌对甲烷水合物生成的促进效果最好,其次是过冷度,最后是超低浓度动力学抑制剂;水合物生成的传质过程最终被阻碍,采取将水与天然气的上下位置交换的方法,可以生成更多水合物。水合物升温可以得到相平衡曲线;改变初始时刻压力,可以得到不同温度区间的相平衡曲线;降低水合物分解时的升温速度,可以得到更长温度区间的相平衡曲线。     

气体水合物分解动力学研究现状

对气体水合物分解动力学研究现状进行了文献综述,总结了对气体水合物分解动力学的基础研究和应用研究. 基础研究着眼于气体水合物本征分解动力学研究和传热、传质对分解的影响. 应用研究主要介绍了针对天然气储运技术、多孔介质和地层水合物开采的气体水合物分解动力学研究,并展望了未来气体水合物分解动力学的研究方向.     

复配体系下酸碱度对甲烷水合物生成的影响

1 m~3甲烷水合物分解后释放0.8 m~3的水和172 m~3的甲烷,燃烧时产生的高热量和低污染使其是理想的烃类能源。但是,其储气量少、诱导时间长等问题,使水合物技术难以在工业上大范围使用。文中使用4 mm氧化铝颗粒,并将其与十二烷基硫酸钠(SDS)溶液混合。研究在275.15 K和7 MPa的条件下,通过改变酸碱度来观察水合物的生成情况,并以双电层理论为基础进行分析。研究表明:在此复配环境下,存在着最佳的酸碱度促进甲烷水合物的生成。在pH=4的情况下,水合物的储气密度和气体消耗量达到最大,储气密度为301.4 mol/mol,气体消耗量为0.538 mol。且无论酸碱度如何都不改变水合物的生成位置。同时酸碱度的改变,减少了水合物生成过程中的诱导时间。     

南海海泥中甲烷水合物的形貌及赋存特性

水合物表观形貌受水合物的生长方式影响,能够反映水合物在沉积物中的分布以及与沉积物的空间关系,进而对含水合物沉积物的物理特性产生影响。本文通过在实际钻采的南海神狐海域水深2713m的海泥中生成甲烷水合物,利用冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）和能谱仪（EDS）对合成水合物的微观形貌、元素组成进行表征。结果表明,与冰相比,纯水体系下的甲烷水合物形貌单一且容易分解。纯水体系生成的水合物与海泥体系生成的水合物形貌相似,均呈颗粒胶结状,微量纳米级别的颗粒冰分布在表面。元素分析表明相较于纯水体系,海泥中生成的水合物C元素含量更高,水合物笼子占有率也越高。海泥中含有微量的C元素,通过C元素含量增加及C、Si比提高确定了表面颗粒胶结状为水合物。本研究为辨别沉积物中的水合物提供了新思路,为研究水合物的表观形貌及赋存提供了重要方法。     

两种体系中甲烷水合物生成特性的研究

为了强化甲烷水合物生成,满足工业生产天然气水合物的要求,利用定压鼓泡式反应器对甲烷水合物在冰浆体系中和水体系中的生成特性进行了对比实验研究。结果表明,冰浆体系中水合反应的诱导时间比水体系水合反应的诱导时间短;冰浆体系比水体系拥有更大的导热系数和反应热吸收能力,更有利于反应热的释放;十二烷基硫酸钠浓度改变的过程中,水体系中反应的诱导时间和水合物储气密度的变化比冰浆体系明显;冰浆体系可以提升水合物的储气密度,但是随着有利于水合物反应条件的增加,冰浆的提升效果会逐渐地减弱。     

Effect of surface curvature and wettability on nucleation of methane hydrate

Natural gas hydrate nucleation is a complex physical and chemical process that is not well understood presently. In this article, an improved thermodynamic model is proposed to analyze the effects of surface curvature and wettability on methane hydrate nucleation for the first time. The results indicate that methane hydrate nucleation is more difficult on hydrophilic curvature surfaces under the same conditions, with a larger critical nucleation radius and required energy barrier than on hydrophobic surfaces. Furthermore, a convex surface is more favorable for forming methane hydrate under the same conditions than a concave surface. The model's results are critical in elucidating the microscopic mechanism of methane hydrate nucleation and providing a theoretical foundation for developing technologies for strengthening and inhibiting hydrate formation.     

Effect of surface roughness on methane hydrate formation and its implications in nucleation design

As a new form of energy with substantial potential, natural gas hydrate will play a crucial strategic role in the future due to its vast reserves and broad industrial application prospects. To better comprehend the nucleation and growth mechanism of clathrate hydrate, an enhanced thermodynamic model was proposed based on the wall roughness model and nucleation theory. In general, we discovered that the nucleation of hydrate on a smooth wall surface conforms to the conclusion of classical nucleation theory. However, curvature and surface roughness are frequently characterized by hydrophilicity's inhibition of hydrate and hydrophobicity's enhancement. The specific situation is more complex and requires specific analysis and discussion. Nonetheless, this also explains the uneven distribution of hydrate nucleation induction time. Our research reveals a fundamental method for designing or manipulating the heterogeneous nucleation of hydrates. We foresee promising applications in hydrate-related technologies based on the fractal structure of the substrate's surface.     

气水体系甲烷水合物生成和分解动力学

为进一步探明搅拌对甲烷水合物生成和分解动力学特性的影响,借助容积约为522mL,最高操作压力21MPa的高压全透明反应釜装置,开展了不同搅拌条件下甲烷水合物的生成、分解和浆液流动实验,得到了搅拌对水合物生成量、生长速率和分解速率的影响规律,基于搅拌电机扭矩值分析了不同搅拌速率下水合物浆液的流动特性。搅拌电机型号ViscoPakt Rheo-57,带有扭矩测量功能,测量最大范围57N·cm,精度±0.04N·cm。结果表明：在水合物开始快速生成的前期,水合物的最大生成量、最大生长速率及平稳生长速率都随搅拌速率的增大而增大,进一步验证了传质是控制水合物生成过程的首要因素;在水合物分解阶段,搅拌能提高水合物颗粒的分散性,促进分解气的运移产出;此外,不同搅拌速率下,水合物浆液的电机扭矩随着水合物体积分数的增大都呈现先保持平稳再逐渐增大最后剧烈波动的规律,由此得到了水合物浆液携带固相颗粒的临界体积分数。研究结论在一定程度上揭示了水合物的生长和分解机理,为动力学预测模型研究提供了参考。     

低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学

高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量［0.1%~1.0%（质量）］的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散,制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下,研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明,松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积,为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成,储气速率可达5.15~8.78 cm³·g^-1·min^-1,储气量高达158.0~175.0 cm³·g^-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量,且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm³·g^-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。     

甲烷水合物声子导热及量子修正

采用平衡分子动力学方法模拟了甲烷水合物的导热,给出了30～150 K甲烷水合物的热导率。采用量子修正对分子模拟结果进行处理,可以得到更接近实验值的结果。当模拟温度低于德拜温度时,量子效应对分子模拟结果的影响较大。通过对热流自相关函数拟合得到了声学声子和光学声子的弛豫时间。结果显示,声子弛豫时间随温度增加逐渐减小,声学声子导热在水合物的导热中比重最大。随着碳氧原子之间相互作用力的增加,碳氧原子之间振动的耦合程度增加,甲烷水合物的热导率增加。     

低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学

高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量［0.1%~1.0%（质量）］的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散,制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下,研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明,松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积,为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成,储气速率可达5.15~8.78 cm³·g^-1·min^-1,储气量高达158.0~175.0 cm³·g^-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量,且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm³·g^-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。     

鼓泡器中环戊烷-甲烷-盐水体系水合物的生成动力学

采用鼓泡装置研究了盐水体系中环戊烷（CP）-甲烷水合物的生成动力学,分别考察了进气速率、温度、压力对水合物生成速率和进气速率对气体转化率的影响。结果显示,提高进气速率、压力,降低温度均可提高水合物生成速率。但进气速率对气体转化率有影响,进气速率过大,单位时间内进入到反应器内的气体过多,气体还未参与反应便被排出,导致气体转化率反而减小。通过观察到的实验现象,分析环戊烷-甲烷水合物的生成过程,认为水合物晶体首先在环戊烷-水界面生成,并逐步向内部气相生长,最后水合物壳破裂,气泡逸出。水合物逐渐生长成粒状,并不断聚集在一起。     

Investigation of the methane hydrate surface area during depressurization-induced dissociation in hydrate-bearing porous media

The surface area of hydrate during dissociation in porous media is essentially important for the kinetics of hydrate dissociation. In this study, the methane hydrate surface area was investigated by the comparison results of experiments and numerical simulations during hydrate decomposition in porous media. The experiments of methane hydrate depressurization-induced dissociation were performed in a 1D high pressure cell filled with glass beads, an improved and valid 1D core-scale numerical model was devel-oped to simulate gas production. Two conceptual models for hydrate dissociation surface area were pro-posed based on the morphology of hydrate in porous media, which formed the functional form of the hydrate dissociation surface area with porosity, hydrate saturation and the average radius of sand sedi-ment particles. With the establishment of numerical model for depressurization-induced hydrate disso-ciation in porous media, the cumulative gas productions were modeling and compared with the experimental data at the different hydrate saturations. The results indicated that the proposed prediction equations are valid for the hydrate dissociation surface area, and the grain-coating surface area model performs well at lower hydrate saturation for hydrate dissociation simulation, whereas at higher hydrate saturation, the hydrate dissociation simulation from the pore-filling surface area model is more reason-able. Finally, the sensitivity analysis showed that the hydrate dissociation surface area has a significant impact on the cumulative gas production.