甲烷水合物在石英砂中生成过程研究

在初始压力Pin=13．0MPa±0．2MPa,过冷度Twup=14．2K±0．1K条件下,研究了7种不同粒径石英砂中甲烷水合物生成诱导期、生成时间以及孔隙水“记忆效应”的影响。结果显示,石英砂中诱导期较纯水中明显缩短;石英砂粒径减小,诱导期变长。孔隙水“记忆效应”极大缩短甲烷水合物诱导期,并表现出随机性。石英砂中甲烷水合物生成时间与石英砂粒径、孔隙水“记忆效应”的关系与诱导期类似。分析认为石英砂颗粒提供更多成核中心,而孔隙减小阻碍了甲烷的扩散。     

水合物沉积物介电特性测量实验

介电常数法是探测冻土区水合物的一项有效技术。通过物理模拟实验,研究冻土区砂岩水合物沉积物的介电特性与水合物饱和度、骨架粒度等因素的关系,对水合物的勘探和开发具有重要意义。在实验室以不同粒度石英砂为骨架制备甲烷水合物和四氢呋喃（THF）水合物沉积物样品,并使用探地雷达测量其介电常数。结果显示：不同石英砂粒度条件下,两种甲烷水合物沉积物的介电常数均随饱和度增大而减小;相同饱和度条件下,围岩粒度小的甲烷水合物沉积物介电常数高,推断是孔隙内未反应的水引起的;在相同石英砂粒度条件下,THF水合物沉积物与甲烷水合物沉积物的介电常数随饱和度变化趋势相同,均表现为介电常数随饱和度增大而减小;在相同饱和度和石英砂粒度条件下,甲烷水合物沉积物介电常数整体大于THF水合物沉积物,推断是甲烷水合物沉积物孔隙中气相因素及未反应的水等综合因素所致。     

石英砂介质中甲烷水合物生成过程和相平衡的实验研究

为研究小梯度温度范围内甲烷水合物在石英砂介质中生成过程的热力学和动力学特性,开展了定容条件下273.75K、273.85K、273.95K3种恒温水浴体系的甲烷水合物生成实验。研究结果表明:(1)反应温度越低,釜内甲烷水合物生成过程中反应热释放越快,相比于273.95K的反应体系,273.75K体系的反应釜内首次温度上升值为0.9K,约为273.95K体系的6倍;(2)随反应温度的增加,水合物的生成量和转化率逐渐下降;(3)反应温度越低,甲烷水合过程的前期反应速率越大,气液界面和石英砂表面生成的水合物薄膜阻碍了甲烷气与水之间的进一步传递,使得甲烷的单位消耗速率随反应的进行呈阶梯型递减。通过石英砂介质内甲烷水合物的生成实验,以期为工业上气体水合物的合成、储存与运输提供借鉴。     

热传递对甲烷水合物生成速度的影响研究

为了深入了解传热对甲烷水合物生成过程的影响,在体积10L的静态反应器中,研究了不同的制冷液温度、流量和气体温度条件下甲烷水合物的生成状况。实验过程中设定水溶液的初始温度为276．15K,压力为（6．6±0．2）MPa,反应水量为1．92kg。实验结果表明,当较大量的合成甲烷水合物时,如果甲烷水合物生成热不能被及时带走,反应液体温度将迅速升高,导致甲烷水合物生成速度很快变小甚至停止;同时,气体温度对甲烷水合物的诱导期和生成速度也有重要影响,气体温度越低,甲烷水合物生成诱导期越短,生成速度越快。因此,热传递是影响甲烷水合物生成速度的关键因素。     

石英砂介质中CO_2水合物形成影响研究

二氧化碳水合物的形成对二氧化碳地下固态封存和二氧化碳置换开采甲烷水合物有着重要的指导意义。在设计的水合物实验装置上,研究了不同初始压力、不同水合物形成温度和不同石英砂粒径条件下对二氧化碳水合物的诱导时间、生成速度等特性的影响。结果表明,水合物的生成量随着初始实验压力的增大和生成温度的降低而增大,基本不受石英砂粒径的影响;水合物平均生成速度随着初始实验压力降低、水合物生成温度降低和石英砂粒径增大而变慢;诱导时间随着初始压力的降低和石英砂粒径的增加而明显变长;若初始实验压力较高,导致二氧化碳在生成水合物前发生液化现象,则水合物生成诱导时间不明显,同时水合物平均生成速度也较慢。     

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针对自然界中天然气水合物在海底和大陆永冻区形成条件不同，通过实验研究了水的不同形态和甲烷气反应生成甲烷水合物的过程。实验结果显示甲烷与冰粉反应要比甲烷与水反应容易得多，一方面得益于反应物间接触面积的增大，另一方面受温度变化的影响。使用0.7~0.8 K/h的温度驱动条件，冰粉与甲烷气体迅速反应，证明甲烷气能够直接与固体冰反应生成水合物，成核诱导期较短。同时文章指出在甲烷和冰反应时，存在两个反应高峰期，这两个高峰期中间是气体分子向固体内部扩散的过程。而水和甲烷气体反应时，扩散过程占主要部分，诱导期漫长。冰和水分别与甲烷反应的对比可以用来考虑评估天然气水合物在不同地质区域的储量和预测其分布状况。     

多孔介质中天然气水合物生成的主要影响因素

目前有关天然气水合物(以下简称水合物)的研究主要集中在物理化学性质考察和开采(分解)方法探索方面。在进行后者的研究过程中,地层渗流过程的物理模拟至关重要,但目前借助于石油开采研究中广泛应用的填砂管等多孔介质对水合物进行动态过程的研究却鲜有报道。为此,利用河砂填砂管在岩心驱替装置上进行了甲烷水合物生成过程的物理模拟,考察了地层温度、甲烷压力及地层模型性质参数等对水合物生成过程的影响。结果表明:(1)利用冰融水作为地层模型的束缚水可显著提升甲烷水合物的生成速率;(2)多孔介质条件下过程驱动力(即实验压力或温度偏离水合物相平衡对应值的程度)对甲烷水合物的生成起着决定性作用;(3)当甲烷压力高于水合物相平衡压力1.4倍以上,或者实验温度低于相平衡温度3℃以下时,甲烷水合物生成诱导期几乎不随温压条件的变化而变化;(4)渗透率、含水饱和度、润湿性等参数对实验中甲烷水合物的生成率不构成明显影响。     

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为了解甲烷水合物在沉积物中的储存规律，利用高压水合物合成装置，对水+沉积物系统中甲烷水合物在沉积物中充填率进行了测试，研究了不同初始生成压力，不同初始生成温度和不同沉积物孔径对甲烷水合物在沉积物中充填率的作用和规律。研究结果表明，初始生成温度不变，随初始生成压力的增加，甲烷水合物在沉积物孔隙中的充填率增加；初始生成压力保持不变，初始生成温度的降低会增加甲烷水合物的生成数量及其充填率；随着孔径及孔隙度的加大，甲烷水合物在多孔介质中的生成数量及充填率明显变大。因此，初始生成压力、温度和沉积物孔隙度对甲烷水合物生成量和填充率具有一定的控制作用，其中初始生成压力和沉积物孔隙度的影响比较明显，而初始生成温度影响较小。     

沉积物体系中甲烷水合物平衡温度、压力条件实验模拟

研究沉积物中甲烷水合物的平衡温度和压力条件，对认识甲烷水合物的稳定性以及对未来准确评价和利用甲烷水合物能源非常重要。在温度为270．9～278．2K、压力为2．47～4．31 MPa条件下，分别对平均孔径为53．2nm、27．2nm和15．5nm的沉积物体系中甲烷水合物的分解平衡温度和压力条件(即相平衡)进行了测定，结果表明，近自然沉积物的平均孔径大小会影响甲烷水合物的相平衡条件。相同温度条件下，纯水体系中甲烷水合物的平衡压力比在沉积物体系中的低；随着孔径的增大，甲烷水合物在相图中稳定区的面积逐渐增加，但当体系中温度降低到冰点以下或者沉积物孔径增大到超过60nm时，沉积物孔隙毛细管对甲烷水合物稳定性的影响非常小，与纯水中的重合或者接近。甲烷水合物在沉积物体系中的相平衡数据可以用经验热力学方程拟合，拟合结果能反映孔径大小与甲烷水合物平衡压力、温度条件的相互关系。图3表1参20     

海底沉积物中热解成因天然气水合物的形成与分布

利用中国石油大学自制的一维天然气水合物成藏模拟装置,采用常规热解成因气为气源,海底沉积物为多孔介质,进行了水合物形成模拟实验,并采用电阻率法对沉积物中水合物形成与分布进行观测分析.结果表明,沉积物不同部位电阻率的变化不同,沉积物中下部电阻率先增加后趋于稳定,中上部电阻率呈降低-增加(或稳定)-降低-增加-稳定的变化趋势,这种电阻率的变化反映了不同部位的水合物的生成和分布.在中上部水合物诱导成核时,中下部已进入水合物生长阶段,由于温度梯度的影响,水合物生长缓慢,分散状分布;在气体供应充足的条件下,中上部水合物能大量生成,呈块状分布.在上述分析的基础上建立了沉积物中水合物生长与分布模式.      

H型天然气水合物形成实验

大分子烃在小分子烃类气体（如甲烷、乙烷）的帮助下可形成H型天然气水合物。为此，分别进行了该型天然气水合物形成条件和形成过程实验研究。前者表明，在甲烷水合物实验体系中加入甲基环己烷，则形成的天然气水合物结构会由Ⅰ型转变为H型，水合物的形成压力降低1.0 MPa以上。后者表明，甲基环己烷可提高甲烷水合物反应体系中水合物的形成速度，但减少了水合物的生长时间和甲烷气体耗量；含甲基环己烷体系水合物的耗气量随压力的增大而增大，但随着甲基环己烷含量的增大则水合物的形成速度和耗气量逐渐减少。     

沉积物中天然气水合物生成过程的二维电阻层析成像观测

基于室内模拟实验模拟沉积物中天然气水合物(以下简称水合物)的生成过程及其物性演化规律,可以为现场实际水合物储层动态响应规律分析提供重要的理论支撑。为此,基于ITS电阻层析成像仪,研制了适用于沉积物中水合物原位合成—分解动态探测的电阻层析成像模拟装置,并以天然海滩砂为沉积介质,模拟了含盐水沉积物体系中水合物的生成过程,根据电阻层析成像测试结果分析了水合物在沉积物截面上的生成位置和非均质性。研究结果表明:①水合物合成过程中,受排盐效应和水合物生成速率两个因素的影响,沉积物体系平均电阻率呈波动上升趋势;②较之于水合物合成,沉积物内部排盐效应对沉积物体系平均电阻率的影响存在着明显的滞后效应,水合物合成结束后沉积物体系内部仍存在盐离子浓度差异控制的传质过程;③水合物合成过程中不同区域的电导率偏移量变化幅度表现出明显的非均质性,指示水合物在沉积物内部的生成过程具有明显的非均质性。结论认为,起始条件下沉积物中气—水非均质分布特征是导致沉积物中最终水合物饱和度非均质分布的决定因素,而水合物合成过程中排盐效应导致的沉积物内部盐离子浓度的空间分布差异则是水合物合成位置变化的控制因素。     

日本南海海槽东部天然气水合物产出与富集特征

根据日本南海海槽东部天然气水合物钻探与综合大洋钻探计划研究成果，分析总结了该区天然气水合物形成的地质背景与赋存特征。南海海槽区作为构造活动强烈的会聚式大陆边缘，大型增生楔与断裂系统十分发育，富含重力流沉积物。特别是该海槽北部向陆斜坡水深2 000 m以浅海域，发育一系列弧前盆地，盆地内第四系未固结沉积物广泛分布，沉积速率较高，为水合物的形成提供了良好的环境。水合物钻探取心分析揭示，南海海槽东部天然气水合物为Ⅰ型结构，水合物分解气中甲烷组分占比普遍高达99.9%以上，甲烷碳同位素分析显示为典型的生物成因气。水合物主要以孔隙填充型产出，优先选择在富砂层中富集，富砂层段水合物饱和度一般为50%~60%，可高达80%~90%，泥质层中水合物饱和度极低。      

An intelligent optimization–based prediction model for natural gas hydrate formation in a deepwater pipeline

Temperature, pressure, and composition of gas mixtures in deepwater pipelines promote rapid formation of gas hydrates. To avert this dilemma, it is more significant to find out the temperature and pressure limits in gas hydrates formation of the deepwater pipeline. The objective of this research is to develop an optimization method that finds the optimal temperature and pressure profile for natural gas hydrate formation conditions and an error calculation method to find the realistic approach of the hydrate formation prediction model. A newly developed correlation model is computing the hydrate formation pressure and temperature for a single component of methane (CH₄) gas. The proposed developed prediction model is based on the 2 and 15 constant coefficients and holds a wide range of temperature and pressure data about 2.64 to 46°C and 0.051 to 400 MPa for pure water and methane, respectively. The reducing error discrepancies are 1.2871, 0.35012, and 1.9052, which is assessed by GA, PSO, and GWO algorithms, respectively. The results show the newly developed optimization algorithms are in admirable compliance with the experimental data and standards of empirical models. These correlations are providing the capability to predict gas hydrate forming conditions for a wide range of hydrate formation data.     

PAM-AA水凝胶体系中甲烷水合物生成过程的实验研究

作为储量巨大的清洁能源和应用广泛的工业原料,天然气水合物越来越多地受到学者和工业界的关注。实验研究了含聚丙烯酰胺-丙烯酸（PAM-AA）盐溶液中甲烷水合物在反应釜中的生成过程,揭示了PAM-AA水凝胶体系对生成甲烷水合物的作用。结果表明:2 ℃、8 MPa时,水凝胶体系促进甲烷水合物生成;2 ℃、4.5 MPa时,水凝胶体系抑制甲烷水合物生成;PAM-AA水凝胶体系能够扰乱甲烷水合物的正常生成,表现为缩短甲烷水合物大量生成的时间（促进）和阻碍气液间的传质（抑制）;实验生成的甲烷水合物形态分为两种,即疏松且含有大量孔隙或坚硬且致密,分别对应抑制/促进甲烷水合物生成的体系。通过探究PAM-AA水凝胶体系中甲烷水合物的生成过程,能够为工业领域内甲烷水合物的生成、防治、储存和运输提供借鉴。     

室内沉积物中天然气水合物形成数值模拟研究

室内模拟合成水合物沉积物样品是开展水合物研究的一个重要途径,但实验方式耗时且不易控制。数值模拟技术则能够比较方便定量地控制水合物形成条件,快速模拟其形成过程。据此采用实验室常用的恒容法模拟研究了水浴降温条件下,室内沉积物中天然气水合物的形成过程,进一步揭示了其形成和分布规律。研究结果表明,在混合均匀的气-盐水体系中,能够合成相对均匀分布的水合物模拟地层样品。但在体系温压条件趋于稳定后,仍需维持较长的反应时间来促使体系反应的最终完成。当体系中存在薄“夹层”(主要是指模拟介质中间区域的渗透率和孔隙度发生变化)时,薄“夹层”的渗透率和孔隙度都会对系统中水合物的形成过程产生一定的影响,但最终系统中的水合物饱和度分布与无夹层时基本相同,这可能是由于采用恒容法形成水合物,前期水合物生成速率快,多孔介质中的薄“夹层”对体系传质影响显著,后期由于反应速率变慢,其影响相对较小,在维持较长的反应时间后,趋于一致。     

石英沙中甲烷水合物的降压分解实验研究

为了解自然赋存条件下天然气水合物的分解性质,本研究在20～40目石英砂中进行了甲烷水合物降压分解实验。实验表明,与温度及压力一样,电阻是甲烷水合物形成和分解良好的指示参数。当水合物形成,电阻快速增大;水合物分解时电阻快速减小。实验研究表明,与注热水分解相比,降压分解速率要小得多。同时当采取密闭的分解方式时,随着分解的进行分解速率逐渐变小。由形成/分解体系的物料衡算及反应速率方程可以得出分解速率常数值。     

混合介质对降温法形成甲烷水合物性质的影响

目前,对沉积物中天然气水合物形成与分解性质的研究主要是在单一介质中进行,但自然界中的天然气水合物主要赋存于混合介质沉积物中。因此,有必要考察不同介质类型对天然气水合物形成的影响。为此,将粗砂、细砂、粉土3种介质按不同方法混合,搭配出6种混合型介质,并采用降温法在其内生成甲烷水合物,研究介质类型对甲烷水合物形成性质的影响及在降温过程中不同介质消耗甲烷气体的特点,为研究介质内水合物形成机制提供理论基础。实验装置由供气、反应和数据采集3个系统组成。结果表明:①不同单一介质对水分的吸持力差别很大,介质混合后水分在其内的分布状态及水分子在介质表面的吸附排列存在较大差异,从而使不同混合型介质内甲烷水合物的最终生成形态不同;②介质类型不仅会影响其内甲烷水合物的形成过程,而且会影响水合物的含气率;③不同介质内甲烷水合物生长过程所处的时间阶段不同。