多孔介质中CO_2水合物饱和度与阻抗关系模拟实验研究

确定沉积物中天然气水合物饱和度是评估水合物资源、开发利用天然气水合物工作中的一项基础而关键的工作.利用青岛海洋地质研究所自主设计、研制的天然气水合物阻抗监测模拟实验装置,研究了CO2气体与去离子水在多孔介质中天然气水合物的生成与分解过程.指出:天然气水合物生成过程会使多孔介质阻抗增大;天然气水合物分解过程导致多孔介质阻抗减小.并且多孔介质的阻抗变化与反应体系的温度压力变化相互对应,能够体现天然气水合物生成与分解各阶段的特点.此外,还利用Archie公式,使用天然气水合物的阻抗值计算多孔介质中水合物的饱和度,得到了多孔介质中天然气水合物饱和度随反应时间的增长曲线.     

多孔介质中CO2水合物饱和度与阻抗关系模拟实验研究

确定沉积物中天然气水合物饱和度是评估水合物资源、开发利用天然气水合物工作中的一项基础而关键的工作。利用青岛海洋地质研究所自主设计、研制的天然气水合物阻抗监测模拟实验装置,研究了CO ₂气体与去离子水在多孔介质中天然气水合物的生成与分解过程。指出：天然气水合物生成过程会使多孔介质阻抗增大;天然气水合物分解过程导致多孔介质阻抗减小。并且多孔介质的阻抗变化与反应体系的温度压力变化相互对应,能够体现天然气水合物生成与分解各阶段的特点。此外,还利用Archie公式,使用天然气水合物的阻抗值计算多孔介质中水合物的饱和度,得到了多孔介质中天然气水合物饱和度随反应时间的增长曲线。     

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。     

粉土内甲烷水合物形成与分解过程中的水分特征

用可探测土壤内部水含量变化的pF-meter探头开展了甲烷水合物形成与分解过程中多孔介质内部水含量变化研究,结果表明,该新型研究方法可有效探测实验过程中多孔介质内水含量变化.通过研究指出:水合物生成时会对介质内的水产生吸力,将水向水合物处抽吸;水合物分解时会释放水,使介质内水含量增大;温度升高会使存于多孔介质内毛细管中的水向下流动;水合物在粉土中的二次形成范围比一次形成范围更大.     

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要利用天然气水合物实现对天然气的工业储运，就需要提高水合物的储气量并解决水合物的解析速度问题。为此，研究了在阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）体系中，甲烷水合物在冰点以下的常压分解规律。结果表明，随着温度的降低，水合物的分解受到自我保存性质的影响，分解速度减慢。在温度范围为269.1～266.1 K之间，甲烷水合物的分解速度存在突变；利用外推法计算260.1 K时甲烷水合物完全分解需要21 d，说明水合物的自我保存性质对气体水合物储运技术具有重要意义。实验也发现SDS体系中生成的甲烷水合物颗粒尺寸较小，颗粒堆积结构近似多孔介质，对甲烷气体有一定吸附作用。     

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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。     

海域水合物藏样品实验室制备及生成特性

实际海域水合物藏样品不易获取，其资源化开采仍需大量室内基础实验作为支撑。为实现代表性水合物藏样品的精确制备，实验室研制了一套天然气水合物三维模拟装置，采用多次注水的方式对目标样品中气、水和水合物饱和度及生成后体系的温压条件进行控制，分析了甲烷水合物生成过程中系统内压力、温度及电阻率等参数的变化特性。结果表明，多次注水的方式可有效控制样品中各相饱和度；驱动压力及过冷度较大时难以观察到水合物生成诱导期的存在；在周围水浴良好的传热作用下，水合物生成放热引起的温升现象可能会被消除；电阻率的变化显示水合物在多孔介质中生成可能存在“爬壁效应”，而影响电阻率的因素较多，或难以用于准确评估多孔介质中水合物的生成过程。此外，初始气液比增大可促进水合物生成速率增大。     

冻结粗砂土中甲烷水合物形成CT试验研究

冻土甲烷水合物形成的试验研究对于认识冻结多孔介质中形成、存在天然气水合物的机制和评价多年冻土区的气候变化、环境变化等有极为重要的意义,通过X-射线断层扫描系统对冻结粗砂土中甲烷水合物形成的试验表明:冻结砂土中甲烷水合物形成过程中CT数有所变化,且与甲烷气水合物形成、水分迁移和砂土密度增大均有关,而且通过不同时段CT图像的差值运算可以获得甲烷水合物形成的新信息;同时在甲烷水合物形成过程中具有明显的压力降低阶段,且伴随有相变热产生;尽管CT下砂土较大的吸收系数影响了对甲烷水合物形成的判断,但通过CT扫描定量信息,结合甲烷水合物形成过程中的压力和砂土温度变化,可以较为清楚地判断冻结砂土中甲烷水合物的形成。     

多孔介质中甲烷水合物形成与分解实验研究

基于实际海洋水合物资源的赋存状态及温度、压力条件,在人工多孔介质中物理模拟海底水合物稳定带的水合物藏进行了水合物的形成与分解的实验研究。分析甲烷水合物在多孔介质中的形成与降压开采过程,揭示了其温度、压力和产气速率的变化规律。采用逐步降压的方法测定了多孔介质中水合物在特定温度下最小分解推动力,比较了不同降压模式下的累计产气量。结果表明,水合物形成过程中通过不断注水保持系统压力,甲烷可完全生成水合物,最终水合物藏中仅有水和水合物两相;实验条件下水合物的分解主要受压差影响,压差越大,分解速率越大,累计产气量越高;在一定温度下水合物的分解需有一个最小推动力。比较不同降压模式发现,累计产气量只与压差有关,而与降压模式无关。     

多孔介质对天然气水合物形成的影响

天然气水合物大量存在于海洋底部的淤泥多孔介质中，但多孔介质对天然气水合物形成过程的影响规律究竟如何，从理论和实验上进行了探讨。相平衡模型表明，多孔介质的表面张力作用使多孔介质毛细管中的气体-水合物-水达到三相平衡；对多孔介质和自由液面的相平衡影响因素分析表明，在相同浓度条件下，多孔介质中天然气水合物形成相平衡的温度更低，压力更高；对多孔介质和自由液面天然气水合物的实验分析表明，多孔介质对水合物的形成过程（天然气溶解阶段，水合物诱导阶段，水合物成长阶段）的影响程度不同，多孔介质缩短了水合物形成的诱导时间，在成长阶段较之自由液面生长的速率要快。     

多孔介质中甲烷水合物生成的排盐效应及其影响因素

利用不同粒径的多孔介质模拟了海洋天然气水合物的生成过程,测定了孔隙水中主要离子质量浓度的变化.研究结果表明,甲烷水合物的生成过程使周围沉积物孔隙水中离子质量浓度发生异常.水合物生成引起的排盐效应主要取决于耗气量.耗气量越大,生成水合物的量越大,排盐效应也就越强,但孔隙水溶液中不同离子质量浓度的变化并不一致.高频振动大大加快了反应速度;粗颗粒(粒径大于125μm)沉积物对水合物生成速度影响不大,而细颗粒(粒径小于74μm)沉积物则明显阻碍水合物的生成.压力对排盐效应的影响体现在反应时间上.在相同反应条件下,反应时间与过冷温度呈幂函数关系.     

石英砂中甲烷水合物渗透率实验与模型验证

多孔介质渗透率是影响天然气水合物开采的重要物理参数,目前研究该参数所采用的测试手段和多孔介质差别很大,没有形成较为公认的实验手段和测量结果。为此,研制了含甲烷水合物多孔介质渗透率一维测试装置,利用该装置合成甲烷水合物,并在稳定流态条件下测量流入液态水的流体流量和压差;基于达西定律的基本原理,采用稳态法注水计算了30~40目石英砂中甲烷水合物体系的渗透率。结果表明:(1)该装置可以在稳定压力、温度的条件下,获得稳定流体流量和压差,满足达西定律的基本条件,进而计算出渗透率;(2)该装置可在渗透率试验中有效控制甲烷水合物饱和度,保证了含甲烷水合物石英砂渗透率测量的可靠性和可重复性;(3)甲烷水合物晶体在孔隙中心形成并逐渐生长,占据孔隙空间并阻碍流动通道,液相有效渗透率随甲烷水合物饱和度的增加而迅速降低;(4)Masuda模型、Dai模型和Li模型渗透率参数值分别为13.0、7.0和4.0时,其计算的渗透率与实验结果吻合良好。结论认为,该研究成果为含甲烷水合物的多孔介质中流体渗透率的量化,提供了实验数据和理论计算依据。     

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。     

基于电阻率测量一维天然气水合物模拟试验装置

针对当前天然气水合物勘探技术的现状,设计了一种天然气水合物模拟试验装置。该装置不仅能模拟多孔介质中天然气水合物的生成和分解过程,而且能够实时测量天然气水合物电阻率的变化,根据电阻率的数值来判断天然气水合物的状态变化,从而实现对天然气水合物的有效探测。试验测试结果证明,该装置工作稳定可靠,完全可以为天然气水合物的基础研究提供技术支持。     

电阻率在天然气水合物三维生成及开采过程中的变化特性模拟实验

为获取更多的清洁高效能源,全球范围内都正在开展与天然气水合物（以下简称水合物）开采相关的研究,其中电阻率作为表征水合物变化的一个重要参数也被纳入了重点研究范畴,但其在水合物三维生成及开采过程中的变化特性尚未见报道。为了得到三维系统下水合物的电阻率变化数据,利用三维水合物反应釜,实验室模拟研究了水合物在多孔介质中生成及利用双水平井注热开采实验过程中电阻率的变化特性。结果发现：①电阻率总体上随着水合物的生成而升高,随着其分解而下降;②电阻率与水合物饱和度并不呈完全的线性关系,当水合物饱和度升高到一定程度时,电阻率变化减缓;③在水合物生成过程中发现水合物生成存在“爬壁效应”--水合物在多孔介质中的生成并不同步,水合物在边界区域明显多于中心区域;④在水合物开采过程中发现电阻率不仅随水合物分解的变化而变化,而且还与开采过程中的流体流动有着较大关系,所以利用电阻率作为水合物开采的特征指标时需要先排除流体流动的干扰。     

海泥石英砂沉积物中甲烷水合物的生成

介绍了多孔介质中天然气水合物实验装置。在定压7 0MPa、恒温2 0℃条件下,利用甲烷气(99 9%)在海泥石英砂沉积物中(配比为海泥、石英砂各100g,蒸馏水50ml)生成水合物。其生成的诱导期较相同条件下甲烷气/纯水体系中水合物生成的诱导期缩短1/3(约40h),对其形成过程进行了初步归纳,发现并解释了水合物在沉积物中分层聚集的现象。     

鼠李糖脂与多孔介质对天然气水合物生成影响

天然气水合物在甲烷储运方面具有巨大的发展潜力。研究了生物型表面活性剂鼠李糖脂与多孔的铜和二氧化硅粒子介质在275.15 K和6 MPa的条件下对水合物生成的影响。结果表明,随着鼠李糖脂溶液浓度的增大,储气密度呈现逐渐下降的趋势,100 mg/L的鼠李糖脂溶液效果最佳,储气密度可达104.3 V_g/V_w,但具有较长的诱导时间,多孔介质的加入显著降低了水合物生成过程的诱导时间,二氧化硅颗粒中观察不到诱导期的存在,储气密度增加至106.2 V_g/V_w,而铜颗粒却降低了水合物的储气密度。因此,合理选择鼠李糖脂溶液的浓度和多孔介质的种类可提高水合物的生成速率和储气密度。     

降温速率和粒径对砂土中甲烷水合物形成过程影响研究

为研究降温速率和多孔介质粒径对天然气水合物形成过程的影响,在2种不同粒径的砂土中开展了甲烷水合物的形成实验研究。5个不同的降温速率被应用到2种粒径砂土中甲烷水合物的形成实验。实验结果表明,降温速率对砂土中甲烷水合物的成核时间有明显的影响。降温速率越快,甲烷水合物所需的成核时间就越短。同时,降温速率越慢,甲烷气体形成甲烷水合物的气体转化率就越高。不同的降温速率也影响形成实验中降温阶段和恒温阶段的甲烷水合物形成情况。在较低的降温速率下,恒温阶段的气体转化率相对较少。不同的多孔介质对甲烷水合物的形成过程也具有明显的影响。相对来说,在相同条件下,甲烷水合物在粗砂土中比在细砂土中更容易形成;在粗砂土中形成甲烷水合物,其气体转化率比在细砂土中形成的甲烷水合物更高。     

人造海水中不同的多孔介质内甲烷水合物生成特性研究

结合海底水合物沉积成藏特征,发现水合物易在海底沉积物中生成,且还有类似表面活性剂的催化酶存在。结合以上因素,实验将人造海水和十二烷基硫酸钠(SDS)溶液进行混合,研究了碳酸钙和二氧化硅作为多孔介质时甲烷水合物的生成情况。研究表明:(1)多孔介质体系较无多孔介质体系实验剩余压力更低,水合物的储气密度和储气速率更大,其中1 mm碳酸钙的促进效果最优;(2)多孔介质表面特性和粒径变化均会改变水合物的储气效果,同种粒径下,碳酸钙促进效果优于二氧化硅;(3)人造海水中的低浓度盐类通过离子交换和破坏SDS胶束团的作用,对水合物储气效果的促进优于纯SDS溶液;(4)三者的协同体系可以有效地缩短水合物的诱导期,为探究海底水合物成因和水合物快速生成技术的应用提供了参考。     

降温速率对零度以上介质内甲烷水合物形成的影响

在自然界中,天然气水合物主要以散布状、斑块状和层状构造形式赋存于各种沉积物中,沉积介质对赋存于其中的天然气水合物的性质具有显著影响.采用12℃→0.5℃/3h和12℃→0.5℃/50h 2种降温方法在非饱和粗砂、粉土内分别形成甲烷水合物,以考察降温速率对介质内甲烷水合物生成形态及形成性质的影响.通过实验指出:改变降温速率不影响水合物最终生成形态;缓慢降温利于甲烷水合物在介质内集中生成且形成范围更大.