天然氣水合物的初步試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著社會(huì)進(jìn)步，人類對(duì)于能源的依賴越來越明顯。天然氣水合物作為一種新型能源，已經(jīng)逐漸引起人們的重視。自20世紀(jì)30年代天然氣水合物因?yàn)樽枞敋夤艿蓝魂P(guān)注以來，全球范圍內(nèi)先后開展了大量天然氣水合物的試驗(yàn)研究，對(duì)于天然氣水合物的基本性質(zhì)有了一定程度的了解。 室內(nèi)對(duì)于天然氣水合物的試驗(yàn)研究，所采用的試驗(yàn)釜一般都是可以通過肉眼直接觀察到內(nèi)部的反應(yīng)釜。這種反應(yīng)釜具有直觀的特點(diǎn)，觀察方式也比較靈活，但其對(duì)于反應(yīng)釜可透視部分的材質(zhì)及工藝程度要

2、求較高，且反應(yīng)釜容積較小，其觀察效果也并非特別理想。 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次嘗試使用CT系統(tǒng)(X射線掃描系統(tǒng))來開展天然氣水合物的生成和分解過程研究，獲得了比較理想的試驗(yàn)效果，為進(jìn)一步開展天然氣水合物研究奠定了良好的試驗(yàn)基礎(chǔ)。本文主要開展了純水．純甲烷系統(tǒng)天然氣水合物的生成和分解、天然氣水合物的自保護(hù)效應(yīng)、多孔介質(zhì)中甲烷水合物的初步試驗(yàn)研究，取得了如下初步結(jié)論： 1.純水純甲烷系統(tǒng)天

3、然氣水合物的生成和分解過程研究 純水一純甲烷系統(tǒng)是一種比較理想的天然氣水合物生成和分解的研究環(huán)境，介質(zhì)相對(duì)比較單純。首次嘗試性地使用CT設(shè)備來開展純水．純甲烷環(huán)境中天然氣水合物的生成和分解過程研究；試驗(yàn)結(jié)果表明，CT系統(tǒng)能有效地應(yīng)用到天然氣水合物的生成和分解試驗(yàn)中，通過CT系統(tǒng)可以清楚地識(shí)別天然氣水合物的生成和分解過程，并能以圖像的形式捕捉該過程。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度和壓力達(dá)到適宜條件時(shí)，甲烷水合物會(huì)迅速在氣液界面上生成；并隨著

4、時(shí)間的進(jìn)行，水合物的生成狀態(tài)會(huì)變得越來越好。隨后升高反應(yīng)釜內(nèi)溫度，甲烷水合物開始分解。因?yàn)榉磻?yīng)釜內(nèi)溫度通過反應(yīng)釜壁來控制，因此首先升溫的是靠近釜壁的部分。隨著分解進(jìn)行，反應(yīng)釜內(nèi)靠近釜壁處的甲烷水合物都分解殆盡時(shí)，反應(yīng)釜中間部分仍然有殘留的甲烷水合物還未分解。這些細(xì)節(jié)都可以通過CT系統(tǒng)清楚地觀察到。這對(duì)于使用壓力跟蹤法來研究水合物相平衡條件是一個(gè)非常理想的試驗(yàn)環(huán)境。 2.多孔介質(zhì)中天然氣水合物的生成和分解研究 我們使用砂土

5、來模擬多孔介質(zhì)中天然氣水合物的生成和分解試驗(yàn)。目前已完成了1-2mm粒徑的不同含水率的模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步嘗試其他粒徑不同含水率的試驗(yàn)。由于砂土的吸收系數(shù)較大，多孔介質(zhì)的CT數(shù)相對(duì)于甲烷水合物來說過大，單獨(dú)使用CT數(shù)和壓力的變化難以分辨多孔介質(zhì)中甲烷水合物的生成，因此引入查理數(shù)及查理數(shù)變化率這兩個(gè)參數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物的生成和分解狀態(tài)進(jìn)行輔助判斷。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，甲烷水合物在多孔介質(zhì)的生成和分解過程中查理數(shù)有明顯的改變。通過對(duì)查理數(shù)變化率

6、的比較發(fā)現(xiàn)，多孔介質(zhì)含水率與多孔介質(zhì)中甲烷水合物的生成量成近似的正比關(guān)系。同時(shí)在多孔介質(zhì)中的甲烷水合物形成過程中，砂土中水分具有明顯的遷移特征，當(dāng)甲烷水合物形成時(shí)，水分會(huì)向著最適合形成水合物的位置發(fā)生不同程度的遷移，遷移過程受到溫、壓條件和水合物初期成核作用和形成過程的控制和影響。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)了凍結(jié)過程對(duì)多孔介質(zhì)中甲烷水合物的生成情況具有一定影響。凍結(jié)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)凍融過程都可能使得多孔介質(zhì)中甲烷水合物的生成質(zhì)量有所提高，但甲烷水

7、合物的生成情況與凍結(jié)速率并沒有直接聯(lián)系。 3.對(duì)于天然氣水合物自保護(hù)效應(yīng)的初步探索 天然氣水合物的自保護(hù)效應(yīng)(Self-preseⅣ砒ion)是指天然氣水合物在負(fù)溫條件下能在溫度和壓力的相平衡條件之外的溫、壓環(huán)境中保持一種亞穩(wěn)定狀態(tài)。通過在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)自保護(hù)效應(yīng)現(xiàn)象的初步研究，我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過深凍處理后的甲烷水合物樣品，置于20℃的恒溫環(huán)境中，其分解初期維持較高的分解速度，隨后其分解速度迅速減緩，并在持續(xù)該低分解速度一段時(shí)候