石英砂体系中天然气水合物的生成与分解特性研究

摘要

天然气水合物是一种储量巨大且分布广泛的清洁能源，主要存在于海底和冻土地区的沉积物孔隙中。开采天然气水合物资源有助于缓解我国天然气资源短缺的现状，优化能源结构，也能缓解世界能源危机。目前尚无成熟的天然气水合物开采技术，另外由于天然气水合物实际开采准备时间长、投入高、风险大，因此目前世界各国积极开展天然气水合物的模拟开采研究。实验室模拟开采天然气水合物的首要前提是制备水合物样品，因此开展多孔介质中天然气水合物生成动力学特性研究，保证在较短时间内生成数量充足的水合物，是进行分解实验的保障。目前天然气水合物在多孔介质中的动力学研究大多集中在多孔介质类型、初始压力、实验温度等因素对生成过程的影响，对生成实验与分解实验联合分析较少，并且对生成与分解规律缺乏全面的认识。本文针对这一关键问题展开深入研究。
　　本文首先测定了甲烷在纯水条件下生成水合物的相平衡条件以确定动力学实验的温度和压力条件，其次在多孔介质（石英砂）体系中进行了不同吸水饱和度、不同石英砂粒径、不同进气方式、不同浓度十二烷基硫酸钠（SDS）及不同床层高度条件下天然气水合物的生成实验，研究了这些因素变化对天然气水合物的水合转换率、气体消耗量、生成速率的影响。然后，分别采用升温法、降压法、注热法对天然气水合物样品进行分解研究，研究了不同开采方法下分解速率、产气量的变化规律。最后，通过高压可视显微系统研究了天然气水合物在石英砂-纯水、石英砂-SDS溶液体系的生成与分解过程，从微观层面对水合物生成与分解过程进行观察与分析。主要获得以下几点结论：
　　①在天然气水合物生成实验中，石英砂低饱和度条件下的气体消耗量以及水合物生成速率较高，从水合转换率角度分析，70％饱和度为最优饱和度；小粒径石英砂（0.18 mm~0.25 mm）体系的气体消耗量和水合物生成速率明显高于大粒径（0.3 mm~0.9 mm）体系；采用下进气方式能够快速提高水合物生成速率，缩短反应时间，但气体消耗量与上进气方式相差较小；添加SDS可明显缩短天然气水合物生长时间；床层越高，气体消耗量越低。
　　②在天然气水合物分解实验中发现：升温分解过程具有平台期，分解开始时间基本一致，水合物分解开始点为相平衡点；定压分解时，压力越低，水合物分解的产气量越大，且石英砂-SDS溶液体系的产气量和水合物分解速率较高；进行注热分解时，如果不及时将分解气排出，会导致天然气水合物的二次生成，且石英砂-SDS溶液体系的二次生成现象更为明显，注热后水合物含量反而增多。
　　③采用高压可视显微系统对天然气水合物的生成与分解过程进行了研究。研究发现在石英砂-纯水体系天然气水合物贴着反应釜壁面由下往上生长，随后在气-固界面缓慢结晶。进行升温分解时，反应釜壁面的水合物最先分解，石英砂床层高度无明显变化；天然气水合物在石英砂-SDS溶液体系快速生长，水合物沿着反应釜壁面向气相不断蔓延，水合物层透明度较低，升温分解会产生大量泡沫且上部床层发生破裂并增高，降压分解对石英砂床层也有明显破坏，水合物分解结束后石英砂床层明显增高。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2天然气水合物开采研究现状

1.3天然气水合物的实验模拟研究

1.4本文主要工作

2 气体水合物理论基础

2.1气体水合物

2.2气体水合物的相平衡热力学

2.3气体水合物的反应动力学

3 天然气水合物生成与分解实验

3.1 实验装置

3.2 实验材料

3.3 实验方法与实验步骤

3.4 反应动力学理论计算

4 天然气水合物生成与分解特性

4.1甲烷水合物相平衡条件研究

4.2 天然气水合物生成特性实验研究

4.3天然气水合物分解特性实验研究

4.4 生成分解特性的显微实验研究

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 参与的科研项目：