天然气水合物开发及其利用基础研究

天然气水合物是一种新型的洁净能源,它是由水和天然气(主要为甲烷)在低温及高压条件下形成的白色冰状固体。虽然它的发现及研究可以追溯到19世纪初,但只是在近年,因探明其具有分布广泛、资源量巨大(碳总储量约为石油、煤总和的2倍)、埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点,被誉为21世纪的新能源,而越来越引起人们的重视。尽管目前还不具备开采海洋天然气水合物的技术条件,但许多科学家相信它最有希望成为21世纪最理想的、具有商业开发前景的新能源。
      
该方向主要研究内容包括:
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天然气水合物的成藏机理及分布规律研究
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天然气水合物的勘探与开采技术基础研究
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天然气水合物开采的环境影响研究
      
近年来获得的主要研究成果有:
      
多孔介质中水合物形成分解与相平衡特性参数测量实验与分析技术:天然气水合物的大规模勘探与开发的必要前提是解明其成藏与赋存规律,目前对于天然气水合物的成藏机理研究大都集中在地球物理与化学相关领域的研究,而天然气水合物的成藏研究中包含了重要的热物理问题,而目前这个两个学科交叉与联合研究还是比较薄弱的环节。针对目前国内外对天然气水合物的成藏机理研究还不是十分深入的问题,采用实验室模拟技术对天然气水合物的成藏地质条件进行了模拟,开发了实验室内天然气水合物成藏地质条件的模拟技术,并综合研究了沉积层孔隙介质颗粒大小、孔隙盐水浓度以及气体组分对天然气水合物相平衡的影响特性,首次将孔隙盐水中的阴、阳离子对天然气水合物相平衡的影响特性分别进行研究,并对卤素离子的影响特性进行了专门研究。

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气体组分、盐分浓度、堆积层孔隙对天然气水合物相平衡的影响规律

多孔介质中水合物沉积物形成分解骨骼MRI可视化测量实验与分析技术:核磁共振成像是实现非透光物体内部三维可视化测量的高新设备,是一种利用物体内部氢质子核在主磁场中受到射频脉冲激发后产生核磁共振,能量发生变化的原理,采集信号成像技术。它主要是针对医学研究发展起来的,在水合物研究领域的应用是一种新兴的尝试。本研究搭建了适用于核磁共振成像(MRI)系统的水合物形成与分解实验测试装置,进行了四氢呋喃水合物以及甲烷水合物生成、分解过程的沉积物骨骼结构变化的可视化实验研究。通过对可视化过程中图像亮度的分析定量得到了水合物饱和度等特性参数。研究发现MRI可以有效地监控四氢呋喃水合物的形成与分解过程,确定水合物相和非水合物相的空间分布,计算水合物饱和度,为研究水合物生长与分解动力学提供了一种新的手段。界面对水合物的形成与分解有着影响。颗粒粒径越小,比表面积和接触面积就越大,四氢呋喃水合物的成核速率和生长速率就越快。随着生成温度的升高,粒径尺寸对水合物成核速率的影响变得明显。生长温度越低,过冷度就越大,四氢呋喃水合物的成核速率和生长速率就越快。THF水合物在多孔介质中随机成核,优先在多孔介质接触点生成,并将多孔介质粘结在一起,与粘结型生长赋存方式吻合。四氢呋喃水合物的分解速率主要取决于分解温度。与分解温度相比,颗粒粒径大小对分解速率的影响很小。甲烷水合物在玻璃砂中的饱和度较小,且分布不均匀,只在局部生成了水合物。随着水合物的分解,固相的甲烷水合物转变为甲烷气体和水,图像的亮度逐渐增强。

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三维四氢呋喃水合物生长核磁共振成像图

天然气水合物合成与分解过程中传热特性研究:针对目前天然气水合物热开采过程中所遇到的多组分、相变等复杂传热问题,我们展开了对天然气水合物生成分解过程传热特性研究。一方面,本研究基于实验室的大尺寸反应釜,搭建一套利用热敏电阻获取水合物合成与分解过程中的三维温度场和热导率等热物性参数,首先利用大容积布置热敏电阻,测量出水合物合成与分解三维的温度场、温度梯度、热导率、热扩散系数等,并分析出水合物分解前沿,联系温度场与温度梯度、电导率与热导率的关系,深入分析水合物分解过程中含相变的传热特性。另一方面,我们正在研究利用核磁共振系统获取水合物的三维温度分布,通过其他领域研究成果引荐,实现直接获得三维温度分布的脉冲序列,对天然气水合物合成与分解过程的传热特性进行在线可视化研究。沉积层多孔介质中含相变水合物传热特性的研究将对天然气水合物热开采过程有着重要的实用价值和意义。
      
降压法天然气水合物分解模拟研究:天然气水合物分解开采主要有三种方法,注热法,降压法,联合开采法。其中降压法从目前来看是唯一种经济上可行的方法。压力和温度是加压分解法的重压影响因素。本研究方向采用改变出口压力的方式,实验结合模拟分析出口压力和恒温槽温度对产气速率的影响。另外甲烷水合物分解总是伴随着水的生成。水的饱和度对甲烷分解速度也会有重要影响,但国内外却很少有文献系统地分析其原理及对其进行模拟,因此本研究方向进行降压开采法模拟实验。建立二维轴对称的甲烷水合物分解数学模型,采用全隐式有限差分数值方法进行求解计算,通过已有的实验数据对数值计算结果进行对比和验证,分析和证明数学模型的正确性和有效性。计算不同时刻,温度、压力,水气水合物三相饱和度的分布图。利用建立的数学模型考察在水相对天然气水合物分解产气率和累积产气量的影响。计算初始水的饱和度为0.300.35 0.40时的瞬时产气量及累积产气量,从模拟结果可以分析得到初始水的饱和度高,对80分钟以前的瞬时产气量不利,而后期则有利。从累积产气量上看,初始饱和度低有利于降压法天然气水合物分解。

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60分钟时水饱和度、压力及温度分布