天然气水合物的成藏机理及分布规律研究
天然气水合物能够在特定温度和压力条件下存在于海底沉积层中，是一种潜在的新型能源。天然气水合物的成藏与传统化石能源（煤炭、石油和天然气）不同，它需要极其严格的低温和高压条件。目前世界上少数国家能够在一定规模范围内开采天然气水合物，但是由于对天然气水合物的成藏机理及分布规律还不十分清晰，其商业化开采的进程还很漫长。为此本研究方向结合地球物理、地球化学领域展开最新的技术研究，探索天然气水合物的成藏机理以及分布规律。
水合物分解及二次生成机理研究：天然气水合物开采过程中局部温度降低容易造成水合物二次生成并堵塞多孔介质内毛细管路，使多孔介质的渗透率逐渐减小甚至导致多孔介质的孔道堵塞，进而影响天然气水合物开采效率，甚至造成气体积聚，岩层会变形或崩塌，导致大量的天然气泄漏到海洋和大气中。本研究采用不同的实验工况，模拟天然气水合物开采时分解产生的气体在沉积层的二次生成过程，对不同水饱和程度多孔介质内气体运移过程中水合物的生成和分解过程进行了探究，分析了多孔介质的水饱和程度、气体流速、气体流动方向对水合物生成过程中水合物饱和度、残余水饱和度、容器内压力的影响，同时，利用MRI可视化观察了不同工况下水合物生成对多孔介质的结构产生的影响。在气体运移条件下，多孔介质中甲烷水合物的生成和分解研究为天然气水合物安全开采和水合物技术应用提供了基础数据。
甲烷在多孔介质内生成水合物分布特性
多孔介质中水合物生成诱导时间特性：水合物生成诱导时间特性研究对于了解天然气水合物形成机理、抑制天然气水合物开采过程中水合物二次生成、保障石油天然气管道运输安全、实施水合物法气体分离及二氧化碳固定等具有重要意义。诱导时间是水合物形成过程的一个重要特性，是水合物形成机理及应用技术研究的重要内容之一。获得了不同影响因素对于四氢呋喃水合物和甲烷水合物诱导时间的影响规律，验证了记忆效应的存在性。测试了水合物分解时间与分解温度对于记忆效应的影响。对每组工况重复试验20-30次，得到了水合物生成诱导时间的分布规律。同时也测试了不同影响因素（温度、孔隙粒径、初始水饱和度）对于水合物一次生成和二次生成诱导时间的影响规律。基于实验数据建立了水合物生成诱导时间的分布规律。发现水合物生成诱导时间是呈对数正态分布的。通过线性回归法利用K-F模型，我们可以计算用于模拟诱导时间的动力学参数，其中K值能够反映出在多孔介质中生成水合物的成核特性为非均质性成核。同时通过对比相同工况下，一次生成和二次生成所计算得到的B值，能够反映出二次生成比表面能更小，因此解释了在二次生成时，水合物生成更容易，因此与一次生成相比，水合物二次生成的诱导时间能够明显减小。在通过计算得到动力学参数B和K后，我们能够模拟出该工况下的驱动力对于诱导时间的影响。
CH4-CO2混合气水合物生成与分解特性：二氧化碳置换开采天然气水合物方法不仅为长期储藏二氧化碳温室气体提供了一种有效途径，同时对于维持含水合物沉积层储层结构具有重要意义。课题组研究了三种不同比例的CH4-CO2（CH4比例分别为20%、50%、80%）混合气水合物在多孔介质（BZ-01/02）中的相平衡特性。发现同种多孔介质中随着混合气中CO2比例上升，同一温度下的相平衡压力下降；在BZ-01与BZ-02的粒径与孔隙度差异对混合气水合物相平衡条件的影响可以差别不大。在此基础上，研究了三种不同比例的CH4-CO2（CH4比例分别为20%、50%、80%）混合气水合物在多孔介质（BZ-01/02）中的生成特性。对比了相同温度压力条件下不同组分混合气水合物生成特性；通过改变水合物生成温度，对比了同种混合气不同温度下水合物的生成特性；研究了混合气水合物生成饱和度与多孔介质中初始水饱和度的关系；通过MRI图像观察混合气水合物在多孔介质中的生成方式。研究发现混合气水合物优先在多孔介质中心区域生成；分解过程中，降压会改变多孔介质中的自由水分布；水合物饱和度与初始水饱和度线性相关。通过对CH4-CO2混合气水合物分解特性研究发现，改变混合气组分对降压分解速率几乎没有影响；分解结束后CO2体积分数相比于气源有所上升，主要是由于降压或升温导致的原本溶解在水中的CO2释放；CH4-CO2混合气水合物分解形式为径向分解，主要是由于分解过程中的热量传递来自于管壁。该部分研究为二氧化碳置换开采天然气水合物提供了基础数据支持。
CH4-CO2混合气水合物相平衡实验与模型预测值
不同背压下CH4水合物分解与流体运移特性：降压开采具有极大应用潜力，需要开展相关基础研究。研究了多孔介质（BZ-01）中CH4水合物在不同背压下的分解特性，通过MRI确定了CH4水合物降压分解的形式为轴向分解；对比了同温度下恒定背压和逐步降低背压对CH4水合物分解的影响，包括分解形式，分解速率及孔隙水分布变化；分析了逐步降压过程中不同初始背压对CH4水合物分解的影响。研究发现降压过程中水合物沿径向而非轴向分解，主要原因是分解过程所需热量来自于在管壁四周循环的冷却液；同一初始背压条件下下，连续降压分解与恒定背压分解相比具有更高的水合物分解速率；在降压过程中孔隙中的自由水会向管出口运移，因此分解结束后的孔隙水分布与初始状态不同。在多孔介质内模拟class 1和class 2类型甲烷水合物生成和分解过程，研究了在开采过程中（即含气-水-水合物三相体系），甲烷水合物的降压分解特性。验得到的含水量稍低，水的饱和度大约在20%左右。分解过程中，我们利用MRI进行了实时观测，得到了MI值及相应的压力曲线。发现不同背压下的分解形式类似，都是由反应釜中轴向外延伸，并未受到背压值的影响。初步研究了含不同饱和度CH4水合物多孔介质（BZ-01）的流动特性，水注入速度从0.2ml/min至2.0ml/min，间隔为0.2ml/min，共计十个注入速度，选取间距5mm的上中下三个截面，通过流动产生的MRI图像相位差计算截面流速。研究验证相位法对含水合物多孔介质流动速度场测量的可行性；依据MRI图像相位差与流速的关系对每个截面的局部流速进行标定，从而得到截面的速度分布；研究不同的水合物饱和度对多孔介质流动速度分布的影响。
不同背压分解过程中NGH饱和度的减少量与实际压力变化
不同类型水合物之间记忆效应及成核机制研究: 天然气水合物成核及生长机理研究领域一直存在着多种理论假说和争议。为了深入探明天然气水合物形成机理，本研究从水合物客体分子出发，利用不同类型水合物（I型、II型、H型）分解水，设计了不同客体分子彼此间的二次生成实验，观测了三类分解水对其他不同类型水合物客体分子的二次生成过程，首次发现不同类型（I型、II型、H型）水合物之间存在着显著的记忆效应，不同类型间水合物的诱导生成，揭示了水合物成核生成与分解过程笼子无序状态的存在；在此基础上，进一步对不同类型水合物分解水进行了偏振光分析，并在水合物分解水中首次观察到了残余水合物晶粒结构存在。该研究成果证明了水合物在成核生长过程中存在笼子无序状态，主体水分子笼子的存在主导了水合物的生成过程，客体分子的出现决定了水合物生长类型，不仅从实验的角度证实了研究者提出的水合物成核笼子吸附假说，同时也为未来水合物技术的气体（H2）储存与气体分离提供了新的方法思路，即利用常规客体分子首先诱导生成水合物，基于不同水合物间的记忆效应进行气体分离与储存。
不同类型（I型、II型、H型）水合物记忆效应与成核生长模型
