非饱和介质中甲烷水合物形成与分解的水分变化特征

多孔介质中甲烷水合物形成与分解过程的水分变化研究对了解自然件下沉积物中天然气水合物的形成与分解机制具有重要意义.本研究中,我们首次利用可探测土壤内部水分及温度变化的pF-meter探头,对甲烷水合物形成与分解过程中非饱和粗砂和粉砂质粘土内的水分变化特征进行了研究.结果表明:甲烷水合物的形成与分解过程可仅引起非饱和粗砂内水分的重新分布;甲烷水合物在非饱和粉砂质粘土中容易形成也容易分解.

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。

饱和粗砂、粉土内甲烷水合物形成与分解过程中的水分迁移规律

用可探测土壤水分变化的pF-meter探头组装了新型水合物研究设备,并对两种饱和介质内甲烷水合物形成与分解过程中的水分迁移规律进行研究,以期望能为进一步探索多孔介质内甲烷水合物形成与分解机制提供参考.通过实验发现相同条件下,不同饱和介质内生成的甲烷水合物形态存在较大差异,且形成过程中的水分迁移规律也不同水合物分解过程表现出的水分迁移规律与水合物常规分解事实相悖,其具体原因仍需做进一步研究.

X射线断层扫描系统研究甲烷水合物形成和分解过程

通过X射线断层扫描系统可以清楚地描述甲烷水合物形成和分解过程．实验表明,甲烷水合物初期形成迅速但较为疏松,随着疏松空隙被逐渐填充,甲烷水合物逐渐达到密实状态,质量逐渐提高．当温度和压力条件超过相平衡条件后分解过程立即开始,并迅速分解．分解过程由密实状态迅速向疏松状态发展．甲烷水合物形成过程相对分解过程来说较为均匀,各向基本相同,有疏密差别．但分解过程有较大差异,靠近反应釜壁分解速度远大于中间,这一差异也恰好可以被用来作为甲烷水合物相平衡条件的测定．

盐度对甲烷水合物分解特性影响的LBM模拟

海洋甲烷水合物在分解过程中会受到海水盐度的影响,本文基于格子玻尔兹曼方法建立了孔隙尺度下甲烷水合物在盐水中分解的数值模型。该模型综合考虑了甲烷水合物分解动力学、甲烷和盐的传质以及气液两相流动和传热过程,并通过引入附加源项描述盐度对于甲烷水合物分解的影响。在此基础上,本文分析了盐度对甲烷水合物分解特性及传热特性的影响。结果表明,甲烷水合物在盐溶液中的分解速率明显快于纯水中的分解速率,并且随着盐度的增加,水合物分解得越快,分解持续的时间越短。计算域内平均温度在水合物分解的初始阶段急剧下降,然后逐渐升高到初始入口温度,并且最低平均温度随着盐度的增加而升高。因此,盐度的增加可以加快甲烷水合物的分解速率,降低水合物分解的吸热量。

天然气水合物形成/分解过程中的同位素分馏效应及其能源-环境意义

文章从研究方法、同位素分馏效应及其能源-环境意义3个方面,综述了天然气水合物形成/分解过程中同位素分馏的研究进展。天然气水合物形成/分解过程中同位素分馏效应的研究方法主要为实验模拟和天然观测。以往研究表明,天然气水合物系统内不同埋深的流体存在显著的同位素组成差异,这与天然气水合物形成/分解过程中的同位素分馏效应密切相关。天然气水合物的形成/分解涉及溶解/脱溶、相变、多孔介质内流体传质以及氧化消耗等多个物理化学过程的叠加。相变过程受温度控制,属于热力学平衡同位素分馏效应;而溶解/脱溶、传质和氧化消耗过程主要受多孔介质孔隙结构、温度、压力和氧气含量等环境因素控制,并与时间相关,属于动力学非平衡同位素分馏效应。目前,天然气水合物形成/分解过程中的同位素分馏效应已初步应用于天然气水合物勘探标志、气源判识、成藏机制研究和资源量评估,并为解释现今大气中甲烷浓度上升和同位素反转变轻、地质历史时期全球升温与同位素快速负偏提供了新的视角。然而,目前关于天然气水合物形成/分解过程中同位素分馏效应的研究方法仍较为匮乏,现有手段主要聚焦于同位素分馏的现象观测和定性分析。未来,应采用数值模拟、分子动力学模拟等方法对天然气水合物同位素分馏效应的研究方法加以补充,并系统开展天然气水合物形成/分解过程中同位素分馏特征、影响因素、机理及定量表征的研究。

利用量子力学势能数据预测温度、压力、盐度和沉积物孔径对甲烷水合物形成和分解的影响

介绍一个预测不同温度、压力、盐度和沉积物毛细管孔径条件下甲烷水合物-溶液-气体多相平衡模型。该模型以VanderWaals和Platteeuw热力学模型、量子力学从头算粒子相互作用势能、DMW-92状态方程和Pitzer电解质理论为基础,能在很宽广温压范围内预测温度、压力、盐度和毛细管力对甲烷水合物形成和分解的影响。通过对比本模型的预测结果与实验数据,可知本模型能够准确地预测海水和多孔介质中甲烷水合物的相平衡条件。对于一定盐度下多孔介质中甲烷水合物的形成温压条件的在线计算可浏览:www.geo-chem-model.org/models.htm。

降温模式对甲烷水合物形成的影响

在定容条件下,以两种不同的降温模式(缓慢降温和快速降温)进行甲烷水合物在沉积物中的形成实验.结果表明,甲烷水合物在沉积物中的形成过程包括气液溶解、核化、生长、稳定4个阶段.在相同的初始条件下,降温模式对水合物生成的热力平衡影响较小,但对水合物生成动力学有显著改变.快速降温下水合物生长速度明显快于缓慢降温,随着水合物初始条件不同,缓慢降温比快速降温水合物形成时间约增加21.4%～28.8%.

甲烷水合物分解动力学

根据两种测量水合物分解动力学的方法———恒定分解压力法及压力变化法 ,采用气体水合物静力学实验装置测定了甲烷水合物的分解动力学数据 .由建立的分解动力学模型计算了甲烷水合物的分解速率 ,较好地拟合了所测得的实验数据 .实验数据验证了分解速率和水合物平衡压力下的逸度与实验压力下的逸度之差有关 ,计算的分解活化能为 73.3kJ·mol-1(甲烷 ) .

热盐水分解甲烷水合物实验研究

利用一维开采模拟系统,注入NaCl水溶液,进行甲烷水合物分解过程和开采模拟研究。结果表明在NaCl水溶液的作用下,甲烷水合物降温吸热分解。气体产出过程可以分为自由气产出阶段,水合物分解阶段以及水合物分解结束后常规气藏的气体产生阶段,而NaCl的加入可以提高水合物分解阶段的产气速率。在自由气产出期间基本没有水产出,在水合物分解期间,产水速率稍高于注水速率,水合物分解结束后,产水速率等于注水速率。

海底天然气水合物分解与甲烷归宿研究进展

综述了近年来天然气水合物分解与甲烷归宿等方面的研究成果。天然气水合物的汇聚与地质构造或地层圈闭有关,其溶解受物质转换控制,分解则受热转换控制。水合物释放甲烷的运移方式包括分散式、中心式和大规模排放式。缺氧氧化和耗氧氧化是甲烷在海洋环境中的2种主要转化方式。天然气水合物释放甲烷的最终归宿主要为:①重新形成天然气水合物;②形成化能自养生物群落和沉淀出碳酸盐沉积;③与氧发生氧化后转变为CO2;④直接排放进入到大气中。沉积物中的微构造、化能自养生物群落、自生碳酸盐矿物及其碳氧同位素组成是水合物释放事件的指纹记录。

活性炭中甲烷水合物的分解动力学

在封闭体系内 ,在初始分解压力 0 1MPa ,温度范围 2 76～ 2 6 5K之间 ,测定了五组甲烷水合物在活性炭中的分解动力学数据 .分析了甲烷水合物在活性炭中分解的物理过程 ,提出了以微分方程表达的宏观分解动力学模型 .使用单步积分的吉尔 (Gear)方法解得微分方程的数值解 ,结合单纯形最优化方法拟合模型参数 ,模型计算值与实验值符合良好 .

显微激光拉曼光谱原位观测甲烷水合物生成与分解的微观过程

采用显微激光拉曼光谱技术对高压透明毛细管中甲烷水合物的生成与分解的微观过程进行了原位观测,初步探讨了甲烷水合物笼型结构的变化规律。结果表明,甲烷水合物在生成过程中,甲烷分子的拉曼峰(2 917 cm-1)逐渐分裂为两个峰(2 905和2 915 cm-1),表明溶解态甲烷分子从单一的化学环境进入了两个有差异的化学环境中,这两个峰分别代表着水合物的大笼和小笼。同时,水的氢键作用由其液态向固态的转化而得到加强,使O—H键伸缩振动向低波数迁移。在甲烷水合物的分解过程中,大小笼中甲烷分子的拉曼双峰逐渐消解,并最终转化成单一的甲烷气体峰。显微激光拉曼光谱可以准确捕捉水合物生成与分解过程中其笼型结构变化的相关信息。

热力学抑制剂作用下甲烷水合物分解过程的分子动力学模拟

采用正则系综(NVT)分子动力学方法模拟研究277.0 K、11.45 mol.L-1的热力学抑制剂乙二醇(EG)溶液作用下甲烷水合物分解微观过程.模拟显示甲烷水合物的分解从甲烷水合物固体表面开始,逐渐向内部推移,固态水合物在分解过程中逐渐缩小,直至消失.固态水合物的分解从晶格扭曲变形开始,之后笼形框架结构破裂,最后形成笼形结构碎片.同时已经分解的甲烷水合物在外层形成水膜,包裹里层正在分解的甲烷水合物,增大里层甲烷水合物分解传质阻力.

甲烷水合物分解动力学模型

将甲烷水合物的分解过程看作球形颗粒消融问题,采用宏观气固反应动力学方法,建立了恒温减压条件下水合物的分解动力学模型,推导了甲烷水合物的分解速率方程。采用实验数据进行动力学分析,认为在0℃以下,水合物分解速率由气体在冰层的扩散过程控制。通过对比甲烷气体在冰层内有效扩散系数的模型计算值和实验值,对模型进行验证,误差分析表明,所提出的甲烷水合物分解动力学模型计算结果与实验值吻合良好。

用电导性监测天然气水合物的形成和分解

实验研究了CH4水合物形成和分解过程中的电导性变化,并用温度和压力的同步变化来证明电导性作为这一过程监测指标的可靠性,结果表明,电阻随石英砂中CH4水合物的生成而增大,而当水合物生成速度很小时,电阻值变化很小;水合物分解时电阻急速减小;在未被水饱和的石英砂中,生成水合物多的截面电阻较小,而水合物少的截面因空隙中为CH4气体,电阻值成倍增大。认为电导性可望成为水合物形成的定量监测手段之一。

甲烷水合物分解过程模拟实验研究

以甲烷为主要成分的天然气水合物被看作是一种新型的油气资源，研究水合物分解特征有助于水合物的开采利用。采用实验模拟的方法进行了甲烷水合物分解率研究，实验中采用了等容升温分解和不同粒径多孔介质体系常压分解等方法研究水合物的分解特征。从P=4．5MPa下进行的等容分解实验结果发现，当釜内温度为5．18-8℃时水合物快速分解并一直持续到13℃分解结束，且等容分解过程中反应釜内压力与釜内温度呈良好的函数对应关系。常压分解研究使用了5种不同粒径沉积物作为反应介质，在T=1℃的条件下进行水合物分解实验，结果发现粒径在0．063－0．35mm范围的沉积物对水合物的分解速率为1．11×10^-5－2．41×10^-5mol／s，但分解速率并没有随粒径大小发生有规律的变化。

石英砂中甲烷水合物注热水分解实验

为了了解自然条件下天然气水合物的分解性质,在20～40目石英砂中进行了甲烷水合物常压注热水分解实验。结果表明,与温度一样,电阻是甲烷水合物形成和分解良好的标示性参数：当水合物形成时,电阻快速增大;而水合物分解时,电阻则快速减小。实验研究与模拟计算均表明,在热水注入与水合物快速分解两个起始时刻之间有1.45min左右的时差,此时热水带来的热量主要用于加热石英砂—水合物体系;实验结果还表明,注入热水后,水合物分解界面自注入端开始向另一端移动,由于热水渗透时经沿途冷却,分解界面的移动速度是逐渐减小的。同时在假定分解速率常数和传质推动力为常量的前提下,得出了石英砂中甲烷水合物常压注热水分解速率常数为6.29×10^-5mol/（min·m^2）。

冰点以下甲烷水合物等压分解实验研究

开展了甲烷水合物在2.25MPa、2.08MPa和1.88 MPa 3种压力和不同温度条件下等压分解实验,研究温度驱动力对甲烷水合物分解过程及其自保护效应的影响。实验结果表明,在等压分解过程中,温度推动力ΔT对甲烷水合物的分解产生较大影响,当温度推动力ΔT>|T0|时,分解速率与ΔT具有正相关关系;当ΔT≤|T0|时,甲烷水合物存在明显的自保护效应,分解速率与ΔT的关系不明显。

海底甲烷水合物溶解和分解辨析及其地质意义

甲烷水合物的溶解和分解过程是甲烷水合物成藏的关键科学问题,同时也是造成环境灾害事件的重要因素。近年来,在阅读甲烷水合物相关文献中发现有些作者对甲烷水合物溶解和分解的复杂动力学过程产生了一些混淆,并由此可能对甲烷水合物的成藏机理及其对环境气候变化影响的认识造成偏差。基于前人的大量研究成果,并结合作者多年对甲烷水合物形成和分解动力学过程的系统研究,认为海底存在一种甲烷气体的动态存储与排泄平衡作用,甲烷水合物的溶解和分解是海底甲烷气的主要排泄方式,也是甲烷水合物失稳后的2种不同的重要过程,同时,海底甲烷气的排泄量、运移方式和排放速率都与甲烷水合物成藏与否密切相关,因此深入认识甲烷水合物溶解和分解过程的控制机理,对海底甲烷水合物形成机制、成藏过程的研究和对全球碳循环、气候变化的评估有着重要的科学意义。