天然氣水合物是一種潛在的能源資源。只有將這種具有巨大資源潛能的能源開采出來,才可以解決能源緊缺的問題。因此目前各國研究者根據(jù)水合物亞穩(wěn)定特性和水合物分布模式,提出了四種開采技術(shù),普遍認為降壓法和熱激發(fā)法是可行的開采技術(shù)。由于海洋天然氣水合物存在環(huán)境復雜,鉆探技術(shù)要求高,耗資巨大,因此需要謹慎對待試開采。在實驗室內(nèi)對天然氣水合物降壓和熱激發(fā)兩種開采技術(shù)進行實驗研究,探討各種開采技術(shù)的適用條件、技術(shù)參數(shù)及優(yōu)缺點,為天然氣水合物的實際開發(fā)利用提供參考,無疑是最經(jīng)濟、有效的途徑。 利用自行研發(fā)的天然氣水合物開采實驗裝置,在兩種沉積物體系中: 0.18-0.35mm天然砂+0.03%的十二烷基硫酸鈉(SDS)水溶液+高純甲烷,南海沉積物樣品+0.03%SDS溶液+高純甲烷,在模擬真實海底溫度、壓力條件下,進行水合物生成及采用降壓法、電加熱法、注熱水法開采實驗。實驗中首次將TDR技術(shù)應用到水合物開采實驗研究中,實現(xiàn)了實時監(jiān)測水合物飽和度在水合物生成和分解過程中的變化,對實驗規(guī)律的掌握和化學反應速率的計算提供了重要依據(jù)。 通過各種條件的試驗,確定了實驗方案,詳細地分析了每輪次水合物生成和分解的實驗過程和結(jié)果,得到了一些新的結(jié)論和認識。 在一定粒徑的石英砂中生成水合物,得出了水合物在沉積物中的生成順序:垂直方向上從沉積物上層至中下層逐步生成,水平方向上由沉積物外側(cè)向內(nèi)部逐漸生成。建立了基于水合物飽和度參數(shù)的水合物生成速率公式:dS_H/dt=k_(fx)S_H~(n~*),可以求得某條件下水合物生成時反應速率常數(shù)和反應級數(shù)。 觀察到降壓法開采水合物的分解規(guī)律,分解過程可分為快速分解、緩慢分解和分解結(jié)束三個階段;水合物在沉積物中的分解順序為由上至下、由外及里。研究了影響降壓開采水合物的因素及規(guī)律,降壓幅度對水合物分解過程起主導作用;環(huán)境溫度對分解速率的影響主要體現(xiàn)在沉積物體系壓力降至設置的分解壓力后;初始飽和度對水合物分解速率有很大影響,并不是飽和度越小水合物分解速率越快,因為不同水合物飽和度范圍,影響水合物分解的主導因素各不相同。建立了水合物分解速率方程:dS_H/dt=k_(fx)S_H~(n~*),并得出了不同分解條件下的分 解速率常數(shù)和分解反應級數(shù),水合物降壓分解實驗反應級數(shù)通常為1或0。建立了降壓法開采水合物分解速率常數(shù)與影響分解速率各因素之間(降壓幅度、環(huán)境溫度、水合物初始飽和度)的關(guān)系。 得出了電加熱法開采水合物分解規(guī)律,分為:加熱棒升溫、初始分解,沉積物體系升溫和水合物大量分解三個階段。通過對實驗能量效率和熱效率的計算表明,采用電加熱法分解水合物,升溫過程緩慢,水合物分解時間長,能量利用率較低,成本較高。 得到了注熱水法逐層開采水合物的分解規(guī)律和不同影響因素對注水開采速率的影響。實驗過程中通過從下到上依次改變出氣(水)閥門,實現(xiàn)了水合物從底層、中層至上層逐層分解。在水合物飽和度相同條件下,升高注水溫度,加快分解速度;注入熱水流速越大,分解越快。注水速度對水合物分解速率起主導作用。對注熱水開采水合物進行能量分析,注水速度越大能量效率η和熱效率δ越高。 在南海沉積物樣品中進行了水合物生成和降壓開采實驗,采用溫度震蕩法和增大氣體與沉積物接觸表面積能促進南海沉積物樣品中水合物生成,得到了飽和度為27%的水合物樣品。在降壓開采過程中,得出設定分解壓力為2MPa,初始溫度為3℃左右時,水合物分解速率常數(shù)為K_(ds)=0.71,分解為0級反應,說明降壓法適合與本實驗沉積物性質(zhì)相同的南海含水合物沉積物層中水合物的開采。
【學位單位】：中國海洋大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：P744.4
【部分圖文】：

1.1.1 天然氣水合物概念天然氣水合物(Natural Gas Hydrates，簡稱NGH)是在低溫、高壓條件下由天然氣與水相互作用形成的類冰狀可燃固態(tài)物質(zhì)，又稱可燃冰（圖1-1），在自然界中存在的水合物，其天然氣主要成分是甲烷(>90％)，因此又稱為甲烷水合物(Methane Hydrates)[1]。水合物是一種籠型結(jié)晶化合物，水分子（主體分子）在氫鍵作用下形成“籠”，氣體分子(客體分子)充填在水分子結(jié)晶構(gòu)架的空穴中，兩者在低溫和一定壓力下通過范德華力穩(wěn)定結(jié)合，分子式可表示為M·nH2O，M為“客”氣體分子

[37]。根據(jù)對以上條件的分析和探測，天然氣水合物主要分布于高緯度陸地（凍土帶)和海底（圖1-3）[1,4,38,39]。據(jù)統(tǒng)計，90％海域均含有天然氣水合物（圖1-4），分布于各大洋邊緣海域的陸坡、陸隆以及盆地與部分內(nèi)陸海，在特殊環(huán)境中，則可以在海底表面富集[1,4]。這些區(qū)域沉積物發(fā)育，有機質(zhì)豐富，烴類氣體（甲烷）來源充足，為形成天然氣水合物提供有利條件[40]。圖1-3 海底和永凍土區(qū)天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度、壓力條件[36,39]據(jù)資料顯示，海洋中，30%以上的海洋中存在天然氣水合物資源，其資源量為陸地的100倍以上。至今

[26-29]。圖1-4 世界范圍內(nèi)天然氣水合物分布圖（改自 Kvenvolden等，1999）[42]標準條件下，一體積天然氣水合物分解可以得到160-180體積甲烷（CH4）氣體[43,44]。天然氣水合物中包含的天然氣氣體量取決于以下因素：水合物儲層厚度、分布面積以及水合物飽和度、孔隙度與水合指數(shù)[45]。因為各研究者采用不同的研究方法，尤其是采用的參數(shù)（沉積物孔隙度、天然氣水合物密度與面積等）各異，因此所得到的天然氣水合物所含甲烷資源量的結(jié)果差異懸殊，但是所有數(shù)據(jù)都證明了天然氣水合物具有極大的資源潛力，并且海域中所含資源量要遠遠大于陸地[44-47]。目前各國科學家較為一致的評價世界范圍天然氣水合物資源量為2×1016m3，其有機碳約為全球有機碳的53.3％，說明水合物蘊藏總碳量為現(xiàn)有化石燃料的2倍[46-47]。1.1.3 環(huán)境效應海洋礦產(chǎn)資源是一柄“雙刃劍”
【參考文獻】

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本文編號：2848280