發(fā)布時(shí)間：2020-11-02 13:21

　　 天然氣水合物作為一種資源儲(chǔ)量巨大的新型替代能源,其勘探、開(kāi)采及儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究備受關(guān)注。我國(guó)天然氣水合物主要賦存于南海陸坡與青藏高原凍土區(qū)域的沉積層內(nèi),其中南海天然氣水合物資源儲(chǔ)量預(yù)計(jì)在700億噸油當(dāng)量。闡明多孔介質(zhì)內(nèi)天然氣水合物生成與二次生成的動(dòng)力學(xué)特性,對(duì)于解析自然界天然氣水合物形成規(guī)律和指導(dǎo)水合物的安全高效開(kāi)采具有重要意義。以此為背景,本文開(kāi)展了多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物生成與二次生成動(dòng)力學(xué)研究,重點(diǎn)闡釋了水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)特性。利用甲烷水合物生成測(cè)試平臺(tái)、核磁共振成像系統(tǒng)等,對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)水合物生成動(dòng)力學(xué)特性展開(kāi)研究。實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)內(nèi)水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間的精確測(cè)量,綜合研究了溫度和孔隙特性等因素對(duì)于水合物生成動(dòng)力學(xué)特性的影響,并進(jìn)一步研究了水合物二次生成過(guò)程中存在的“記憶效應(yīng)”的現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物原位生成過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè),分析了核磁共振成像法與壓力變化法測(cè)量水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間的一致性。為多孔介質(zhì)內(nèi)水合物生成和后續(xù)的模擬研究提供數(shù)據(jù)與理論支持。搭建了甲烷水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間測(cè)試系統(tǒng),獲得了共計(jì)44組工況、1106組多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn),并利用頻率直方圖、P-P圖與K-S檢驗(yàn)對(duì)誘導(dǎo)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間的不完全隨機(jī)性,獲得多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間的對(duì)數(shù)正態(tài)分布規(guī)律,提出了誘導(dǎo)時(shí)間分布規(guī)律與溫度、孔隙粒徑、初始水飽和度和“記憶效應(yīng)”等因素的定量分析方法,并揭示了不同因素對(duì)于誘導(dǎo)時(shí)間分布的影響機(jī)制。引入甲烷水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)數(shù)正態(tài)分布的期望值,改進(jìn)Kashchiev誘導(dǎo)時(shí)間計(jì)算模型,修正了模型中與多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物非均質(zhì)性成核有效擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、以及與有效表面能相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)內(nèi)的甲烷水合物成核與二次成核的誘導(dǎo)時(shí)間的預(yù)測(cè),顯著提高了模型預(yù)測(cè)精度。在水合物生成多步驟機(jī)制的基礎(chǔ)上,利用甲烷分子非極性與疏水性特點(diǎn),簡(jiǎn)化水合物一次生成過(guò)程中“不穩(wěn)定分子簇”生成環(huán)節(jié),結(jié)合“殘余結(jié)構(gòu)”理論,簡(jiǎn)化水合物二次生成過(guò)程中“類(lèi)籠型結(jié)構(gòu)晶體單胞”生成環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物生成與二次生成誘導(dǎo)期-生長(zhǎng)期全過(guò)程的預(yù)測(cè)。同時(shí)可以準(zhǔn)確獲得甲烷水合物生成過(guò)程中各中間產(chǎn)物的變化規(guī)律與各步驟的反應(yīng)速率常數(shù),闡明了多孔介質(zhì)內(nèi)甲烷水合物成核、二次成核和生長(zhǎng)階段的主要控制因素。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TE31
【部分圖文】：

目前己知自然產(chǎn)出的天然氣水合物有３種晶體結(jié)構(gòu)［３］，最多和最常見(jiàn)的為立方晶系??的Ｉ型結(jié)構(gòu)（ｓｉ），其次為ＩＩ型結(jié)構(gòu)（ｓｌｌ），六方晶系Ｈ型的結(jié)構(gòu)（ｓＨ）非常少見(jiàn)［４＿?５］。各種晶??體結(jié)構(gòu)類(lèi)型如圖１．１所示。??？Ｍ０??ｓｉ?ｓｎ?ｓＨ??圖１．１水合物晶體結(jié)構(gòu)圖［６］??Ｆｉｇ．?１．１?Ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｈｙｄｒａｔｅ??－ｌ?－??

海底沉積層中賦存的天然氣水合物也被發(fā)現(xiàn)。目前，在陸上和海洋發(fā)現(xiàn)的天??然氣水合物產(chǎn)地共達(dá)２２０余處�？梢�(jiàn)，自然產(chǎn)出的天然氣水合物礦藏遍布于全球各大洋??和陸地，其儲(chǔ)量十分巨大％１３］。全球天然氣水合物分布情況如圖１．３所示。??Ｍｓｔｏｇｃ＊Ｍ３３??圖１．３全球天然氣水合物礦藏分布圖［１４］??Ｆｉｇ．?１．３?Ｍａｐ?ｏｆ?ｇａｓ?ｈｙｄｒａｔｅ?ｄｅｐｏｓｉｔｓ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｗｏｒｌｄ??天然氣水合物在海洋和陸地的不斷發(fā)現(xiàn)，首先使美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家意識(shí)到，??天然氣水合物可能成為２１世紀(jì)巨大的新能源資源。美國(guó)參議院能源委員會(huì)于１９９８年通??過(guò)了一個(gè)為期多年的“天然氣水合物研宄與資源開(kāi)發(fā)計(jì)劃”?［１５］。同年，一個(gè)從凍土帶含??水合物層開(kāi)采天然氣的國(guó)際協(xié)作試驗(yàn)在加拿大北部馬更些凍土帶Ｍａｌｌｉｋ?yún)^(qū)啟動(dòng)［１６］，這標(biāo)??志著天然氣水合物開(kāi)采時(shí)代到來(lái)。進(jìn)入２１世紀(jì)，日本制定了一個(gè)為期１６年的研宄海底??天然氣水合物的發(fā)展規(guī)劃，旨在實(shí)現(xiàn)海底天然氣水合物的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。據(jù)報(bào)道，日本己??于２０１３年５月在南海海槽進(jìn)行了開(kāi)采實(shí)驗(yàn)［１７］。這是人類(lèi)首次進(jìn)行海底天然氣水合物開(kāi)??－３?－??

多孔介質(zhì)內(nèi)水合物成核誘導(dǎo)時(shí)間與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研宄液中存在外來(lái)物（如塵埃、雜質(zhì)）或存在物體界面的情況。這種環(huán)境中的成核實(shí)中更為常見(jiàn)和普遍。它需要的過(guò)冷程度也比均質(zhì)成核作用低。Ｋａｓｈｃｈｉｅｖｂａｄｉ［３６］指出，氣體水合物易于在氣－水界面上結(jié)晶，因?yàn)檫@里成核的吉布斯自由并且由于氣－液界面是濃度梯度最大的地方。由于吸附作用，界面上氣體和液體較大，分子容易集結(jié)成分子群，繼而集聚生長(zhǎng)直至臨界晶核大�。郏常罚荨�??１００００??????－?—??—?：?—?—???
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2867103