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海洋沉积物中天然气水合物开采实验研究

孙建业  
【摘要】:天然气水合物是一种潜在的能源资源。只有将这种具有巨大资源潜能的能源开采出来,才可以解决能源紧缺的问题。因此目前各国研究者根据水合物亚稳定特性和水合物分布模式,提出了四种开采技术,普遍认为降压法和热激发法是可行的开采技术。由于海洋天然气水合物存在环境复杂,钻探技术要求高,耗资巨大,因此需要谨慎对待试开采。在实验室内对天然气水合物降压和热激发两种开采技术进行实验研究,探讨各种开采技术的适用条件、技术参数及优缺点,为天然气水合物的实际开发利用提供参考,无疑是最经济、有效的途径。 利用自行研发的天然气水合物开采实验装置,在两种沉积物体系中: 0.18-0.35mm天然砂+0.03%的十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液+高纯甲烷,南海沉积物样品+0.03%SDS溶液+高纯甲烷,在模拟真实海底温度、压力条件下,进行水合物生成及采用降压法、电加热法、注热水法开采实验。实验中首次将TDR技术应用到水合物开采实验研究中,实现了实时监测水合物饱和度在水合物生成和分解过程中的变化,对实验规律的掌握和化学反应速率的计算提供了重要依据。 通过各种条件的试验,确定了实验方案,详细地分析了每轮次水合物生成和分解的实验过程和结果,得到了一些新的结论和认识。 在一定粒径的石英砂中生成水合物,得出了水合物在沉积物中的生成顺序:垂直方向上从沉积物上层至中下层逐步生成,水平方向上由沉积物外侧向内部逐渐生成。建立了基于水合物饱和度参数的水合物生成速率公式:dS_H/dt=k_(fx)S_H~(n~*),可以求得某条件下水合物生成时反应速率常数和反应级数。 观察到降压法开采水合物的分解规律,分解过程可分为快速分解、缓慢分解和分解结束三个阶段;水合物在沉积物中的分解顺序为由上至下、由外及里。研究了影响降压开采水合物的因素及规律,降压幅度对水合物分解过程起主导作用;环境温度对分解速率的影响主要体现在沉积物体系压力降至设置的分解压力后;初始饱和度对水合物分解速率有很大影响,并不是饱和度越小水合物分解速率越快,因为不同水合物饱和度范围,影响水合物分解的主导因素各不相同。建立了水合物分解速率方程:dS_H/dt=k_(fx)S_H~(n~*),并得出了不同分解条件下的分 解速率常数和分解反应级数,水合物降压分解实验反应级数通常为1或0。建立了降压法开采水合物分解速率常数与影响分解速率各因素之间(降压幅度、环境温度、水合物初始饱和度)的关系。 得出了电加热法开采水合物分解规律,分为:加热棒升温、初始分解,沉积物体系升温和水合物大量分解三个阶段。通过对实验能量效率和热效率的计算表明,采用电加热法分解水合物,升温过程缓慢,水合物分解时间长,能量利用率较低,成本较高。 得到了注热水法逐层开采水合物的分解规律和不同影响因素对注水开采速率的影响。实验过程中通过从下到上依次改变出气(水)阀门,实现了水合物从底层、中层至上层逐层分解。在水合物饱和度相同条件下,升高注水温度,加快分解速度;注入热水流速越大,分解越快。注水速度对水合物分解速率起主导作用。对注热水开采水合物进行能量分析,注水速度越大能量效率η和热效率δ越高。 在南海沉积物样品中进行了水合物生成和降压开采实验,采用温度震荡法和增大气体与沉积物接触表面积能促进南海沉积物样品中水合物生成,得到了饱和度为27%的水合物样品。在降压开采过程中,得出设定分解压力为2MPa,初始温度为3℃左右时,水合物分解速率常数为K_(ds)=0.71,分解为0级反应,说明降压法适合与本实验沉积物性质相同的南海含水合物沉积物层中水合物的开采。


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