海洋天然气水合物PT条件研究

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1、论文摘要中文摘要海洋天然气水合物P-T条件研究作者:张剑导师:王锡魁教授:业渝光教授专业:海洋地质天然气水合物，又称笼形包合物，是在一定条件(合适的流度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等)下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物。其外形如冰雪状，通常呈白色。结晶体以紧凑的格子构架排列，与冰的结构非常相似。在这种冰状的结晶体中，作为“客”气体分子的碳氢气体充填在水分子结晶格架的空穴中，两者在低温和一定压力下通过范德华作用力稳定地相互结合在一起。在自然界中，甲烷是形成天然气水合物最常见的“客”气体分子，

2、对甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物。由于天然气水合物中通常含有大量的甲烷或其他碳氢气体分子，因此遇火极易燃烧，也有人称之为“可燃冰‘，，而且天然气水合物在燃烧后几乎不产生任何残渣或废弃物。天然气水合物可以有两种分类方法。一种是按产出环境或温度压力机制分类，另一种是按其结构类型进行分类。按产出环境，天然气水合物可以分为海底天然气水合物和极地天然气水合物两种类型。按结构类型，天然气水合物可分为I型、11型、R型和T型四种结构。天然气水合物在自然界广泛分布在大陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起

3、处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的深水环境。在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。同时，甲烷也是一种反应快速、影响明显的温室气体。有学者认为，甲烷的温室效应是C02的10-20倍。另外，天然气水合物还与地质灾害有着十分密切的关系。模拟实验研究在天然气水合物的勘探开发之前或当中都具有举足轻重的作用。模拟实验研究的关键就是探测技术的有效性。青岛海洋地质研究所自行设计并己于2001年11月建成了我国首个完全为海洋天然气水合物勘探服务的专业模拟实验室，该模拟

4、实验室具有光学、超声以及温度压力等多种探测手段。在实验室中，成功合成并点燃甲烷水合物。利用光透射率的变化探测纯水一甲烷体系中甲烷水合物的生成和分解，实验结果令人满意。实验中，高压釜内的压力基本保持不变，我们通过温度的升降来控制水合物的生成和分解。当温度降到一定值时，水合物大量生成，此时光通过率综合值突然降低，但此时的温度己经低于此压力下的平衡温度，而且我们通过实验发现，此温度值与磁力搅拌的速度有很大关系，这是国为水合物的形成需要一定的驱动力和诱导时间。因此，这一温度不能作为水合物的相平衡温度。随后我们升高体系的温度，当

5、温度升到一定值时，光通过率综合值开始上升，这表明水合物开始分解，准确读取这一拐点的温度值，即为此压力下水合物体系的相平衡温度。实验证明，此平衡温度与搅拌的速度无关。应用此方法得出的相平衡图与国内外经典的相图十分吻合，证明了实验装置系统的可行性和科学性。在纯水一甲烷体系以及沉积物一纯水一甲烷体系中的实验表明，利用超声声速探测甲烷水合物的生成和分解其灵敏度不够。在一定压力一下，随着温度的降低和升高，当水合物生成和分解时，声速随温度的升降而升降，且声速与温度基本呈线性关系，这说明超声声速的变化主要受温度影响，。这可能是由于在

6、实验室时间尺度和条件下，水合物生成的量不足以引起超声声速的明显变化。因此，利用超声声速判断水合物的P-T平衡条件并不十分有效。海底天然气水合物均存在于沉积物中，而且有足够证据表明，不同类型的沉积物因其孔隙度等参数的不同，其中天然气水合物的P-T平衡条件也存在差异。因此，进行沉积物中天然气水合物P-T平衡条件的实验研究就显得格外重要。沉积物中天然气水合物的生成和分解模拟实验，目前尚没有很好的探测方法。我们使用温压法探测了沉积物中甲烷水合物的生成和分解。釜内加完压放置几天后，我们开始快速降低体系温度，可以看到压力随温度降低

7、而线性降低。降到1.5℃时，保持温度近100小时，可见压力明显下降(0叫2Mpa)。体系在实验前经过试压，并无漏气现象，再排除温度对压力的影响，说明体系内压力的下降是由甲烷水合物的生成引起。这表明沉积物的孔隙内已经有一定量的水合物生成，之后缓慢升高体系的温度，在甲烷水合物尚未分解前，压力随温度的升高呈线性升高，且斜率与最初降温时的斜率一致当温度升到一定值时，压力迅速上升，斜率增加，水合物开始分解。保持水合物的分解温度，体系压力不断上升，说明沉积物孔隙内的水合物不断分解，一段时间后，压力上升至与降温前一致且不再上升，表明

8、水合物己经完全分解，这也验证了体系并无气体外漏根据文献资料，水合物开始分解时的温压值即为此条件下的平衡值。经过长时间的实验，得出的20-40目天然砂中纯水-甲烷体系的相平衡条件与不含沉积物的纯水一甲烷体系的相平衡条件基本一致。关键词:天然气水合物模拟实验探测技术P-T平衡条件AbstractStudyonP-TConditions