降溫模式對天然氣水合物生成影響實驗研究

吳夢瑤　湯子余　劉瀏　侯賢沐　李潮　燕凌翀

摘 要： 天然氣水合物生成過程中，降溫模式對誘導、結晶等階段都產生重要影響。實驗室中合成天然氣水合物時需要降低反應體系的溫度，不同的降溫速率會影響天然氣水合物的誘導時間、成核時間、穩定性、生長范圍等。降溫模式對于天然氣水合物生成影響的實驗研究對于天然氣水合物評價、勘探開發都具有著重要意義。本文針對降溫模式對天然其水合物生成過程中的影響開展室內實驗研究，結果表明，降溫速率越慢，誘導階段所用時間越多，在相同溫降幅度，不同溫降梯度條件下，緩速降溫合成的天然氣水合物較快速降溫合成的水合物穩定。

關鍵詞： 降溫模式;水合物;影響因素

基金項目：湖北省高等學校大學生創新創業訓練項目“注二氧化碳開采甲烷水合物置換效率研究”

多孔介質體系中水合物生成條件并非純體系下的平衡條件，表現為水合物生成的平衡壓力要低于理論值[1]，水合物合成過程中溫度值也低于理論的相平衡溫度值[2]，加之水合物合成過程中的鎧甲效應[3]，最終導致水合物合成反應獲得的儲氣密度要遠低于理論值。

Chuvlin[4]通過冰顆粒與水分子合成水合物，數據顯示冰顆粒較多孔介質能獲得更大的水合物儲氣量。郝妙莉[5]通過自有實驗裝置，證明了過冷度能在一定程度上增加水合物的合成量，增大最終儲氣密度。祁影霞[6]從降溫速率角度出發，快速降溫比緩慢降溫合成水合物時間縮短21.4%-28.8%。蔣觀[7]利在粗砂體系降溫合成水合物過程中，表明凍結土體融化時，有水合物二次生成的情況。張鵬[8]針對多孔介質中降溫速率對甲烷水合物的合成影響進行實驗，表明緩慢降溫有利于甲烷水合物在介質中大范圍生成。Makogon[9]指出，降溫至0℃以下，水分子結冰，孔隙體積降低直至封堵，造成水合物合成分布不均勻。王英梅[10]的研究表明溫度梯度在0.07℃/cm，水合物合成最均勻，當溫度梯度在0.11℃/cm，多孔介質中合成甲烷水合物儲氣量最大。吳冬宇[11]針對水合物合成過程的爬壁效應，進行微波加熱研究，結果顯示徑向和軸向的溫度變化率降低10倍左右，有助于水合物的合成。

1 實驗儀器

本次實驗所采用試驗裝置由江蘇聯友石油儀器有限公司研制，儀器的模擬儲層室材質為304不銹鋼，Φ150×100mm，壓力32MPa，溫度-10℃-30℃，控溫精度±0.05℃。循環水浴式恒溫控制系統，溫度-10℃-30℃，控溫精度±0.05℃。天然氣增壓系統最大增壓35MPa，控制氣源0.4-0.8MPa，儲氣罐容積400ml。上覆應力加載系統的流量為0-60ml/min，壓力50MPa，精度0.05MPa。進水系統流量0.01-9.99ml/min。進氣系統流量范圍0-500SCCM。抽真空系統的真空度為-0.1-0MPa。采集系統可采集記錄的內容包括壓力、溫度、流量等。

2 實驗數據分析

實驗選用一定礦化度的水（2%質量濃度NaCl溶液）和甲烷氣體反應，進行水合物降壓合成實驗。圖1和圖2分別為快速降溫模式和緩速降溫模式之下實驗過程中反應體系的壓力、溫度雖時間變化的關系圖。快速降溫模式下反應體系的壓力由降溫之前的6.96MPa最終下降至6.06MPa，降低0.9MPa;緩速降溫模式下反應體系的壓力由降溫之前的7.06MPa最終下降至6.06MPa，降低1MPa。快速降溫模式和緩速降溫模式降低溫度的相同，但是快速降溫模式從反應開始到結束所用時長為100小時，誘導階段時長為2.4小時;緩速降溫模式所用時長為96.2小時，誘導階段時長為4.2小時。

由圖1和圖2可知，降溫速率的不同導致誘導期有差異，可以看出緩速降溫模式下的誘導時間大于快速降溫模式下的誘導時間，說明不同的降溫模式會使得誘導期時長發生改變，降溫速率越慢，誘導階段所用時間越多。

3結論

降溫速率對誘導期有影響，緩速降溫模式下的誘導時間大于快速降溫模式，降溫速率越慢，誘導階段所用時間越多，但降溫速度不會影響水合物最終的合成量;同時，在降溫幅度一定的情況下，緩速降溫合成的天然氣水合物較快速降溫合成的水合物穩定。

參考文獻

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[6]祁影霞， 楊光， 湯成偉，等. 天然氣水合物合成實驗[J].低溫工程， 2009（4）：11-14.

[7]蔣觀利， 吳青柏， 蒲毅彬. 降溫過程對粗砂土中甲烷水合物形成的影響[J].地球物理學報， 2009， 52（9）：2387-2393.

[8]張鵬， 吳青柏， 蔣觀利. 降溫速率對零度以上介質內甲烷水合物形成的影響[J].天然氣地球科學， 2009， 20（6）：1000-1004.

[9]楊新，孫長宇，粟科華，等. 溫度對多孔介質中甲烷水合物生成過程的影響[J].現代化工，2009，29（1）：33-36.

[10]王英梅， 吳青柏， 蔣觀利. 溫度梯度對非飽和粗砂中甲烷水合物形成過程的影響[J].中南大學學報（自然科學版）， 2014（2）：507-514.

[11]吳冬宇， 羅永江， 彭枧明，等. 微波加熱輔助多孔介質水合物制樣方法與裝置[J].國防科技大學學報， 2016， 38（2）：165-170.

作者簡介：吳夢瑤（1998-），女，湖北武漢人，本科在讀，石油工程專業。