天然氣水合物形成主控因素實驗研究

劉文娜 許天福 商松華 俞梓萌 貝科奇 田海龍*

（吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室，吉林 長春130000）

1 概述

天然氣水合物儲量大，污染小等優越的特性決定了它將成為21 世紀具有競爭力新型能源。天然氣水合物巨大的儲量足以取替代日益減少的傳統能源[1]。同時，天然氣水合物的開發還具有潛在的科學價值。根據科學家的預測全球的天然氣水合物的儲量非常豐富[2]。目前，我國發現的水合物氣藏主要分布在南海深海域和青藏高原凍土帶[3]。水合物形成實驗的關鍵在于如何監測水合物何時、何地形成。水合物的形成從物理、化學過程上是放熱過程，理論上講在水合物形成的位置溫度要比周圍高3℃左右[4]。因此我們利用了這種放熱過程的特點，通過捕捉溫度的驟然變化來定位水合物的形成位置。同時，海底真實環境下，包括沉積物、海水以及流動的甲烷氣體等，為了最大真實的還原原位環境，我們設計的反應釜可以實現甲烷保壓流動、填充真實海水、填充不同沉積物等，能夠高保真度地再現海底水合物形成的動態過程。

2 研究方法

實驗材料與方法:

本次實驗采用自主研發的天然氣水合物形成動態實驗裝置（圖1）。反應裝置具備：壓力控制系統；溫度控制系統；反應系統；實時數據采集系統。利用溫度探頭監測水合物形成時的放熱過程，從而達到監測水合物形成的時間及空間位置。實驗中將溫度探頭依次排列，左側從上之下依次為1-6 號，右側則為7-12 號。通過流動控制系統，將甲烷從反應釜底部向上通入。利用此實驗裝置進行水合物形成實驗室模擬研究。

表1 實驗系統參數

實驗材料：純度為99.9%的甲烷氣體，所用水為去離子水，玻璃珠（1mm）和石英砂（0.35-0.9mm）兩種沉積層介質。

實驗步驟：將反應釜連接好后，檢測反應釜的氣密性，并用去離子水清洗反應釜；向反應釜內加入石英砂（玻璃珠）和去離子水，考慮到反應釜高度，玻璃珠與去離子水同時逐層加入，記錄加入沉積物與去離子水體積；將反應釜密封好后，用甲烷氣沖洗反應釜3 次，以排出反應釜內的空氣；開啟低溫恒溫箱控制溫度的系統，設置恒溫箱的溫度達到反應預設溫度T℃；使反應釜內壓力達到實驗預設壓力，并靜置1.5-3h 左右，使甲烷氣在沉積物內滲透均勻，溶解于水溶液中。在此過程中不斷通入甲烷氣體，直到甲烷不再溶解。

圖1 水合物合成實驗裝置原理圖

3 結果與分析

3.1 不同溫度條件下水合物形成研究

探究在動態實驗條件下不同溫度條件對甲烷水合物形成的影響，反應釜的壓力保持7Mpa。反應釜溫度分別為1℃，3℃，5℃，7℃。實驗采用石英砂（0.35-0.9mm）作為水合物形成過程中的沉積層介質。

圖2 動態條件下天然氣水合物合成不同溫度下溫度變化曲線圖

本研究由國家重點研究發展計劃（2017YFC0307301）、國家自然科學基金（41877185）和國家自然科學基金（41772247）資助。

圖3 甲烷水合物形成過程中不同鹽度下溫度變化曲線圖

3.2 不同鹽度條件下水合物形成

通過上述實驗可知動態實驗相對與靜態實驗水合物成核誘導時間較短，實驗更容易開展，因此在動態實驗條件下開展不同鹽度條件對甲烷水合物形成的影響的實驗，實驗采用石英砂（0.35-0.9mm）作為水合物形成過程中的沉積層介質。反應釜的溫度和壓力為3℃和6Mpa，鹽度分別為3.5%，4.5%時進行水合物的形成實驗。

圖3 為動態實驗條件溫度和壓力保持3℃和6Mpa 的條件下甲烷水合物合成過程中下溫度變化曲線圖，從圖可以看出，鹽度為0%時，由于初始甲烷有小幅度的溶解，使得壓力出現小幅度的下降，壓力保持壓力6Mpa 持續一段時間，3.6h 出現突然下降，由6Mpa 下降到3.4Mpa，此后壓力逐漸降低并達到甲烷水合物相平衡狀態。溫度曲線開始保持3℃，在3.6h 出現突然增加。鹽度為2%時，壓力出現小幅度的下降，壓力保持壓力6Mpa持續一段時間，4.4h 出現突然下降，由6Mpa 下降到3.0Mpa，此后壓力逐漸降低并達到甲烷水合物相平衡狀態。溫度恒定為3℃，在4.4h 出現突然增。鹽度為3.5%時，壓力出現小幅度的下降，壓力保持壓力6Mpa 持續一段時間，4.7h 出現突然下降，由6Mpa 下降到2.9Mpa，此后壓力逐漸降低并達到甲烷水合物相平衡狀態。溫度曲線開始保持3℃，在4.7h 出現突然增加。鹽度為4.5%時，初始甲烷有小幅度的溶解，使得壓力出現小幅度的下降，壓力保持壓力6Mpa 持續一段時間，6.1h 出現突然下降，由6Mpa 下降到3.2Mpa，此后壓力逐漸降低并達到甲烷水合物相平衡狀態。

4 結論

4.1 不同溫度對甲烷水合物形成的影響；在一定壓力下，溫度增大，則水合物成核誘導時間越大，即溫度越大，水合物不容易成核，越不容易形成水合物。

4.2 鹽度對水合物的形成有抑制作用；在一定的溫度壓力下，鹽度的增加對天然氣水合物的合成有抑制作用。