多组分气体水合物在沉积物中的生成过程研究

Lots of natural gas hydrate resource was proved to exist under the seafloor and continental permafrost, and it was considered to be a potential energy resource in the future. Because of the different gas sources in natural sediments, there are many gas components exist in hydrate formation region. Different gas components can influence the hydrate formation process in sediments significantly. Clarifying the mechanism and distribution characteristics of gas hydrate formation process in the sediments was the key point to exploit hydrate and solve energy crisis in our country. Accordingly, hydrate formation process and accumulation mechanisms with different gas components in sediments will be studied in this project. Discussing the influence of variety gas components on the hydrate formation process in different particle sizes sediments under different temperature and pressure conditions, analyzing the heat and mass transfer law of different gas components in the hydrate formation process, calculating the conversion rate of pore water to hydrate with different hydrate gas components, and modeling the multi-component gas hydrate formation process in sediments are important targets about this project. Meanwhile, the accumulation mode of hydrate in sediments during hydrate formation process and distribution of hydrates in sediments can be observed by Raman spectroscopy and low temperature microscope in a micro-scale high pressure vessel, and the micro-mechanism of formation and distribution of hydrate in the sediments also can be explored. At last, the Lattice Boltzmann and molecular dynamics theory will be used in this project to establish a multi-scale kinetic model of multi-component gas mixing hydrate formation in sediments, simulate hydrate formation process in sediments, analyse the interaction mechanism between the hydrate and gas and water in sediments, and provide the theoretical foundation and scientific basis for hydrate resource exploration.

天然气水合物是一种潜在的清洁能源，主要分布于海底和大陆冻土带中，气体组成对沉积物中水合物的生成机制及分布规律都有很大的影响，而水合物的赋存形式对如何高效开采利用水合物非常重要。本项目通过研究不同温压条件下，多组分气体水合物在不同沉积物中的生成过程和热质传递规律，分析气体各组分在水合物生成过程中的变化规律，计算沉积物中不同气体组分水合物转化速率，建立多组分气体水合物在沉积物中的宏观生成动力学模型。利用低温显微镜和激光拉曼光谱分析仪，研究沉积物中多组分气体水合物的生成和聚集过程，探索多组分气体水合物在沉积物中形成分布的微观机制。利用格子Boltzmann理论和分子动力学理论对多组分气体在沉积物中的生成过程进行模拟，分析沉积物中气、水、水合物各相之间的相互作用机理，建立沉积物中多尺度多组分气体水合物的生成动力学模型，为水合物资源开采利用提供理论基础和科学依据。

天然气水合物是一种清洁能源，分布于海底和大陆冻土区中，沉积物中多组分气体水合物的生成机制及分布规律是开采利用水合物资源需解决的关键问题。本项目研究了沉积物中多组分混合气体水合物的生成过程规律，利用格子Boltzmann方法和分子动力学理论对水合物的生成过程进行了多尺度模拟，形成了比较完善的沉积物中多组分气体水合物生成动力学理论。项目执行期间共发表学术论文9篇，其中SCI2篇，EI2篇，申请专利2项，授权1项。主要成果如下：.1. 沉积物粒径、气源组分、孔隙水盐度以及温度压力条件对多组分气体水合物的生成过程有影响，在沉积物+盐水体系里，混合气(CH4+C2H6+C3H8)生成水合物的诱导时间非常短，水合物的生成过程可以分为3个阶段，即快速反应阶段、反应平稳阶段和尾声阶段。粒径较大时，甲烷水合物转化率增加，但是沉积物粒径对混合气水合物的转化率影响不大。.2.在沉积物体系中CO2/N2水合物的生成基本不需要诱导时间，且温压变化规律与气体组分关系不大。不同比例配比的CO2/N2混合气生成水合物时，沉积物孔隙水中溶解的CO2气体先生成水合物，气相中的N2和CO2再参与到水合物生成过程中，CO2参与水合物生成的比例要大于初始时它所占据的气体比例。.3. TBAB水溶液对CO2/CH4混合气水合物的生成过程有促进作用，能增加水合物生成的气体消耗量，提高CO2的分离效果。水合物反应速率及CO2分离效果与温度压力条件、气水体积比和TBAB水溶液的浓度都存在耦合关系，对于不同的混合气体系，存在最佳的反应驱动力、气水体积比和TBAB水溶液浓度。.4.拉曼光谱分析及分子动力学模拟表明在多组分气体水合物的生成过程中，水合物与溶液之间存在比较明显的分界面，且这个界面随时间变化迁移，各组分分子在水合物笼中的位置会发生变化，气体分子之间存在竞争关系，CO2更容易占据水合物中的大笼结构。.5. 通过沉积物体系孔隙内介观尺度模型，模拟了单个由沉积物颗粒组成的孔隙内水合物生成过程中的浓度场变化。在粒径为250μm的沉积物组成的孔隙里，CH4或者CO2水合物生成过程中沉积物孔隙内浓度场分布比较均一，水合物呈片状生成，生成特征类似，与温度及压力条件关系不大。伴随着水合物的生成，沉积物内相对孔隙率逐渐减小。不同粒径的沉积物中，孔隙水水合物具有不同的转化率，沉积物粒径越大，水合物转化率越大。