沉积层中水合物驱替形成与CO2多相场耦合运移机理研究

CO2 submarine sequestration or replacement exploitation of natural gas hydrate involve the CO2 percolation and hydrate formation during CO2-driving-pore water in sediments. A lot of research has been performed about CO2 hydrate formation and permeability of hydrate-bearing sediments, but there are still some problems. For example, hydrate formation without considering CO2-pore water mutual driving, phase change heat diffusion and multiphase coupling effects on CO2 diffusion. Therefore, the obtained conclusions or models cannot still be applied directly. This project will synthesize CO2 hydrate by CO2-driving-pore water pattern in different sediments, investigate hydrate growth characteristics along the CO2 axial diffusion direction, formation rate, phase change thermal diffusion and permeability of hydrate-bearing sediments, analyze the effects of formation pattern, temperature, pressure, sediment type and driving velocity on above objectives, and reveal the influence mechanism of hydrate formation by driving pattern on CO2 percolation.And then the hydrate formation rate equation, sediment permeability and hydrate saturation relationship and thermal diffusion equation will be proposed and their coupling relationships be explored. Based on heat and mass transfer theory in porous medium and hydrate crystallization theory, the corresponding CO2 multi-phase and multi-field coupling mass transport model will be established. This research will not only expand the multi-phase and multi-field coupling theory, but also provide important theoretical basis for CO2 submarine sequestration and replacement exploitation of natural gas hydrate.

无论CO2海底封存还是置换开采天然气水合物，其本质都是沉积层中CO2运移及其与孔隙水驱替形成水合物过程。沉积物CO2水合物的形成及对渗透率的影响已有很多研究，但还有一些问题尚待研究，如文献报道的静置模式形成水合物未考虑CO2-孔隙水驱替作用、相变潜热扩散效应以及多相场耦合影响CO2扩散，获得的结论或模型尚无法直接应用。本项目通过在不同沉积物中液态CO2驱替形成水合物，研究水合物沿程生长特性、生成速率、相变热扩散效应、沉积物渗透率，分析形成模式、温度、压力、沉积物类型、驱动流速等因素对它们的影响规律，揭示水合物驱替形成对CO2渗流扩散的影响机理，提出驱替形成水合物速率方程、渗透率与饱和度关系式和热扩散效应方程，探讨其耦合关系，结合多孔介质传热传质理论和水合物结晶理论，建立相应的CO2多相场耦合运移模型。研究成果将拓展多相场耦合理论，并为CO2海底水合物封存、置换开采技术提供重要的理论依据。

无论CO2海底封存还是置换开采天然气水合物，其本质都是沉积层中CO2运移及其与孔隙水驱替形成水合物过程。沉积物CO2水合物的形成及对渗透率的影响已有很多研究，但还有一些问题尚待研究，如文献报导的静置模式形成水合物未考虑CO2-孔隙水驱替作用、相变潜热扩散效应以及多相场耦合影响CO2扩散，获得的结论尚无法直接应用。本项目通过大量实验获得了CO2水合物驱替形成特性，发现不能等同于传统的静置模式分析水合物的成核生长；通过引入统计概率理论，利用histogram图、Q-Q图、K-S测试和S-W测试发现THF水合物、CO2水合物成核诱导期均呈现对数正态分布,诱导期的随机特性随着过冷度的增加而减弱，不仅天然海沙中水合物诱导期缩短而且海水中水合物诱导期也可能被缩短。所以不能单纯的通过几轮实验判断水合物诱导期的变化规律，否则可能得到错误的结论。获得了CO2饱和度和渗透率之间的关系，认为不能简单地套用现有的模型，因此拟合了得到了两者之间的关系；测定了纯CO2水合物及其在沉积物中的导热系数和分解热，分析了其变化规律，并且对水合物热物性测试样品制备的方法进行了详细的研究，初步探讨了分解潜热热对CO2扩散的影响；通过引入化学势建立了描述CO2多相场耦合运移过程，可以简单地通过一个参数来反应多种因素对CO2运移的影响。研究成果将拓展多相场耦合理论，并为CO2海底水合物封存、置换开采技术提供重要的理论依据。