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储气罐中天然气水合物生成的温度特性研究
为了研究储气罐中天然气水合物生成的温度变化特征, 利用自制的天然气水合物三维模拟装置从甲烷气体和水溶液中成功生成了甲烷水合物, 通过温度-压力变化对甲烷水合物在多孔介质中的整个生成过程进行了研究。 实验结果表明, 注气从垂直中心井注入, 导致中心区域温度升高, 并向四周蔓延, 水合物从中心井往外聚集。 由于多孔介质的毛细管作用, 甲烷水合物在多孔介质中产生爬壁效应, 外侧水合物生成较多, 在多孔介质中呈不均匀分布。
关键词:储气罐; 天然气水合物; 多孔介质; 温度; 压力
天然气水合物(Natural Gas Hydrate, NGH)是在一定条件下(合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH 值 等)由天然气(气相)和水(液相)作用生成的类冰的、非化学计量的笼形结晶化合物(固相)。 自然界中存在 的NGH 其主要成分为甲烷(>90%),所以又称为甲烷水合物(Methane Hydrates)。 天然气水合物主要存在于多孔介质中,如海底沉积物和高纬度区的永久冻土带。
调查研究表明[1-2],我国海域及其周围地区存在大量的天然气水合物,其中包括我国南海北部陆坡、东海陆坡、南沙海槽以及青藏高原、祁连山冻土区等。目前,对天然气水合物生成进行监测的方法主要包括直接观察法[3]、压力判断法、声学检测、CT 技术[4]和核磁共振成像技术]等。
其中,直接观察法和通过压力变化推断水合物生成的方法虽然造价低,但是精度也较低;光学检测虽然造价较低、性能较好,但仅可对可视釜中的水合物进行检测,对整个多孔介质中水合物生成情况无能为力;声学检测技术虽然具有很好的性价比, 但不能够生成直观图像;CT技术和核磁共振成像技术(MRI)可以完成高精度的实验研究,但价格较高。 对多孔介质中水合物生成过程的监测技术还有电阻法和温度-压力法。
电阻法就是水合物生成模拟器中布置多根电极,并给定电场,通过测量不同电极之间的电阻率变化来监测水合物的生成过程。温度-压力法是一种较为成熟的监测水合物生成过程的方法,该方法直观,实验成本低,其测量原理是天然气水合物生成放热的变化而引起的温度变化。
刘春阳等人在自行设计的天然气水合物生成试验装置上,发现反应温度越低,水合物的反应速率越快。 庞维新等人通 过 10 L 的静态反应器,发现气体温度对甲烷水合物的诱导期和生成速度也有重要影响,气体温度越低,甲烷水合物生成诱导期越短,生成速度越快。 同时,甲烷水合物生成热不能及时被带走, 反应液体温度将迅速升高,导致甲烷水合物生成速度很快变小甚至停止。 杨新等人通过 7 L 的反应釜在 0 ℃ 以上、0 ℃附近和 0 ℃ 以下三种不同温度下生成甲烷水合物, 发现甲烷水合物在 0 ℃以上生成比较快,在 0 ℃ 附近储气量大,水合物在整个砂层中分布比较均匀,在 0 ℃ 以下水合物生成主要受甲烷气体的扩散控制。 因此,可以通过对温度数据的分析来判定是否有天然气水合物生成,同时也可以根据温度的变化定性地分析天然气水合物的分布情况。 本文利用自行设计建造的天然气水合物新型三维模拟实验装置进行了水合物生成实验, 通过温度-压力的变化来研究储气罐内天然气水合物的生成过程