置換結(jié)合降壓法開(kāi)采天然氣水合物的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求量與日俱增，能源的可持續(xù)供給日益成為各個(gè)國(guó)家的重要戰(zhàn)略問(wèn)題，天然氣水合物作為21世紀(jì)重要的后續(xù)能源，在世界范圍內(nèi)受到了廣泛的重視。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球天然氣水合物中的有機(jī)碳儲(chǔ)量相當(dāng)于所有已探明化石燃料的兩倍，如何對(duì)其進(jìn)行更高效的開(kāi)采，各國(guó)都在加快自己的探索步伐。二氧化碳的減排是國(guó)際環(huán)境保護(hù)的重要議題之一，與全球氣候變化密切相關(guān)，人們正在嘗試以水合物的形式把二氧化碳封存于海底。
　　在對(duì)二氧

2、化碳置換開(kāi)采天然氣水合物在熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的可行性、置換反應(yīng)的制約因素、置換率和置換速率的實(shí)驗(yàn)和模擬研究、以及置換機(jī)理的綜述的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套高壓低溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬了地質(zhì)層中的多孔介質(zhì)，原位生成甲烷水合物，圍繞影響置換反應(yīng)的主要因素:水合物的飽和度、溫度、壓力、二氧化碳的相態(tài)對(duì)置換率的影響，研究了置換反應(yīng)的特性，本文將二氧化碳相態(tài)變化、溫度、壓力因素與相平衡圖相結(jié)合，系統(tǒng)地討論了反應(yīng)的特性;在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合Avrami模型和收縮

3、核模型，擬合了置換反應(yīng)的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)可以分為表面置換階段和內(nèi)部置換階段，而制約置換反應(yīng)的主要因素是內(nèi)部置換階段中二氧化碳分子的擴(kuò)散阻力，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了不同工況條件下的詳細(xì)置換反應(yīng)過(guò)程;基于已進(jìn)行的置換反應(yīng)特性和機(jī)理的研究，針對(duì)傳統(tǒng)的置換方法置換速率和效率較低的現(xiàn)狀，我們提出了一種結(jié)合降壓過(guò)程的新型開(kāi)采方法，本方法旨在反應(yīng)的第二階段中使部分水合物分解，為二氧化碳的擴(kuò)散提供通道，文中詳細(xì)設(shè)計(jì)了該方法的操作步驟，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了不含

4、降壓過(guò)程的置換率，得到該方法可以有效的提升置換速率和置換率的結(jié)論，為強(qiáng)化二氧化碳置換法提供了一個(gè)新的思路。另外，本文做了相當(dāng)數(shù)量的置換反應(yīng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，充實(shí)了置換法開(kāi)采天然氣水合物的研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　本文研究發(fā)現(xiàn)，相平衡圖中區(qū)域A（液相二氧化碳）和區(qū)域C（甲烷水合物不穩(wěn)定區(qū)）比區(qū)域B（氣相二氧化碳及水合物穩(wěn)定區(qū)）更加有效。溫度位于冰點(diǎn)以下時(shí)將會(huì)制約置換過(guò)程，影響置換反應(yīng)的主要因素有兩個(gè):一是水合物的表面積即反應(yīng)面積，另一個(gè)是二氧化

5、碳的擴(kuò)散能力。區(qū)域A中較高的飽和度和較高壓力有利于置換反應(yīng)的進(jìn)行，區(qū)域C中較低的壓力較低的飽和度有利于置換反應(yīng)的進(jìn)行。區(qū)域B中，置換率隨飽和度先上升后下降，隨溫度上升而增大，冰點(diǎn)以下時(shí)溫度效應(yīng)并不明顯。
　　本文比較了三個(gè)區(qū)域的反應(yīng)溫度壓力信號(hào)討論置換機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，置換過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段為表面反應(yīng)階段，速率較快能夠和Avrami模型很好的擬合;第二個(gè)階段，由于二氧化碳擴(kuò)散受制約，反應(yīng)速率較慢，能夠和收縮核模型很好的擬合。