天然气水合物形成主控因素实验研究

刘文娜 许天福 商松华 俞梓萌 贝科奇 田海龙*

（吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春130000）

1 概述

天然气水合物储量大，污染小等优越的特性决定了它将成为21 世纪具有竞争力新型能源。天然气水合物巨大的储量足以取替代日益减少的传统能源[1]。同时，天然气水合物的开发还具有潜在的科学价值。根据科学家的预测全球的天然气水合物的储量非常丰富[2]。目前，我国发现的水合物气藏主要分布在南海深海域和青藏高原冻土带[3]。水合物形成实验的关键在于如何监测水合物何时、何地形成。水合物的形成从物理、化学过程上是放热过程，理论上讲在水合物形成的位置温度要比周围高3℃左右[4]。因此我们利用了这种放热过程的特点，通过捕捉温度的骤然变化来定位水合物的形成位置。同时，海底真实环境下，包括沉积物、海水以及流动的甲烷气体等，为了最大真实的还原原位环境，我们设计的反应釜可以实现甲烷保压流动、填充真实海水、填充不同沉积物等，能够高保真度地再现海底水合物形成的动态过程。

2 研究方法

实验材料与方法:

本次实验采用自主研发的天然气水合物形成动态实验装置（图1）。反应装置具备：压力控制系统；温度控制系统；反应系统；实时数据采集系统。利用温度探头监测水合物形成时的放热过程，从而达到监测水合物形成的时间及空间位置。实验中将温度探头依次排列，左侧从上之下依次为1-6 号，右侧则为7-12 号。通过流动控制系统，将甲烷从反应釜底部向上通入。利用此实验装置进行水合物形成实验室模拟研究。

表1 实验系统参数

实验材料：纯度为99.9%的甲烷气体，所用水为去离子水，玻璃珠（1mm）和石英砂（0.35-0.9mm）两种沉积层介质。

实验步骤：将反应釜连接好后，检测反应釜的气密性，并用去离子水清洗反应釜；向反应釜内加入石英砂（玻璃珠）和去离子水，考虑到反应釜高度，玻璃珠与去离子水同时逐层加入，记录加入沉积物与去离子水体积；将反应釜密封好后，用甲烷气冲洗反应釜3 次，以排出反应釜内的空气；开启低温恒温箱控制温度的系统，设置恒温箱的温度达到反应预设温度T℃；使反应釜内压力达到实验预设压力，并静置1.5-3h 左右，使甲烷气在沉积物内渗透均匀，溶解于水溶液中。在此过程中不断通入甲烷气体，直到甲烷不再溶解。

图1 水合物合成实验装置原理图

3 结果与分析

3.1 不同温度条件下水合物形成研究

探究在动态实验条件下不同温度条件对甲烷水合物形成的影响，反应釜的压力保持7Mpa。反应釜温度分别为1℃，3℃，5℃，7℃。实验采用石英砂（0.35-0.9mm）作为水合物形成过程中的沉积层介质。

图2 动态条件下天然气水合物合成不同温度下温度变化曲线图

本研究由国家重点研究发展计划（2017YFC0307301）、国家自然科学基金（41877185）和国家自然科学基金（41772247）资助。

图3 甲烷水合物形成过程中不同盐度下温度变化曲线图

3.2 不同盐度条件下水合物形成

通过上述实验可知动态实验相对与静态实验水合物成核诱导时间较短，实验更容易开展，因此在动态实验条件下开展不同盐度条件对甲烷水合物形成的影响的实验，实验采用石英砂（0.35-0.9mm）作为水合物形成过程中的沉积层介质。反应釜的温度和压力为3℃和6Mpa，盐度分别为3.5%，4.5%时进行水合物的形成实验。

图3 为动态实验条件温度和压力保持3℃和6Mpa 的条件下甲烷水合物合成过程中下温度变化曲线图，从图可以看出，盐度为0%时，由于初始甲烷有小幅度的溶解，使得压力出现小幅度的下降，压力保持压力6Mpa 持续一段时间，3.6h 出现突然下降，由6Mpa 下降到3.4Mpa，此后压力逐渐降低并达到甲烷水合物相平衡状态。温度曲线开始保持3℃，在3.6h 出现突然增加。盐度为2%时，压力出现小幅度的下降，压力保持压力6Mpa持续一段时间，4.4h 出现突然下降，由6Mpa 下降到3.0Mpa，此后压力逐渐降低并达到甲烷水合物相平衡状态。温度恒定为3℃，在4.4h 出现突然增。盐度为3.5%时，压力出现小幅度的下降，压力保持压力6Mpa 持续一段时间，4.7h 出现突然下降，由6Mpa 下降到2.9Mpa，此后压力逐渐降低并达到甲烷水合物相平衡状态。温度曲线开始保持3℃，在4.7h 出现突然增加。盐度为4.5%时，初始甲烷有小幅度的溶解，使得压力出现小幅度的下降，压力保持压力6Mpa 持续一段时间，6.1h 出现突然下降，由6Mpa 下降到3.2Mpa，此后压力逐渐降低并达到甲烷水合物相平衡状态。

4 结论

4.1 不同温度对甲烷水合物形成的影响；在一定压力下，温度增大，则水合物成核诱导时间越大，即温度越大，水合物不容易成核，越不容易形成水合物。

4.2 盐度对水合物的形成有抑制作用；在一定的温度压力下，盐度的增加对天然气水合物的合成有抑制作用。