天然气水合物形成机理.ppt

1、天然气水合物形成机理,构造聚集,根据流体的运移模式和水合物的规模，可把海底天然气水合物的聚集分为3种模式：(1)构造聚集，(2)地层聚集，(3)混合聚集。,1.海底水合物主要聚集模式,一、形成机理研究,地层聚集,混合聚集,三种聚集模式,2.水合物形成的主要控制因素,海洋及冻土水合物稳定带图,热成因气是干酪根在一定温度条件下经热降解作用形成的，其降解温度应该超过120时。来源于深部的热成因气体，要在较浅的沉积物中形成天然气水合物，必须要有良好的输导体系，保证有充足的流体载体、运移动力以及运移通道。 微生物成因甲烷主要由二氧化碳还原及醋酸根发酵作用形成，其形成是一个持续的动态过程。,（1）气体来源

2、分析,水合物的烃类气体来源主要有两种成因：微生物成因和热成因。,不同气体组分的天然气水合物形成的相平衡曲线,不同成因气体影响着气体组分，从而改变相平衡曲线，最终影响水合物形成的温压条件。 当含有乙烷、丙烷、CO2、以及H2S时，水合物在相对较高的温度和较低的压力（相对纯甲烷）就可形成。,微生物成因的甲烷气,热成因的甲烷气,水合物生成的平衡准则方程为:,（2）热力学条件是形成水合物最基本的要求,通常，物系中发生四种过程：热传递、功传递、相变和化学反应。相应于这些过程有四种平衡条件： 热平衡条件 力平衡条件 相平衡条件 化学平衡条件 Gibbs自由能最小 水合物形成同样需要满足这些条件,单元系相平

3、衡1,单元系相平衡2,（1）,对于含烃类溶质的富水液相，Holder等人对Marshall提出的计算式进行了简化。提出了 的计算表达式,的求取,对气体水合物相的描述则以van der Waals等人的等温吸附理论为主。,（2）,通过对朗缪尔常数 采用不同的计算方法，可以形成基于Van der Waals理论的多种改进模型。 通过对它们的求取，可以计算出水合物形成满足热力学条件的温压条件。,的求取,（3）生长动力学过程是水合物形成的本质体现,按气体状态，生成机理分如下四步： 气体分子的溶解过程水合物骨架的形成过程气体分子的扩散过程气体分子被吸附的过程,其中，晶核的形成比较困难，诱导期时间较长，诱

4、导时间与过冷程度的经验函数关系式,T,水合物生成过程示意图,在动力学上，天然气水合物的生成实际上是晶核的形成和晶体成长的过程。水合物的形成被分为三步：具有临界半径晶核的形成；固态晶核的长大；组分向处于聚集状态晶核的固液界面转移。,天然气水合物晶族生长图,实验室工作任务： 研究天然气水合物的物理化学性质、相平衡、生长动力学、生成/分解过程和水合物形成沉积物响应等相关基础问题以及天然气多相体系下的渗流作用机制，钻采方式下天然气水合物分解与再形成机理等。 实验室构成： 高压系统、冷却系统和测试系统3部分； 根据研究需要及技术能力再加工组合； 实验室意义： 天然气水合物的生成和分解过程的实验室模拟研究

5、为天然气勘探和未来的水合物开采创造技术条件，将大幅提升水合物研究实力，扩大研究影响力，促进水合物研究快速发展。,（1）室内模拟实验建设目的及构成,二、室内模拟实验研究,1.水合物模拟实验是开展研究的基础,国际天然气水合物实验室发展趋势： 实验综合性越来越强：除了可研究水合物相态外，还可以模拟水合物沉积地层、测试水合物及其地层的各项物理化学性质，研究水合物抑制剂等等； 可视化程度越来越高，微观研究越来越多； 实验模拟的环境越来越苛刻； 测试精度越来越高。,（2）国外实验室发展情况,美国在水合物实验室建设处于世界领先地位,美国能源部下属的国家能源技术实验室(NETL)、西北太平洋国家实验室(PNL

6、)、橡树岭国家实验室(ORNL)、布鲁克海文国家实验室(BNL)与劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(LLNL)、科罗拉多矿业学院(ColoradoSchoolofMines)的水合物研究中心和佐治亚理工学院(Geor-giaTech)水合物项目组建立的各种水合物实验模拟装置。,GHASTI装置,难度大、综合性强的当属美国地质调查局(USGS)和NETL合作历经近10年建成的天然气水合物与沉积物实验装置（GHASTLI），代表了当前天然气水合物物性模拟实验研究的最高水平。 该实验装置可模拟纯水合物及其在沉积地层中的合成和分解，研究它们的相态特征、物化属性、力学和动力学特性，具有加压降温方便、自动化程度

7、高、数据采集准确、安全可靠等特性。,国家能源技术实验室(NETL),塞型分解装置建于2000年，由直径2英寸、长36英寸的不锈钢单元组成。 用于生产水合物塞型样品或者水合物沉积物岩心，并用来进行各种不同的分解实验，以及相应数学模型的修正。,仪器名称：Micro DSC VIIa； 配置时间：2005年6月； 用途：主要用于水合物相平衡、动力学、热属性 ； 温度范围：-45C 120C ； 最大压力：400 个大气压。,科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)的水合物研究中心,拥有欧洲乃至全球先进的实验装置，建有2个实验室，拥有从低压到超高压、静态和动态等25套水合物

8、实验装置； 可用于动力学研究、相界研究、组分测量、以及水合物系统的可视化操作。,英国的赫里奥特瓦特大学(Heriot-Watt University)水合物研究中心,英国赫里奥特瓦特大学超高压水合物实验装置,水合物实验室1,中科院广州能源所水合物研究中心是国内研究实力最强的，除从法国ST公司进口了可视化水合物测试系统外，还自建了水合物热物性测试实验台、超声波测试台和二维模拟开采等实验装置。 中国石油大学(华东)设计了多孔介质中天然气水合物二维模拟实验装置，模拟多孔介质中天然气水合物的生成和开采环境，此外还建立了水合物合成与开采实验系统，可研究降压开采的相平衡和基本生产规律。 青岛海洋地质研究所

9、在海洋天然气水合物研究方面也做了大量的研究工作，于2001年11月自建了海洋天然气水合物模拟实验装置。该实验装置工作压力30MPa，工作温度-10，安装有可视化光纤摄像系统和声学光学检测系统。,（3）我国水合物实验室建设正快速发展,还有西安交大 、太原理工大学 、上海理工大学 、中国地质大学(武汉) 、大庆油田建设设计研究院等单位针对水合物研究不同方向建立了一些实验装置。,青岛海洋研究所水合物实验装置结构简图,高压反应单元与压力进气单元为瑞士buchi AG公司生产； 恒温单元为德国huber公司生产。 该实验台可以实现衡压进气，定量进气等功能， 可研究天然气水合物气液化学反应动力学。,中科院

10、广州能源所水合物研究中心,法国ST公司生产； 最高工作压力可达40MPa，温度调节范围为-20129； 反应釜中的温度由铂电阻测量，精度为正负0.1K；压力用精度为0.06%(即24kPa)的压力传感器测定； 容积的变化通过一台直流电机使反应釜内的活塞上下移动来实现。,天然气水合物合成系统,可视化水合物测试系统,探索水合物形成和分解的动力学条件，寻求防止水合物形成的抑制剂和阻化技术； 进行油-气-水系统中水合物生成的模拟实验； 建立预报水合物生成的预警系统，探索管道水合物生成防治技术。,采用瑞典Hot Disk AB 公司生产的热物性测试仪； 可高精度测量水合物等多种材料的导热系数、比热、热扩

11、散率。,天然气水合物物性测试实验系统,天然气水合物管道抑制研究系统,针对天然气水合物热力开采、置换开采、降压开采进行模拟 一维模拟：包括开采动力学、开采多相流体动力学特性和生成分解动力学特性研究； 二维模拟：包括开采分解前沿模拟，井网布置技术模拟等试验研究。,二维开采模拟试验系统示意图,（4）探测技术,探测技术的有效性是天然气水合物模拟实验研究的关键之一。目前国内外普遍采用的探测方法主要有光学、声学、电学以及温压法等几种。在不含沉积物的天然气水合物模拟实验中，光学方法是一种十分有效而灵敏的探测手段；在沉积物的天然气水合物模拟实验中，光学方法由于沉积物的阻挡而无法奏效，需要使用声学、电学以及温压

12、法。,光电探测技术 光电探测的主要功能是实现在高压平衡釜内压力与温度变化条件下，对釜内天然气水合物状态变化过程的可视化实时观察与记录，进行对温度压力变化条件下高压平衡釜内液体对光强透过特性变化影响的过程监测，以反映判断水合物的相变情况。 声学探测技术 声速是描述材料特性的基本声学参数之一，利用水合物的声速明显大于水的声速特征，当沉积物孔隙中生成水合物后，体系的声速应当升高，也就是说沉积物中水合物的存在可以引起纵波速度和横波速度的变化。,电阻法探测技术 水合物的生成导致剩余水中离子浓度增加，而液体导电性取决于溶液中的离子含量和活动性，因此测得的电阻变化在很大程度上反映了液体导电性的变化。 TDR（时域反射）探测技术 TDR技术不用考虑体系P-V-T的关系，通过测定体系的表观介电常数的变化来估算沉积物中孔隙水的含量。通过体系中液体水含量的变化来获取水合物的生成/分解信息。TDR探测技术在近2年才被应用到水合物的探测上，有广阔的发展前景。 温压法探测技术 通过分析实验过程中高压釜内温度、压力曲线的变化，以及气相与多孔介质中温度的微小差异来确定水合物的生成和分解，从而得出不同介质中天然气水合物的P-T平衡条件。,2.海底取样技术是真实模拟海洋水合物形成的前提,取样