管道中天然气水合物的形成对“西气东输”的影响

“西气东输”是我国距离最长、口径最大的输气管线，将成为贯穿我国腹地的大动脉。管线位处北纬的寒冷环境，湿度低、压力大，形成的天然气水合物对管线的堵塞及其分解引起的危害是不容忽视的问题。本从天然气水合物的结构出发，对它产生条件和分解方法进行了研究，给出了管线中天然气水合物的抑制方法，并提出了实施过程中可能出现的环境问题。     

水合物藏钻探中的环空多相流溢流特性研究

含天然气水合物相变的环空多相流动问题是天然气水合物藏钻探过程中井筒流体力学问题的一个关键．考虑天然气水合物的相变,建立了溢流期间环空各相流体的连续性方程、动量方程以及能量方程．模拟计算结果表明：溢流期间,天然气水合物的生成区域会随着循环流量的增大或抑制剂浓度的提高而减小,可通过增大流量和抑制剂浓度使水合物的生成区域脱离海底,减小防喷器管线被堵塞的危险;水合物的生成使环空中气体体积分数降低,泥浆池增量减小,给溢流检测带来延迟;当检测到有气侵发生时,水合物藏分解速率比较小时,井筒中生成水合物的可能性要比分解速率大的情况下更为严重;水合物相变对井底压力的影响较小,在工程中计算井底压力时可以忽略;由于天然气水合物的生成使得关井套压值不能真实反应气侵情况,而且随着时间的增加情况会更加严重．     

天然气中的水合物对在运管线造成的影响及控制方法

通过对天然气中水合物以及水合物形成原因的的分析，结合西气东输管线投产以来水合物对输气场站设备及在运管线所造成的影响，论述天然气中水合物的危害，解决的方法和避免措施。     

瓦斯水合物在煤-表面活性剂溶液体系中的生成

利用自制水合物实验装置研究了温度为15.3～25.4℃、压力为0.41～24.72 MPa条件下4组煤-表面活性剂溶液体系中瓦斯水合物的生成过程,得到水合物生成的热力学参数,运用气体水合物生成速率理论对实验数据进行了计算.结果表明:表面活性剂的加入促进了水合物的生长,水合物的生成速度与表面活性剂的种类、浓度有关,不同种类的表面活性剂溶液虽然其浓度相同,但诱导时间和生成速度均有很大差异.对煤-气界面水合物不规则生长的现象进行了分析,认为表面活性剂的存在使煤体表面产生了促进水合物生成的吸附层.     

二氧化碳气体水合物生成特性的实验研究

在小型高压水合物反应装置上研究了二氧化碳水合物的生成特性.实验结果表明,静态系统下,二氧化碳气体在纯水体系中的生成速率非常缓慢,只在气-液界面处有一薄层浆状水合物生成.通过添加适当的表面活性剂可以有效改善气-水体系的传质阻力,增加气-水接触面,显著提高水合物的生成速率.     

s-III型低密度甲烷气体水合物物性的理论研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了s-III型水分子笼状结构和s-III型CH4气体水合物笼状结构的晶格常数、体弹模量等基本物性参数,发现在0~2.6 GPa压强范围内两种笼状结构均可以稳定存在,晶胞体积随着压强增大而近似线性减小. s-III型CH4气体水合物中由于CH4分子间的作用力导致甲烷水合物体积发生膨胀,但是体积增大幅度较小且比较均匀,平均增幅在3.97%左右. 最后根据能带结构和电子态密度计算结果发现s-III型CH4气体水合物为绝缘体,不具有导电性.     

压力对气-液水合反应驱动力的影响

为了得到气-液水合反应系统中气体水合物生成驱动力,给出气-液水合反应系统驱动力公式,分析气-液水合反应驱动力的求解过程,就压力对纯水中一元气体生成水合物驱动力的影响做定量研究.结果表明:等温条件下,随着压力的增大,气-液水合物系统摩尔吉布斯自由能变梯度由负值逐渐增大,丙烷水合物系统和硫化氢水合物系统的摩尔吉布斯自由能变梯度甚至由负变正,即水合反应存在"驱动力极大值".研究结果纠正了"压力越大,气体水合反应越快"的传统看法.     

煤层气水合物合成与分解实验研究

天然气水合物储气技术(NGH)是正在研究开发的天然气储存新技术,它比液化方式(LNG)节能并降低成本。为了揭示煤层气水合物生成与分解过程规律,利用实验室大型水合物实验装置研究了表面活性剂(SDS)水溶液体系中煤层气水合物的生成过程以及在水浴条件下分解时的特点。实验结果表明,煤层气在一定温度、压力下与水及表面活性剂(SDS)能够快速生成固态气体水合物,其分解受温度影响明显。这种新方式有助于利用水合物技术储运与加工煤层气,促进煤层气开发与利用。     

水合物氢气分离技术及相关动力学研究

水合物气体分离技术是根据不同气体分子生成水合物的条件不同而提出的，首次提出了利用水合物气体分离技术分离含氢气体的方法，并建立了一套水合物分离装置，对工业生产中的典型含氢气体混合物（CH4－H2混合气，CO2－H2混合气）进行了提纯实验，实验结果表明，水合物气体分离技术对氢气有较好的提纯效果，气流比是影响水合物反应速率的重要因素。利用简化的Englezos-Skovborg水合物生长动力学模型对实验数据进行了计算，结果发现，表征反应的综合影响因子k并非定值，而与进气浓度等因素有关。     

水-气体系生成水合物的缩泡动力学模型

在对海下沉积层中水合物的生成机理、水合物的生成实验现象和已有模型分析的基础上,提出了一种水-气体系水合物生成的缩泡动力学模型,认为溶液中气体首先形成气泡,然后和水反应形成水合物.模型以水合物体积的变化来表示水合物的生成速率,避免了单纯以化学反应过程或结晶过程表达水合物生成速率的缺陷,因此能够准确地表达水合物的生成过程.研究结果表明,在不同初始条件下的计算结果与文献结论一致,不同气体和不同传质系数条件下的计算结果经实验验证正确,甲烷、乙烷及混合气在相同初始条件下,乙烷水合物的层厚度大于甲烷和混合气体水合物的层厚度.在传质系数较大时,水合物的层厚度增加速度也明显较大,因此符合表面活性剂能够加速水合物生成的机理.     

瓦斯水合物在含煤表面活性剂溶液中生成影响因素

为促进瓦斯水合物快速生成以预防煤与瓦斯突出,利用可视化实验系统,进行了14.3～25.4 ℃和18.66～26.70 Mpa条件下三种含煤表面活性剂溶液体系中瓦斯水合物生成过程的实验研究,得到了生成过程的p-T-t关系.结合水合物生成速度和含气率等计算模型对实验数据进行了计算,并对计算结果和实验过程进行了分析.结果表明:表面活性剂的加入缩短了水合物生成诱导时间,提高了生成速度和含气率,合成的水合物样品含气率达到136～150;多孔介质(煤)的存在对水合物的生成有较小的延缓;记忆效应对瓦斯水合物生成影响显著,在拥有水合物分解残余五面体环等结构的实验体系中,水合物生成诱导时间缩短10～20倍.     

核磁共振成像原位监测冰融化及四氢呋喃水合物分解的微观过程

核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)可以通过物质在不同相态之间的亮度差别来识别物质相态的变化,冰、水和水合物之间较大的亮度对比使MRI成为监测水合物生成分解动态过程的有效工具.采用MRI原位监测了冰融化和四氢呋喃(THF)水合物分解的微观过程,从微观角度对比研究了THF水合物分解与冰融化过程的异同.冰融化和THF水合物的分解过程受传热程控,冰的融化和水合物的分解总是沿着固-液界面从外向内推进,消解速度持续加快.固相表面的"结构化水层"是冰和水合物立体结构瓦解的主要原因.THF水合物的分解过程与气体水合物不同,没有明显的"自保护效应".由于温度梯度产生的密度差异,液相产生自然对流,造成了水合物的分解及冰的融化过程中固-液界面运动的随机性.     

冰-水-气生成天然气水合物的实验研究

设计了冰 水 气生成天然气水合物的实验装置 ,并对冰 水 气在冰点以下生成的天然气水合物进行了初步实验 ,得出了在冰点以下关于天然气水合物的生成条件、生成速率等方面的结论 .研究结果对实现天然气水合物的开发利用 ,深入研究青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成规律 ,及未来开发冻土区天然气水合物的资源等 ,均有参考价值     

天然气水合物分解超孔隙压力研究

针对海洋油气资源开采和海洋工程施工过程中天然气水合物分解所引发的工程风险问题,展开了天然气水合 物分解超孔隙压力理论模型研究。研究中采用理论解析方法,基于水合物分解前后的相态模型和热力学中的通用气 体定律,推导了水合物分解导致的沉积物体积膨胀模型,进一步采用土力学中土体的压缩和回弹特性,最终获得了水 合物分解超孔隙压力理论解析模型。采用典型的海底滑坡工程案例,验证了模型的合理性与正确性,并针对模型中复 杂的影响参数展开参数考察,获得了不同参数的影响效应。研究对认识水合物分解产生的超孔隙压力的演变机理,保 证水合物的储层稳定性,规避水合物分解带来的工程灾害具有重要的理论价值和现实意义。     

水合物氢气分离技术及相关动力学研究

水合物气体分离技术是根据不同气体分子生成水合物的条件不同而提出的。首次提出了利用水合物气体分离技术分离含氢气体的方法 ,并建立了一套水合物分离装置。对工业生产中典型含氢气体混合物 (CH4-H2 混合气、CO2 -H2 混合气 )进行了提纯实验。实验结果表明 ,水合物气体分离技术对氢气有较好的提纯效果 ,气液比是影响水合物反应速率的重要因素。利用简化的Englezos Skovborg水合物生长动力学模型对实验数据进行了计算 ,结果发现 ,表征反应的综合影响因子k并非定值 ,而与进气浓度等因素有关     

考虑甲烷溶解的天然气水合物分解超孔隙水压力

天然气水合物的分解会生成大量气体和水,在土层渗透性较差的情况下,大量气体无法及时溢出,压力不易传导到外部,使土层的超孔隙水压力迅速增大,有效应力降低,同时水合物分解后其自身与沉积物的胶结作用大幅减小,导致沉积物强度降低,发生大规模变形或失稳,进而引发海底失稳等灾害。基于热力学基本理论,建立了考虑水合物分解产生的甲烷气体部分溶解的超孔隙水压力模型,并对其影响因素进行讨论,最后针对南海工况研究水合物分解对海床稳定性的影响。结果表明,水合物分解产生的超孔隙水压力随着水合物分解先迅速增大后缓慢增长最后趋于稳定;初始饱和度、塑性指数、水深、沉积物埋深、内摩擦角等是影响水合物分解产生的超孔隙水压力的关键影响因素;影响海床稳定性的关键不利因素是超孔隙水压力聚积而非土体强度弱化;生成的甲烷气体二次溶解使超孔隙水压力减小,一定程度上缓解了斜坡的滑动。     

蔗糖和凹凸棒石体系下抑制CO2水合物生成动力学研究

油气生产、储运及CO_2管道输送的过程中容易生成CO_2水合物,添加抑制剂是预防CO_2水合物生成的有效手段。采用蔗糖、凹凸棒石和蔗糖+凹凸棒石作为水合物抑制剂,利用可视化高压反应釜实验装置,在初始条件3 MPa和2℃下,研究其对CO_2水合物生成的气体消耗量、气体消耗速率、诱导时间和水合物生成量的影响。用压力变化法测定了CO_2水合物生成诱导时间,用动力学模型计算了气体消耗量和水合物生成量;并分析了蔗糖和凹凸棒石协同抑制CO_2水合物生成的微观机理。实验结果表明蔗糖有减少气体消耗量和水合物生成量的作用,凹凸棒石有延长水合物生成诱导时间和降低生成速率的作用,体系中同时存在蔗糖和凹凸棒石能展现出协同效应,抑制效果最佳的实验体系为30 g蔗糖+1 g凹凸棒石,较纯水体系的气体消耗量减少了18.8%,气体消耗速率峰值降低了60.9%,诱导时间延长了122.2%,水合物生成量减少了26.1%。以蔗糖+凹凸棒石作为水合物抑制剂效果良好,且经济环保。     

气体水合物生成条件的理论计算

以统计热力学为基础,建立了气体水合物生成条件－分解压力和分解温度的理论计算方法,并对７种以ＣＦＣ替代工质蓄冷媒的气体水合物的生成条件进行计算,计算结果与文献报道的实验数据比较吻合。     

喷雾法合成气体水合物的实验研究

为了寻求一种高效的气体水合物生产方式,提出了利用喷雾喷嘴高度分散液相的气体水合物生成装置,在不同的压力与表面活性剂条件下进行了实验．并结合晶体化学方法分析了喷射方式生成气体水合物的机理．验证了这种方式能够克服工业规模下水合物储存气局限性,将促进气体水合物储气应用技术的发展。     

气体组分变化对油井水合物生成温度的影响

近年来对于气井井筒水合物生成研究甚多,而对油井水合物的生成研究则较少,且由于在重力作用下油相将气、水两相隔开给水合物生成条件测试造成了困难。为此,将测定油气水三相水合物生成问题转化为原油脱出气与水生成水合物的问题,首先开展了油气水三相水合物生成条件测试实验,并以此为基础评价优选出了适用的水合物生成条件预测模型;然后结合油藏流体相图和井筒压力温度预测方法及采出井井流物天然气组成的动态相态数值模拟预测,讨论了天然气组成含量随井深的变化规律;最后采用井口、井深1 000 m和井深1 900 m处组分数据预测了井筒水合物生成温度剖面,验证了气体组分变化对井筒水合物生成温度的影响。实验及计算结果表明:不同含水率对水合物的生成条件并无影响,各模型中简化牛顿热力学模型误差为7.31%,预测精度相对较高;随井深增加,轻烃逐渐下降,重组分逐渐增大;最后指出,采用组分数据预测油井水合物生成温度剖面时,其数据选择尤为重要,否则可能导致预测的准确性降低。该研究成果对于准确预测油井水合物的生成条件具有重要的意义。