甲烷水合物成核过程的实验研究进展(特邀)

甲烷水合物(可燃冰)作为一种储量巨大、分布广泛的清洁能源而备受关注。围绕甲烷水合物的开采、以固态水合物形式储运天然气和氢气等问题开展基础科学研究,具有重要的科学意义和应用价值。成核过程是甲烷水合物形成的关键第一步,由甲烷、水分子形成团簇并逐渐演化形成水合物的微观过程。然而,由于缺乏在高压环境下研究成核微观过程的有效实验方法,针对成核过程的实验研究进展缓慢。本文首先对气体水合物的结构及其性质进行了回顾;然后,以水合物演化的分子动力学模拟为基础,梳理现有关于水合物演化路径的初步认知;最后,以超快非线性光谱学方法为主,讨论了水合物实验研究的进展和展望。     

天然气水合物藏裂缝注热的数值模拟研究

天然气水合物因其能量密度大、储量丰富、无污染等特点而被认为是一种新型的替代能源,如何提升天然气水合物储层渗透率是实现其商业化开采的关键.本研究提出使用人工压裂技术在水合物储层中形成裂缝网络,然后再将高温水注入储层来提升储层渗透率,并对沿裂缝注水过程进行了数值模拟.结果表明:人工压裂后,注入储层的热水能够到达储层深处,形...     

笼形水合物的科学与技术研究以及在能源和环境领域中的应用

能源与环境是人们越来越关注的问题,而笼形水合物同时在这两方面展示出了巨大的应用前景:(1) 在广阔的海底大陆架中蕴藏着大量的以甲烷为主体的笼型水合物——天然气可燃冰;(2) 将大气中日益增多的二氧化碳装入笼型水分子中并沉于海底以降减温室效应;(3) 氢气可燃冰作为一种清洁的能源载体具有很高的能量密度、可重复再生、可快速充氢;(4) 利用笼形水合物的形成过程,可以有效地分离气体、降低能耗、减轻污染.虽然笼形水合物在工程应用以及科学研究中有着重要的价值, 但其晶体结构, 成键机制, 温压相图, 热化学与力学稳定性, 合成与分解的反应动力学, 声学弹性, 与海底沉积的反应, 以及扩散和输运性质等都有待深入的研究.目前,科学家已经研发或者正在探讨将高压和低温装置与中子衍射技术以及激光光谱、热学测量、超声技术等有机的结合在一起, 从而能够进行一系列的实验研究来解决诸多的基本科学问题. 高压及低温环境下的中子衍射装置在氢气、甲烷以及二氧化碳气体水合物体系研究中显示了巨大的优势, 并且在确定水合物晶体结构, 气体分子在水合物笼格中的占据情况, 以及气体分子在笼格中的分布状态等方面取得了巨大的进展.     

笼形水合物的科学与技术研究以及在能源和环境领域中的应用

能源与环境是人们越来越关注的问题,而笼形水合物同时在这两方面展示出了巨大的应用前景:(1)在广阔的海底大陆架中蕴藏着大量的以甲烷为主体的笼型水合物--天然气可燃冰;(2)将大气中日益增多的二氧化碳装入笼型水分子中并沉于海底以降减温室效应;(3)氢气可燃冰作为一种清洁的能源载体具有很高的能量密度、可重复再生、可快速允氢;(4)利用笼形水合物的形成过程,可以有效地分离气体、降低能耗、减轻污染,虽然笼形水合物在工程应用以及科学研究中有着重要的价值,仉其晶体结构,成键机制,温压相图,热化学与力学稳定性,合成与分解的反应动力学,声学弹性,与海底沉积的反应,以及扩散和输运性质等郜有待深入的研究.目前,科学家已经研发或者正在探讨将高压和低温装置与中子衍射技术以及激光光谱、热学测量、超声技术等有机的结合在一起,从而能够进行一系列的实验研究米解决诸多的基本科学问题.高压及低温环境下的中子衍射装置在氢气、甲烷以及二氧化碳气体水合物体系研究中显示了巨大的优势,并且在确定水合物晶体结构,气体分子在水合物笼格中的占据情况,以及气体分子在笼格中的分布状态等方面取得了巨大的进展.     

海洋天然气水合物模拟实验的超声检测

本文主要描述自行开发的U-sonic超声检测仪对天然气水合物在合成和分解过程中声学参数(如声速、频率、幅度)的变化进行声学检测,找出声学参数与水合物形成和分解之间的变化规律,以达到判断和预测水合物形成和分解的目的。     

激光拉曼光谱在气体水合物研究中的应用

天然气水合物是一种重要的潜在能源。用激光拉曼光谱法表征气体水合物能够为研究水合物形成机理和开采方法提供重要信息。系统介绍了激光拉曼光谱法的基本原理,综述了激光拉曼光谱仪在气体水合物微观表征上的各种实际应用。通过激光拉曼测试可分析水合物气体组成、推测结构类型,再利用经验公式或者相对定量法可计算出其大/小笼的气体占有率和水合数;利用原位拉曼技术可以观测水合物形成和分解的微观过程,解析气体分子进入和离开笼子的进程、进行水合物形成和分解过程中气体浓度变化及水合物形成过程中气体溶解度的测定,辨识水合物系统中的相变过程,进而研究水合物形成和分解动力学;激光拉曼光谱法还可用于研究超高压条件下气体水合物的结构及其变化过程。原位拉曼光谱能够对深海天然气水合物及其环境在原位进行表征;利用拉曼成像技术可以对水合物晶体表面进行系统测定,探求气体组分在晶体表面的分布。随着激光拉曼技术的发展及与其他设备联用水平的提高,激光拉曼光谱仪向便携,高灵敏度发展,能够更广泛深入地进行气体水合物微观研究。     

热力法开采地层天然气水合物的热动力评价

本文在推导热力作用下水合物地层温度分布基础上,发展了评价热力法开采天然气水合物的热效率(用于水合物分解的热量与输入总的热量之比)和能量效率(即输出能量与输入能量之比)的模型.模型分析表明,水合物地层热物性参数以及水合物饱和度决定了热力法开采的能量效率.在注入蒸汽开采初始条件下,能量效率可以达到7.0.     

水合物研制、结构与性能及其在能源环境中的应用

天然气水合物是与能源和环境相关的物质,可以进行甲烷等能源气体的存储和提取,也可以用于对二氧化碳等废气的封存.天然气水合物主要分为三种结构:sI, sII和sH,在本文中对其稳定性、水笼类型和大小以及可俘获气体进行了论述.中子衍射技术是研究水合物的重要手段之一,有着独特的优势.如中子的穿透性可以研究在高压状态下压力腔体内的大块样品;中子对于轻元素的敏感性可以很好地确定水合物当中的碳、氢、氧元素.通过中子衍射和非弹散射可以得到水合物中H/D原子的位置、各向异性振动因子、不同温度压力下的客体分子的水笼占据率、客体分子在水笼中的无序分布、原子核密度分布(通过最大熵方法);通过时间分辨中子,可以检测水合物形成及分解过程的热力学和动力学过程.而利用非弹中子可以得到气体分子平移和旋转振动模式以及分子的量子态转变.通过二氧化碳气体注入对天然气水合物的开采可以实现能源气体甲烷的开采和废气二氧化碳的水合物封存,在减小地质灾害和开采成本上有着独特的优势.     

水流动强化天然气水合物降压分解研究

降压法被认为是最经济可行的天然气水合物开采方法,但开采后期驱动力不足、甚至产生水合物的二次生成,因此其应用受到限制。本文将降压法与水流动结合提升水合物分解驱动力,研究不同降压模式和水流动对天然气水合物分解特性的影响。发现当降压结合水流动时,压降为水合物分解提供初始驱动力,且压降越大水合物分解驱动力越大。同时水流动能够加快传热传质过程,为水合物分解提供额外的驱动力。在快速降压结合水流动模式中,较高背压下水流动为水合物分解提供主要的驱动力;在梯度降压结合水流动模式中,降压和水流动共同为水合物提供分解驱动力,对水合物分解的促进作用更加显著。     

我国在海域试开采可燃冰成功

<正>今年5月中,一条"中国首次海域可燃冰试采成功"的消息由国土资源部中国地质调查局透过央视新闻对外发布,这标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。此消息一出,顿时成为充斥各大媒体的头条,中共中央、国务院对此项目的成功也发去贺电。在地球化石能源面临枯竭,环保状况日益严峻的今天,这个消息无疑像一颗炸弹,引起世界各国的高度关注。可燃冰是什么?可燃冰学名叫天然气水合物,分布在深海沉积物或陆上的永久冻土中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。由于外表像冰且有遇火燃烧的特性,故而又叫可燃冰。可燃     

天然气水合物相变测试用光纤传感器

介绍了一种用于海洋天然气水合物状态变化模拟实验中天然气水合物相变测试的光透射比光纤传感器.利用该传感器探测水合物状态变化过程中光透射比的变化，来测定水合物的相态变化.为了提高光纤传感器的测量准确度减小测量误差，在所研制的光纤传感器中采用了双光路结构，在测量透射光强的同时，测量参考光强以补偿光源光强的波动.另外，在光电转换电路中采用双探测器结构来消除光电探测器暗电流的影响.     

多相孔隙储层声学研究进展

本文回顾了关于油、气、水及水合物多相孔隙储层的声学研究进展,提出了"储层声学"的概念,阐明了其研究意义、研究内涵和方法,并介绍了油、气、水及天然气水合物储层声波模拟的部分新的研究成果。指出应该从声学理论和实验等出发,结合声学储层探测和精细描述的实际情况,如利用声学原理圈闭和估算天然气水合物等,继续深入开展相关基础理论和实验研究工作,丰富储层声学研究内容,更加完善储层声学理论体系,为更好利用声学方法探测和评价储层提供坚实的物理基础和可能的技术支撑。     

天然气水合物拉曼光谱研究进展

介绍了常见的几种类型气体水合物的拉曼光谱特征,从水合物晶体结构、生成和分解动力学过程、自然界水合物的分析鉴定及激光拉曼光谱原位探测等几方面对天然气水合物拉曼光谱研究的最新进展进行了综述,探讨了激光拉曼光谱技术目前存在的问题与挑战,指出了其在天然气水合物研究方面的发展趋势与工作重点。     

水合物储层的毛细封闭效应及高压突破机制

含下伏气的天然气水合物储藏是我国海洋水合物矿藏的重要类型,天然气水合物开采过程中,必须考虑下伏气存在产生的影响。目前,仍缺少针对下伏气产生机理的相关研究。本文利用核磁共振可视化实验装置,探究了水合物藏对其下伏气的封闭作用。结果表明,高饱和度水合物藏对外来流体具有阻碍作用,即毛细封闭作用。水合物的存在减小了孔喉半径,使多孔介质内存在较大的毛细管力,最终形成了抑制下伏气运移的水合物封闭层。水合物储层的封闭效应是下伏气稳定存在的基础。此外,降压过程产生的高压差会诱发水合物封闭层的高压突破现象、进而会引起压力骤降,威胁水合物安全开采。水合物开采过程应该考虑避免出现水合物储层高压突破。     

含下伏气沉积层内水合物相变与产气特性

含下伏气的水合物沉积层被认为是最具开采潜力的水合物储层类型。本文利用岩心夹持器在恒定围压9 MPa下,研究了连通不同压力下伏气的南海沉积物内天然气水合物生成、分解及产气特征。研究结果表明,水合物饱和度与下伏气初始压力(7.2～8.1 MPa)呈非线性正比关系,而在8.1～8.4 MPa内两者呈负相关。同时,发现在降压开采过程中下伏气为水合物分解提供热量,促进了水合物分解,提高了水合物平均分解速率。此外,下伏气有助于缓解压降速率,从而有效减轻有效应力对水合物沉积层的破坏。下伏气作为开采产气的重要供气源,能提高气体回收率。本文研究结论将为今后降压开采含下伏气的水合物提供一定的理论指导。     

天然气水合物快速合成可视化实验研究

水合物法储运天然气技术在安全、高效储运天然气方面极具应用潜力，其中甲烷水合物合成动力学又对该技术的发展至关重要。为此，实验研究了十二烷基硫酸钠(SDS)浓度以及初始压力、初始温度对四氢呋喃(THF)+SDS组合溶液中甲烷水合物合成动力学的影响规律。研究表明，SDS的加入显著地改善了水合物合成速率和最终气体吸收量，但随着SDS浓度增加动力学促进效果逐渐减弱，即存在动力学效果最佳的SDS浓度。此外，SDS不但加速了水合物的生长，而且随SDS浓度增加水合物的生长模式也由优先气相转变为优先液相。最后发现，甲烷水合物最终气体吸收量随初始压力和初始温度升高而增加，合成速率随初始压力升高而增加随初始温度升高而减小。     

碳化铝与水反应合成甲烷水合物的实验研究

 利用自行设计的高压气水合物实验装置,通过碳化铝与水反应成功合成了甲烷水合物。实验结果表明,碳化铝与水反应合成甲烷水合物的方法有效地解决了传统甲烷水合物模拟实验中甲烷气体引入问题;同时,碳化铝与水反应产生的甲烷及沉淀物能较好地模拟海洋环境中水合物形成的自然条件,为实验模拟甲烷水合物研究提供了一种新方法。利用此方法,对甲烷水合物合成与分解温度、压力条件及动力学过程进行了初步研究。     

水流侵蚀联合热辅助法水合物相变及分布特性

天然气水合物被认为是一种未来潜在替代能源,据估计全球大约90％的水合物分布在海底沉积层中.本文考虑到海洋环境中海水资源巨大,且表层海水的温度高于水合物储层,采用海水-气两相流动结合热辅助法分解水合物,并利用核磁共振成像系统可视地分析了水合物相变特性及空间分布规律.结果表明,水合物相变首先出现在反应釜入口处,随后水合物相...     

Span80促进甲烷水合物生成动力学研究

促进水合物快速生成是天然气水合物技术产业化的关键,表面活性剂作为水合物生成的促进剂,对其动力学促进作用进行研究十分必要.本文在已有的天然气水合物储气实验台上,利用高压反应釜,在温度为(274.15±0.10)K,压力为(8.30±0.10)MPa条件下研究了非离子表面活性剂失水山梨醇单油酸酯(Span 80)存在下的甲...     

B介子工厂的挑战

 在近年的科技报章上,经常出现“B介子工厂”这个词语。那么,究竟什么是B介子工厂?为什么要建造B介子工厂?它对粒子加速器和探测器技术提出了什么样的挑战?这篇文章就来谈谈这些问题。 （一）什么是B介子工厂? 大家知道,高能物理研究作为构成宏观物质“大厦之砖石的“基本粒子”的结构及其运动规律。“基本粒子”不但非常微小(尺度在10^-子、米量级),而且除质子、中子、电子和光子等少数粒子以外,大多数只能在宇宙线中找到或在实验中产生,而且寿命都很短。要深入研究“基本粒子”的性质,就必须获取尽可能多的粒子事例。那么,这些粒子是如何在实验室中“生产”出来的呢?