[发明专利]一种液态二氧化碳原位置换天然气水合物的方法

说明书

本发明涉及一种有利于开采甲烷气体的实验装置及方法，更具体地，涉及液态二氧化碳原位置换天然气水合物的装置及应用方法；所述装置包括若干甲烷气瓶、二氧化碳气瓶、真空泵、反应釜、数据采集仪、处理器、气相色谱仪，所述若干甲烷气瓶、二氧化碳气瓶、真空泵均与反应釜一端连接，所述数据采集仪、处理器、气相色谱仪顺次电连接，所述反应釜上设有用于检测压力的压力传感器和用于检测温度的热电阻，所述压力传感器和热电阻均与数据采集仪电连接；所述装置包括取样器和采气瓶，取样器和采气瓶安装于反应釜上。本发明提供一种可用于工程开采实践的置换甲烷水合物的方法，并且具有较高的置换效率和较长的反应时间。

技术领域

本发明涉及一种有利于开采甲烷气体的实验装置及方法，更具体地，涉及一种液态二氧化碳原位置换天然气水合物的方法。

背景技术

天然气水合物是水分子和甲烷分子在高压低温下形成的类冰状结晶物质，具有分布广、埋藏浅和规模大等特点，主要赋存于深度大于300米的海床及沉积物中，少数分布于陆地永久冻土带中。近年来数据显示全球天然气水合物中甲烷的总资源相比于常规天然气和页岩气储量非常巨大，天然气水合物是21世纪最具发展前景的清洁能源。十二五期间，广州海洋地质调查局发现南海海域的东部海域和神狐海域的天然气水合物中储存天然气超过1230亿立方米和1500亿立方米。该区天然气水合物层具有厚度大、储量大、饱和度高等特征，中国已于2017年5月在南海神狐海域成功开展海域天然气水合物开采试验。中国天然气水合物资源丰富，研究天然气水合物的安全商业性开发技术对提高中国天然气的供应能力与环境效益有很重要的意义。

已有的天然气水合物主要的开采技术有降压法、化学试剂法和热激法等。降压法是通过将天然气水合物的压力降低至局部温度所对应的相平衡线以下，初始水合物发生分解采集CH₄气体；化学试剂法是向水合物藏注入合适的化学试剂使天然气水合物的相平衡线向更为高压低温的条件偏移从而使储层的水合物处于不稳定状态而释放CH₄气体；热激法是通过向水合物藏注入热量以升高局部温度使水合物处于不稳定状态而分解释放出CH₄气体。以上三种技术都是通过改变天然气水合物的环境致使天然气水合物处于不稳定状态获得CH₄气体，但同时水合物的原位分解会致使储层结构发生破坏引发海底斜坡灾害危害海洋环境安全。进入20世纪以来化石燃料的燃烧及工业过程导致CO₂排放总量持续上升，二氧化碳补集与封存技术（CCS）是将CO₂从能源生产急及工业过程等源头分离和捕获进而封存和利用的过程，CCS技术被认为是应对温室效应问题最具发展前景的解决方案之一。CCS技术的最为关键阶段是对所捕获的CO₂进行封存防止其再次进入大气，目前CO₂封存技术主要是地质封存和海洋封存。其中CO₂海洋封存技术的基本原理是将CO₂注入海底多空床层内，在海底沉积物层高压低温的环境中形成稳定的二氧化碳水合物，但目前对海底封存仍存在争议，因此对二氧化碳置换天然气水合物的研究仍是当前新能源开发研究的重点。

研究者们采用拉曼光谱、核磁共振及磁共振成像等技术研究了二氧化碳置换天然气水合物过程的热力学相平衡和动力学微观机理及影响因素。研究表明置换过程的热力学和动力学可行性，而置换过程需要打破笼型结构使得CO₂分子和客体分子CH₄交换，同时水合物晶体保持完整。利用拉曼光谱研究表明，分子间交换的二氧化碳置换甲烷水合物时，水合物表层析出液膜与CO₂生成水合物，水合物形成置换薄层后使得分子的扩散将受到阻碍甚至终止置换过程。因此，这种气体分子在微观结构中扩散的原位置换过程是非常缓慢的，在大规模开采水合物中难以实现。

发明内容