清華新聞網(wǎng)6月13日電 天然氣水合物，即“可燃冰”，是全球非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。我國(guó)南海可燃冰資源量約為800億噸油當(dāng)量，但屬開(kāi)采難度大的泥質(zhì)粉砂型水合物藏。細(xì)顆粒粉砂（平均粒徑10-20微米）和黏土礦物（<4微米）賦存其中，導(dǎo)致其具有滲透率較低、膠結(jié)差等特性，雖已實(shí)現(xiàn)兩次成功試采，但是工程試采經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)先于基礎(chǔ)研究。其中，甲烷水合物在低溫高壓海底原位狀態(tài)下與試采區(qū)塊沉積物相變-滲流耦合影響機(jī)制尚不明晰，針對(duì)水合物成核、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)特性以及水合物—黏土形貌學(xué)演化還缺乏深入認(rèn)識(shí)，尚無(wú)一致性的結(jié)論，亟待開(kāi)展深入研究。
圖1.各種形態(tài)的可開(kāi)采可燃冰
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院氣體水合物與儲(chǔ)碳課題組殷振元副教授及合作者選取中國(guó)南海第二次試采區(qū)域（SH-W02-B井，271.3 mbsf）的原位沉積物樣品，開(kāi)展了沉積物理化性質(zhì)測(cè)試分析，并在此基礎(chǔ)上，利用自主搭建的低溫高壓半可視水合物動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，系統(tǒng)研究了該區(qū)塊沉積物對(duì)甲烷水合物的成核和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)影響。研究發(fā)現(xiàn)，沉積物能夠顯著促進(jìn)甲烷水合物成核，在0.1 wt%低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，能使誘導(dǎo)時(shí)間由純水中的41分鐘縮短至27分鐘。研究還發(fā)現(xiàn)，較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（≥10 wt%）對(duì)甲烷水合物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)發(fā)揮顯著促進(jìn)作用。研究團(tuán)隊(duì)觀(guān)察到甲烷水合物的生長(zhǎng)引起水遷移和水合物-沉積物分層分布現(xiàn)象，并引起細(xì)顆粒組分的運(yùn)移。
研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，在甲烷水合物生成過(guò)程中，甲烷水合物的生成存在著初期緩慢生長(zhǎng)階段和后續(xù)快速生成階段兩階段生長(zhǎng)模式，其特征是氣體消耗量在經(jīng)歷初始緩慢生長(zhǎng)之后快速增長(zhǎng)，在300分鐘左右生成結(jié)束。研究通過(guò)高速攝像機(jī)觀(guān)察到沉積物懸浮液中甲烷水合物的形態(tài)演變：其生成最初發(fā)生在氣-液界面，隨后擴(kuò)展到液相中，生成大量的水合物顆粒，并伴隨爬壁現(xiàn)象，導(dǎo)致反應(yīng)器窗口上出現(xiàn)水合物團(tuán)塊。研究觀(guān)察到水合物向沉積物內(nèi)部生長(zhǎng)過(guò)程，存在顯著的生長(zhǎng)前緣，并在氣相中觀(guān)察到大塊白色水合物固體。
此外，研究發(fā)現(xiàn)水合物生長(zhǎng)期間沉積物顆粒分層現(xiàn)象，細(xì)顆粒沉積物伴隨水向上運(yùn)移而向上遷移，引起較大沉積物顆粒逐漸在底部聚集，后續(xù)在下部粗粒沉積層中觀(guān)察到大量白色水合物晶體，表明水運(yùn)移和細(xì)顆粒遷移暴露的沉積物骨架進(jìn)一步為水合物生長(zhǎng)提供了額外的氣-液接觸面積，從而促進(jìn)水合物快速生長(zhǎng)。研究結(jié)果為深入理解泥質(zhì)粉砂沉積物對(duì)甲烷成核和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、泥質(zhì)粉砂型沉積物-水合物形態(tài)學(xué)演化、水合物賦存模式、儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)演化等提供了新的見(jiàn)解，并為我國(guó)南海泥質(zhì)粉砂沉積物中天然氣水合物高效率開(kāi)采方案設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。
圖2.泥質(zhì)粉砂沉積物懸浮液中甲烷水合物生成過(guò)程氣體吸收曲線(xiàn)和水合物-沉積物形貌演化過(guò)程
5月17日，相關(guān)研究成果以“南海泥質(zhì)粉砂型沉積物對(duì)甲烷水合物動(dòng)力學(xué)和形貌學(xué)的影響——對(duì)水合物開(kāi)采的啟示”（Effects of South China Sea clayey-silty sediments on the kinetics and morphology of CH4 hydrate: Implication on energy recovery）為題，在線(xiàn)發(fā)表于最近一期《應(yīng)用能源》（Applied Energy）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021級(jí)博士生任俊杰為論文第一作者，殷振元為論文通訊作者。論文合作者還包括中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局教授級(jí)高級(jí)工程師陸紅鋒、匡增桂，高級(jí)工程師許辰璐、鄧煒，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2023級(jí)碩士生劉云霆、新加坡國(guó)立大學(xué)化工系教授普拉文·林加（Praveen Linga）。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳、廣東省自然資源廳、深圳科創(chuàng)委等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.123399
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
