多孔介质中水合物的核磁共振成像实验研究

发布时间：2020-04-13 12:51

【摘要】： 水合物与能源开采、流动保障、运输、全球气候变迁以及安全问题密切相关,因而受到了广泛的关注。水合物在为科学技术与人类社会的发展带来机遇的同时,也带来了许多问题和挑战。本文以多孔介质中水合物生成与分解规律为研究目的,利用设计搭建的核磁共振成像(MRI)实验平台,对四氢呋喃水合物、二氧化碳水合物及甲烷水合物进行了研究,计算了多孔介质的孔隙度及水合物的饱和度,确定了水合物的生长方式,分析了温度、压力及多孔介质对水合物生长与分解过程的影响规律,对阐明水合物生长和分解的机理及开展水合物开发利用的研究具有重要的理论和现实意义。 应用MRI对多孔介质的结构参数进行研究,结果表明MRI平均信号强度法与双峰阈值法可以得到多孔介质的孔隙度,但是前者不适用于小粒径颗粒,后者则存在阈值选择的主观性问题。利用平行毛细管模型、Kozeny-Carman模型或者Kozeny-Carman修正模型计算的渗透率,与实验值相比普遍偏高。利用MRI流动数据来计算渗透率,准确度将有所提高。 多孔介质对水合物形成与分解过程影响的实验研究显示,颗粒粒径越小,水合物成核时间越短,水合物生长速率越快。随着形成温度的升高,颗粒尺寸对水合物成核速率的影响变得明显。颗粒粒径越小,分解速率也越快。但对于四氢呋喃水合物,与温度的影响相比,颗粒尺寸对分解速率的影响很小。 温度对水合物形成与分解过程影响的实验研究表明,形成温度越低,水合物的诱导时间越短,水合物生长速率越快,最终饱和度也越高。压力相同时,水合物的诱导时间与过冷度呈指数关系变化,而生长速率与过冷度呈线性关系。对于分解过程,分解温度越高,水合物分解速率越快。 压力对水合物形成与分解过程影响的实验研究表明,形成压力越大,水合物诱导时间越短,生长速率越快。温度相同时,水合物的生长速率与压力几乎呈线性关系。压力对生长速率的影响随着生成温度的降低而增大。对于分解过程,分解压力越低,水合物分解速率越快。 综上,本论文利用MRI技术,对多孔介质中水合物的形成与分解过程进行了研究,为理解相关的水合物动力学提供了理论和实验支持。
【图文】：

分别是立方体I型，菱形立方体n型，六方体H型，以及一种还未命名的结构。I型水合物由5‘，和5‘262两种空间结构的空穴组成;11型由5‘2和5‘26‘两种组成;H型则由5‘2、4兮63和5’z6s三种组成。这三种类型水合物单元晶体的结构与尺寸如图1.1〔41和表1.1〔5〕所示。水合物主体分子即水分子间以氢键相互结合，客体分子与主体分子间以范德华力相互作用，这种作用力是水合物的结构形成和稳定存在的关键。外来分子尺寸则是决定其能否形成水合物、形成何种结构以及稳定性的最重要因素。当外来气体分子尺寸和晶穴尺寸相吻合时最容易形成水合物，水合物的稳定性也较强。外来分子太大则无法进入晶穴，太小则范德华力太弱，无法形成稳定的水合物。

水合物的形成过程是一个成核一微晶一结晶一聚集的过程。电阻法可以通过测量体系内离子或物理参数的变化对水合物的成核一微晶过程进行监测。Buffett等人通过电阻率的变化速率研究了水合物形成过程中的热力学和动力学，，实验系统如图1.3所示，他们认为电阻法可以量化水合物成核的规模〔’9，’。〕。电阻法适用于COZ等溶于水并可以电离的气体，对于CH4等气体，可以利用含有离子的水溶液进行实验，通过测量体系水量变化引起的电阻值变化来监测水合物生成。spangenberg等人〔2’〕即是利用NaCI溶液一甲烷体系的阻值变化来估算甲烷水合物的饱和度。(5)时域反射技术时域反射(TDR)技术，是根据体系的表观介电常数与含水量的正相关关系对水合物的形成与分解进行监测的技术。 wr1ght等人〔22〕发现水合物形成时，含水量降低，介电常数也随之降低。根据表观介电常数和孔隙水含量之间的经验关系即可确定实验岩心中水合物的饱和度。青岛海洋地质研究所天然气水合物实验室2004年建成一套天然气水合物地球物理实验装置
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P744.4

【引证文献】

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本文编号：2626016