一种快速合成天然气水合物样品的方法与流程

本发明属于天然气水合物勘探开发与水合物利用技术领域，具体涉及一种快速合成天然气水合物样品的方法。

背景技术

天然气水合物已成为油气工业界长期以来的研究热点，其研究方向涵盖了水合物资源潜力、水合物利用潜力、水合物防治与水合物对环境的潜在影响等诸多方面。上述研究中往往需要考察水合物形成与分解过程的微观变化，从而实现对相关技术的改进与完善。但自然界天然气水合物样品特别是高纯度水合物样品不易获取，水合物研究中所需样品往往采用人工合成样品。通过实验模拟合成天然气水合物样品，不仅可考察水合物形成控制因素，而且可用于水合物分解模拟研究，为水合物相关技术改进与完善提供便利条件。

天然气水合物模拟研究现阶段开展得比较多。专利文献us9255234提出了一种以冰浆合成水合物的装置，包括冰浆生成单元、冰浆运送管路、水合物生成单元、水合物浆运送管路以及水合物浆分解单元等部件。以装置各组成部件的功能为主，反应介质为冰浆与气体，形成的是水合物浆，不是自然界水合物的常见形态，且未涉及加速反应技术。专利文献cn105259003a(一种合成海洋天然气水合物样品的实验装置和方法)，在水合物合成方法部分，公开了一种基于真实海底沉积物样品物性特征的多孔介质中水合物的合成技术，采用冰粉与甲烷气体合成水合物，可以合成各种预定形态的水合物样品。但反应介质局限于自然条件下的多孔介质，反应气体局限于甲烷；更重要的是反应过程中未使用任何加速反应技术，致使反应速度很慢。论文文献“甲烷水合物在冰粉石英砂混合物中的生成过程”研究了不同压力与特定温度条件下，特定粒度的石英砂与冰粉颗粒混合介质中甲烷水合物的形成过程，考察了压力对反应体系中甲烷水合物形成速度的影响。研究中所用反应介质局限于多孔介质，参与反应的气体局限于甲烷，且没有采用促进水合物合成速度的方法。

目前天然气水合物的实验模拟研究多以甲烷气体与水为反应物，气-液体系中合成的水合物形态不易控制，难以合成预定形态水合物。水合物合成研究中以冰粉替代水作为反应物，可以较好地达到控制水合物形态的目的。但冰粉在转化为水合物的过程中，随着冰粉外层水合物的形成，气体向冰晶格中的传质变得越来越困难，由冰直接形成水合物的速度会变得极其缓慢。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种快速合成天然气水合物样品的方法，该方法用冰粉取代水作为水合物样品合成的反应物，实现对预期合成的水合物样品形态的控制；同时采用反复升温降温的方法，反复地将被水合物样品包裹的剩余冰粉溶解为水，加快水合物样品的生成速率。

为此本发明提供了一种快速合成天然气水合物样品的方法，其包括以下步骤：

a，将冰粉以目标水合物合成形态填入反应釜的样品腔中，然后在低于冰点的恒定反应温度下，将水合物形成气注入反应釜至釜内压力高于生成水合物样品所需的压力，使所述水合物形成气与冰粉持续合成水合物样品；

b，当釜内压力的降低速率低于0.2mpa/天时，将反应温度提高并恒定在冰点以上、水合物样品的相平衡温度以下，使剩余冰粉融化为水，所述水与水合物形成气继续合成水合物样品；

c，将反应温度降低并恒定在冰点以下，使剩余的水转化为冰粉；所述冰粉与水合物形成气进一步合成水合物样品；

d，重复步骤b-c，直至冰粉完全转化为水合物样品。

在本发明的一些实施例中，步骤a中，任选地，以目标水合物合成形态，将冰粉与水合物样品赋存介质混合后，再填入反应釜的样品腔中。

根据本发明的一些优选实施例，依据目标水合物样品赋存介质的物性参数模拟制得水合物样品赋存介质。

在本发明的一些实施例中，所述目标水合物样品的赋存参数包括绝对渗透率、孔隙度、比表面积和密度。

在本发明的另一些实施例中，所述水合物样品赋存介质的粒度与冰粉的粒度的差值为0-50μm；优选地，所述水合物样品赋存介质的粒度与冰粉的粒度的差值为0μm。在本发明的一些优选实施方式中，步骤b中，所述水与水合物形成气进一步持续合成水合物样品12-24小时。

在本发明的一些实施例中，通过持续向反应釜内补充所述水合物形成气，使釜内压力始终高于生成目标水合物样品所需的压力。

根据本发明，所述的水合物形成气包括甲烷。

在本发明的一些实施例中，所述的水合物形成气还包括乙烷、丙烷和二氧化碳中的一种或多种。

根据本发明，当冰粉完全转化为水合物样品后，调整反应釜的样品腔内的温度与压力，使水合物样品处于相平衡条件。

本发明的有益效果为：本发明所述方法，采用特制的冰粉与水合物形成气作为合成水合物样品的反应物，在控制水合物形态方面达到预期目的，可准确地获得各种预期形态的天然气水合物样品；水合物样品合成过程中通过对温度的控制，使被水合物样品包裹的剩余冰粉不断融化，促进了水合物样品形成过程的微观传质作用，明显提高了水合物样品的合成速率，促进了天然气水合物样品合成技术的发展。

附图说明

下面将结合附图来说明本发明。

图1为本发明所述方法合成水合物样品的过程示意图。

具体实施方式

为使本发明容易理解，下面将结合附图详细说明本发明。

如前所述，目前天然气水合物的实验模拟研究难以合成预定形态的水合物样品。以冰粉替代水作为反应物，可以较好地控制水合物样品的形态。但随着冰粉外层水合物样品的形成，使得气体向冰晶格中的传质变得越来越困难，进而导致由冰粉直接形成水合物样品的速度会变得极其缓慢。

发明人通过研究发现，在水合物样品合成过程中通过对温度的控制，使被水合物样品包裹的剩余冰粉不断融化为水，可促进水合物样品形成过程的微观传质，明显提高水合物样品的合成速率。本发明正是基于上述方法作出的。

因此，本发明所涉及的快速合成天然气水合物样品方法的过程示意图如图1所示，具体包括以下步骤：

a，根据目标水合物样品的总量与种类，计算出所需冰粉的总量，根据目标水合物样品的形态与赋存状态，使用冰粉制作系统制作出合适粒径的冰粉；然后将制备的冰粉依目标水合物合成形态填入反应釜的样品腔中，整个填充的操作环境温度在冰点以下，保证冰粉不被融化；然后设定反应系统的温度为低于冰点的特定温度值，作为生成水合物样品的反应温度，将水合物形成气注入反应釜内至釜内压力高于生成水合物样品所需的压力，此时，反应釜内水合物形成气与冰粉开始自发地合成水合物样品；维持上述温压条件，使水合物形成气与冰粉持续合成水合物样品。

b，当水合物样品合成速率明显下降时，即当釜内压力的降低速率低于0.2mpa/天时，将反应温度提高并恒定在冰点以上、水合物样品相平衡温度以下，使剩余冰粉融化为水，所述水与水合物形成气继续合成水合物样品12-24h；期间不断地注入水合物形成气使釜内压力始终高于生成目标水合物样品所需的压力，水合物形成气与水以较水合物形成气与冰粉更快的速率合成水合物样品。

c，为了保证合成水合物样品达到预期形态，将反应温度降低并恒定在冰点以下，使剩余的水转化为冰粉；所述冰粉与水合物形成气再进一步生成水合物样品；期间不断地注入水合物形成气使釜内压力始终高于生成目标水合物样品所需的压力。

d，重复步骤b-c，通过反复降温升温，直至冰粉完全转化为水合物样品；然后调整反应釜的样品腔内的温度与压力，使合成的水合物样品处于相平衡条件。

根据本发明，步骤a中，任选地，以目标水合物合成形态，将冰粉与水合物样品赋存介质混合后，再填入反应釜的样品腔中。具体地，所述目标水合物合成形态可以为长条形、圆柱形和球形等。

根据本发明，依据目标水合物样品赋存介质的物性参数模拟制得水合物样品赋存介质。

在本发明的一些实施方式中，所述目标水合物样品赋存介质的物性参数包括绝对渗透率、孔隙度、比表面积、密度和粒度。

在本发明的另一些实施方式中，依据水合物样品赋存介质的粒度制备冰粉的粒度；优选地，所述水合物样品赋存介质的粒度与冰粉的粒度的差值为0-50μm；进一步优选地，所述水合物样品赋存介质的粒度与冰粉的粒度的差值为0μm。

根据本发明，所述的水合物形成气包括甲烷。

在本发明的一些实施例中，所述的水合物形成气还包括乙烷、丙烷和二氧化碳中的一种或多种。

根据本发明，步骤a之前，设定需合成的目标水合物样品的参数，包括水合物样品的赋存温度与压力(水合物样品的相平衡温度和压力)、水合物样品的饱和度、水合物样品的形态以及水合物样品的赋存环境(多孔介质或非多孔介质)。

实施例

为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。

实施例1：

实施例1展现的是模拟中国南海北部神狐海域sh2站位沉积物样品中分散状甲烷水合物样品的快速形成。

利用中国南海神狐海域sh2站位含有分散状甲烷水合物的海底沉积物样品，经测量获得其温度(8℃)、孔隙压力(13.5mpa)、绝对渗透率(5d)、孔隙度(0.48)、水合物饱和度(40％)、粒径(<450μm)、比表面积(17.399m²/g)、密度(2.6g/cm³)等参数数据。采用粒径为300-450μm范围的高纯度石英砂，依照所测真实海底含水合物样品的孔隙度、绝对渗透率、比表面积、密度和粒度等物性参数数据及实验用水合物合成反应釜的体积(5.8l)和石英砂多孔介质孔隙度、密度参数特征，共制备石英砂多孔介质7.84kg，并将所制备的石英砂多孔介质充分干燥。

通过所需合成的水合物样品总量计算出模拟所需的冰粉总量1.11kg，使用冰粉制作系统在低于0℃的常压环境下制作与多孔介质粒径相似或略小的冰粉。将冰粉以均匀分散状分布与所制备的石英砂多孔介质充分混合，并填充到反应釜的样品腔中。整个填充的操作环境温度均为0℃以下，以便保证冰粉不被融化。填充时间控制在1h以内，将反应釜全部填满后，关闭反应釜。

通过轴压控制系统、围压控制系统分别控制样品轴压、围压，并向反应釜注入甲烷气体，使反应釜内样品的压力达到sh2站位样品孔隙压力13.5mpa，以便模拟逼近真实的海底地质环境。水合物样品的形成首先保持反应釜温度为-5℃，在有利的温压条件下，反应釜中的甲烷气体与冰粉反应开始生成水合物样品。生成3天(72h)后，水合物样品生成速率明显降低。

此时将温度提高至2℃，促使冰粉融化为水，保持该温度让甲烷气体与水反应生成水合物样品达24h。然后再将温度降低为-5℃，保持该温度24h，直至水合物样品合成速率再次明显降低，此时升温至2℃。如此重复降温升温过程，直至冰粉完全转化为水合物样品。

将反应釜温度升至实际模拟的sh2站位水合物样品赋存温度(8℃)，通过注液系统将釜内的自由气驱除，期间保持压力与温度保持不变。随后，调整孔隙压力为实际模拟的sh2站位水合物样品赋存压力(13.5mpa)。静置一段时间后，水合物样品的温度与压力不再变化，此时逼近南海神狐海域sh2站位沉积物样品中分散状水合物样品合成完成。

实施例2：

实施例2展现的是高纯度水合物球合成方法，目标是合成直径为10cm的甲烷水合物球，用于常规天然气的水合物法储运技术研究。

首先，根据所需合成的水合物样品总量，取去离子水0.42kg，通过冰粉制作系统在0℃以下的低温环境下将去离子水制作成粒径为3-5mm的冰粉，然后将冰粉通过直径为10cm的球膜压制成直径为10cm的冰球。将冰球置于高压反应釜的样品腔中，关闭反应釜。

将反应釜内温度控制在-5℃。此时甲烷气体形成水合物球的临界压力为2.2mpa。向反应釜中物注入甲烷气，直至釜内压力升至5mpa，开始形成甲烷水合物球。随着水合物球的形成，持续向反应釜内补充甲烷气，维持压力恒定在5mpa，并使温度始终保持冰点以下(-5℃)。水合物生成2天(48h)后，水合物球形成速率明显降低。

此时，将系统温度提高至2℃，并保持该温度1天(24h)，使冰球融化为水，加速水合物球的反应进程。然后，为了保证所合成水合物球的形态，再次将温度降低至冰点以下(-5℃)。保持该温度24h，直至水合物球合成速率再次明显降低，此时升温至2℃。

如此重复降温升温过程，直至冰球完全转化为水合物球。调整系统温度与压力为水合物相平衡状态，高纯度甲烷水合物球的合成完成。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。