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)油氣資源勘探開發(fā)的熱點(diǎn)。我國南海可燃冰資源量約為800億噸油當(dāng)量，但屬開采難度大的泥質(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，針對水合物成核、生長動力學(xué)特性以及水合物—黏土形貌學(xué)演化還缺乏深入認(rèn)識，尚無一致性的結(jié)論，亟待開展深入研究。
圖1.各種形態(tài)的可開采可燃冰
近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院氣體水合物與儲碳課題組殷振元副教授及合作者選取中國南海第二次試采區(qū)域（SH-W02-B井，271.3 mbsf）的原位沉積物樣品，開展了沉積物理化性質(zhì)測試分析，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力學(xué)實(shí)驗裝置，系統(tǒng)研究了該區(qū)塊沉積物對甲烷水合物的成核和生長動力學(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%）對甲烷水合物的生長動力學(xué)發(fā)揮顯著促進(jìn)作用。研究團(tuán)隊觀察到甲烷水合物的生長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)隊還發(fā)現(xiàn)，在甲烷水合物生成過程中，甲烷水合物的生成存在著初期緩慢生長階段和后續(xù)快速生成階段兩階段生長模式，其特征是氣體消耗量在經(jīng)歷初始緩慢生長之后快速增長，在300分鐘左右生成結(jié)束。研究通過高速攝像機(jī)觀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。研究觀察到水合物向沉積物內(nèi)部生長過程，存在顯著的生長前緣，并在氣相中觀察到大塊白色水合物固體。
此外，研究發(fā)現(xiàn)水合物生長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)一步為水合物生長提供了額外的氣-液接觸面積，從而促進(jìn)水合物快速生長。研究結(jié)果為深入理解泥質(zhì)粉砂沉積物對甲烷成核和生長動力學(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、儲層結(jié)構(gòu)演化等提供了新的見解，并為我國南海泥質(zhì)粉砂沉積物中天然氣水合物高效率開采方案設(shè)計提供了基礎(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程氣體吸收曲線和水合物-沉積物形貌演化過程
5月17日，相關(guān)研究成果以“南海泥質(zhì)粉砂型沉積物對甲烷水合物動力學(xué)和形貌學(xué)的影響——對水合物開采的啟示”（Effects of South China Sea clayey-silty sediments on the kinetics and morphology of CH4 hydrate: Implication on energy recovery）為題，在線發(fā)表于最近一期《應(yīng)用能源》（Applied Energy）。
清華大學(xué)深圳國際研究生院2021級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地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局教授級高級工程師陸紅鋒、匡增桂，高級工程師許辰璐、鄧煒，清華大學(xué)深圳國際研究生院2023級碩士生劉云霆、新加坡國立大學(xué)化工系教授普拉文·林加（Praveen Linga）。研究得到國家自然科學(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：深圳國際研究生院
題圖設(shè)計：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
