SDS和THF对甲烷水合物合成影响的实验研究_涂运中
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第22卷 第3期2008年6月现 代 地 质G E O S C I E N C E V o l .22 N o .3J u n .2008S D S 和T H F 对甲烷水合物合成影响的实验研究涂运中1,蒋国盛2,张 凌2,宁伏龙2,窦 斌2,吴 翔2(1.中国地质大学研究生院,湖北武汉 430074;2.中国地质大学工程学院,湖北武汉 430074) 收稿日期:2008-03-24;改回日期:2008-04-20;责任编辑:孙义梅。
基金项目:国家自然科学基金项目(50504012);“863”计划(2006A A 09Z 316);教育部新世纪优秀人才支持计划(N C E T -05-0663);中国地质大学(武汉)优秀青年教师资助计划资助项目(C U G Q N L 0725)。
作者简介:涂运中,男,博士研究生,1979年出生,地质工程专业,主要从事天然气水合物钻井理论与工艺技术方面的研究。
E m a i l :t u m i c h a e l @163.c o m 。
摘要:甲烷水合物的人工合成是实验室内进行水合物模拟地层钻探研究的关键步骤。
利用水合物合成及模拟微钻实验系统,分别进行了加入少量十二烷基硫酸钠(S D S )和四氢呋喃(T H F )的甲烷水合物人工合成试验。
通过对比实验,分析研究了S D S 和T H F 对甲烷水合物生成速度及生成量的影响。
实验表明,在纯水体系中加入微量的S D S 和T H F ,不仅能够促进甲烷水合物快速成核,还可以增加甲烷水合物的合成量,从而节省了大量的实验时间,这也便于对含水合物沉积地层钻探钻井液设计和水合物模拟地层微钻实验的深入研究。
关键词:甲烷水合物;微钻模拟实验系统;生成速度;十二烷基硫酸钠;四氢呋喃中图分类号:P 744.4 文献标识码:A 文章编号:1000-8527(2008)03-0485-04T h e S t u d y o n E f f e c t s o f S D Sa n dT H Fo n Me t h a n e H y d r a t e F o r m a t i o nT UY u n -z h o n g 1,J I A N GG u o -s h e n g 2,Z H A N GL i n g 2,N I N GF u -l o n g 2,D O UB i n 2,W UX i a n g2(1.G r a d u a t e S c h o o l ,C h i n aU n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ,W u h a n ,H u b e i 430074,C h i n a ;2.F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g ,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ,W u h a n ,H u b e i 430074,C h i n a )A b s t r a c t :T h e a r t i f i c i a l f o r m a t i o n o f m e t h a n e g a s h y d r a t e i s a c r i t i c a l s t a g e f o r t h e e x p e r i m e n t a l s t u d y o n d r i l l i n g i n s i m u l a t e d g a s h y d r a t e b e a r i n g s e d i m e n t .An a t u r a l g a s h y d r a t e f o r m a t i o n a n d m i n i d r i l l i n g e x p e r i m e n t a l s y s -t e mw a s b u i l t t o c o n d u c t m e t h a n e h y d r a t e f o r m a t i o n e x p e r i m e n t s w i t h a d d i t i o n o f s m a l l q u a n t i t y o f d o d e c y l s o d i -u m s u l f a t e (S D S )a n d t e t r a h y d r o f u r a n (T H F ).A c c o r d i n g t o t h er e s u l t s o f t h e c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t a n da n a n a l y s i s o f t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e d a t a a c q u i r e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t ,t h e p a p e r i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t s o f S D S a n d T H F o n t h e f o r m a t i o n r a t e a n d a m o u n t o f m e t h a n e h y d r a t e .T h e a u t h o r d r e wt h e c o n c l u s i o n t h a t w i t h t h e m i c r o -s c a l e u s e o f t h e s e t w o a d d i t i v e s ,t h e f o r m a t i o n o f m e t h a n e h y d r a t e i s s i g n i f i c a n t l y a c c e l e r a t e d ,a n d m o r e m e t h a n e h y d r a t e i s o b t a i n e d .T h u s ,a g r e a t d e a l o f t i m e n e e d e d f o r e x p e r i m e n t i s s a v e d ,a n d s p o n t a n e o u s -l y ,i t m a y b e g r e a t l y c o n v e n i e n t f o r f u r t h e r s t u d y o n d r i l l i n g f l u i d d e s i g n o f h y d r a t e b e a r i n g s e d i m e n t a n dm i n i d r i l l i n g t e s t o n s i m u l a t e d g a s h y d r a t e s t r a t a .K e y w o r d s :m e t h a n e h y d r a t e ;m i n i d r i l l i n g s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a l s y s t e m ;f o r m a t i o n r a t e ;S D S ;T H F 0 引 言天然气水合物是由水分子和碳氢气体分子组成的具有笼状结构的似冰雪状结晶化合物[1]。
由于其主要分布在深水或冻土地区,原状样品很难获取,因此,实验室研究所需样品通常为人工合成的。
实验室内水合物的生成过程包括气体分子在水(水溶液)中的溶解、晶核的形成和水合物的生长,它包括诱导和生长两个阶段[2]。
在纯水体系中,水合物的诱导时间长,水合物的晶体生长速度慢,生成的水合物储气密度低,难以满足实验的需要。
为解决这一问题,采用了多种方法促进水合物的快速生成。
目前应用比较广泛的是应用磁力搅拌装置,通过可无级调速的磁力搅拌子,促进水和气体的接触来加快水合物的生长速度,但是增加搅拌系统后,又会带来其他一些问题,如能量消耗增大、储气密度低等[3]。
而根据国内外的研究,通过加入少量的水合物生成促进剂,如十二烷基硫酸钠(S D S )、烷基多糖苷(A P G )、四氢呋喃(T H F )等[4-6],可以明显提高水合物合成的速度,这就使得实验研究的成本降低,实验效率得以提高。
而且,使用无搅拌合成系统,能够更好地模拟天然气水合物生成的真实环境,便于研究水合物生成的动力学规律[7]。
本文在此基础上,通过对比试验,研究了S D S 和T H F 这两种类型的水合物生成促进剂对甲烷水合物生成的影响。
1 实验部分1.1 实验装置本试验采用的装置是天然气水合物合成及微钻实验系统,其基本组成如图1所示。
它主要包括:(1)高低温实验箱,提供水合物生成和分解所需的温度环境;(2)高压反应釜,用于水合物合成和分解实验与水合物模拟地层的微钻实验,釜体上安装有透明窗口,供视频采集用。
反应釜工作压力可达50M P a ;(3)气体泄露报警装置;(4)高压气源,提供水合物合成所需的气体;(5)压力控制系统,包括高压控制台、空气压缩机和真空泵;(6)数据采集控制与显微摄像系统,采集和处理模拟实验系统中的数据,并对微钻系统的各个运行参数进行控制,显微摄像系统通过设在反应釜的透明窗口上的摄像头,实时观察反应釜内水合物形成分解及水合物模拟地层微钻时的变化情况,并显示在微机屏幕上。
该实验系统不仅能进行水合物的合成与分解的实验研究,而且还能进行水合物钻探与钻井过程控制、低温钻井液、水合物钻进物理力学性质研究。
此外,该实验系统还能提供稳定的低温、高压实验环境,可扩展应用于其他领域的科研测试工作。
1.2 材料与试剂本实验所用的甲烷气体由武汉弘盛工业气体有限公司提供,纯度为99.99%。
实验用水为经过去离子处理的蒸馏水。
十二烷基硫酸钠(S D S )取自国药集团化学试剂有限公司,四氢呋喃图1 水合物合成及微钻实验系统示意图F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f h y d r a t e f o r m a t i o n a n d m i n i d r i l l i n g e x p e r i m e n t a l s y s t e m1.高低温试验箱;2.高压反应釜;3.气体泄露报警装置;4.高压气源;5.高压控制台;6.空气压缩机;7.数据采集控制与显微摄像系统;8.真空泵(T H F )取自上海化学试剂有限公司,均为分析纯。
