天然氣水合物是由天然氣(主要是甲烷)和水在較低溫度和較高壓力條件下形成的籠形結(jié)晶化合物,具有分布廣、儲(chǔ)量大和能量密度高等特點(diǎn),是一種具有巨大潛力的能源資源。二氧化碳置換出甲烷的方式既能夠在保證水合物地層穩(wěn)定性前提條件下獲得豐富的甲烷,又能夠埋存大量二氧化碳以減輕溫室效應(yīng),是一種具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益的開(kāi)采方法。低場(chǎng)核磁技術(shù)可以用于二氧化碳置換出甲烷實(shí)驗(yàn)研究。
 

　　二氧化碳置換出甲烷是在特定的溫度和壓力范圍內(nèi),通過(guò)注入二氧化碳將水合物中甲烷置換出來(lái)并進(jìn)行收集的一種方法,主要是物理變化。
 

　　二氧化碳置換出甲烷的機(jī)理：
 

　　二氧化碳置換出甲烷的概念起源于減少溫室氣體排放的CO2煤層封存技術(shù)。理論上,CO2比CH4優(yōu)先吸附,通過(guò)注入CO2可實(shí)現(xiàn)煤層氣100%的最終采收率;但實(shí)際上,由于復(fù)雜的煤層地質(zhì)特征和工程技術(shù)所限,一般可使采收率提高25%。
 

　　目前的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)置換速率僅在實(shí)驗(yàn)初期比較可觀,隨后迅速減小,置換效率較低,不能滿足商業(yè)化開(kāi)采的需求。此外,CO2置換反應(yīng)微觀機(jī)理研究仍處于初級(jí)階段,對(duì)置換反應(yīng)物理過(guò)程的理解仍然不清楚。已有的實(shí)驗(yàn)研究探討了溫度、壓力、鹽度、甲烷水合物飽和度和CO2注入形態(tài)等因素對(duì)置換效率的影響,獲得了一些值得借鑒的結(jié)果,但是對(duì)于CO2置換法的物理過(guò)程的理解仍顯不足。因此,基于低場(chǎng)核磁技術(shù)的二氧化碳置換甲烷實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
 

　　二氧化碳置換出甲烷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要包括CO2水合物合成過(guò)程和甲烷水合物分解過(guò)程。其中,甲烷水合物分解方式包括吸熱(二氧化碳水合物合成釋放熱量)和降壓兩種方式。表層CO2水合物合成過(guò)程以及表層甲烷水合物分解過(guò)程通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于溶解態(tài)氣體在孔隙水或冰中的擴(kuò)散過(guò)程,而后者直接決定了深層甲烷水合物的分解速率。
 

　　低場(chǎng)核磁技術(shù)檢測(cè)二氧化碳置換出甲烷的變化：
 

　　利用低場(chǎng)核磁技術(shù)探測(cè)樣品中CH4中H元素的含量和分布而CO2分子中沒(méi)有H不產(chǎn)生NMR信號(hào)，當(dāng)測(cè)樣中吸附氣體含量和狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，可以通過(guò)低場(chǎng)核磁技術(shù)測(cè)得的T2譜中CH4的低場(chǎng)核磁信號(hào)來(lái)判斷，進(jìn)而分析各種氣體間的競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系和演化規(guī)律。