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、儲量大和能量密度高等特點,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)境雙重效益的開采方法。低場核磁技術(shù)可以用于二氧化碳置換出甲烷實驗研究。
二氧化碳置換出甲烷是在特定的溫度和壓力范圍內(nèi),通過注入二氧化碳將水合物中甲烷置換出來并進(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,通過注入CO2可實現(xiàn)煤層氣100%的最終采收率;但實際上,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%。
目前的實驗發(fā)現(xiàn)置換速率僅在實驗初期比較可觀,隨后迅速減小,置換效率較低,不能滿足商業(yè)化開采的需求。此外,CO2置換反應(yīng)微觀機(jī)理研究仍處于初級階段,對置換反應(yīng)物理過程的理解仍然不清楚。已有的實驗研究探討了溫度、壓力、鹽度、甲烷水合物飽和度和CO2注入形態(tài)等因素對置換效率的影響,獲得了一些值得借鑒的結(jié)果,但是對于CO2置換法的物理過程的理解仍顯不足。因此,基于低場核磁技術(shù)的二氧化碳置換甲烷實驗研究對于實際應(yīng)用具有重要意義。
二氧化碳置換出甲烷實驗過程中主要包括CO2水合物合成過程和甲烷水合物分解過程。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水合物合成過程以及表層甲烷水合物分解過程通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于溶解態(tài)氣體在孔隙水或冰中的擴(kuò)散過程,而后者直接決定了深層甲烷水合物的分解速率。
低場核磁技術(shù)檢測二氧化碳置換出甲烷的變化：
利用低場核磁技術(shù)探測樣品中CH4中H元素的含量和分布而CO2分子中沒有H不產(chǎn)生NMR信號，當(dāng)測樣中吸附氣體含量和狀態(tài)發(fā)生改變時，可以通過低場核磁技術(shù)測得的T2譜中CH4的低場核磁信號來判斷，進(jìn)而分析各種氣體間的競爭吸附關(guān)系和演化規(guī)律。
