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,是一種具有經(jīng)濟和環(huán)境雙重效益的開采方法。低場核磁技術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。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,由于復雜的煤層地質(zhì)特征和工程技術所限,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置換反應微觀機理研究仍處于初級階段,對置換反應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,基于低場核磁技術的二氧化碳置換甲烷實驗研究對于實際應用具有重要意義。
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遠快于溶解態(tài)氣體在孔隙水或冰中的擴散過程,而后者直接決定了深層甲烷水合物的分解速率。
低場核磁技術檢測二氧化碳置換出甲烷的變化：
利用低場核磁技術探測樣品中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測得的T2譜中CH4的低場核磁信號來判斷，進而分析各種氣體間的競爭吸附關系和演化規(guī)律。
