天然气水合物热物理特性表征与热输运机理研究

Thermophysical characteristics of natural gas hydrate are bases for investigation of reservoir formation,flow in wellbore, transportation & storage, subsequent utilization.Due to the special structure, thermal measurement technology and shortage of microscope thermal transport mechanism, thermal chracterization is challenging. Experimentally, the thermal conductivity, specific heat, thermal diffusivity and PVT relation of natrual gas hydrate in the whole process of formation and deformation will be measured simultaneously between -10℃-room temperature, 0.1-16MPa with the integration of harmonics detection and short-wire systems in order to investigate the interaction of the energy carriers, the temperature and pressure effects of thermophysical properties; Theoretically, the phonon and electron characteristics, the coupling between them in the natrual gas hydrate are investigated based on the crystal dynamics, and the microscopic heat conduction mechanism is analyzed; According to the experimental and numerical results, the energy transfer in the natrual gas hydrate and across the natrual gas hydrate –package body interfaces is investigated; Finally, the method of monitoring the characteristics of formation and deformation with thermal characterization is found.

天然气水合物热物理特性是其成藏机理、井筒流动、储运和后续利用研究的基础资料，但由于其特殊的结构、热测试技术的限制和微观热输运机理研究的缺乏，其热物理特性表征面临挑战。实验上，本研究拟应用谐波探测系统和短线法系统集成，在-10℃-室温、0.1-16MPa范围内测量天然气水合物合成和分解全过程、水合物与包裹体混合物的热导率、比热、热扩散率和PVT性质等热物理特性，从中获得载能粒子相互作用及其规律，揭示天然气水合物热物理特性的温度和压力效应；理论上，基于晶格动力学理论研究天然气水合物内部声子、电子运动规律，以及电子-声子之间的耦合作用对热输运的影响，分析微观导热机制；以实验测量和数值计算结果为依据，研究天然气水合物内部及与包裹体界面上的能量传递规律；找出利用热物理特性监测天然气水合物合成和分解特性的途径和方法。

天然气水合物热物理特性是成藏机理、有效开采、井筒流动和后续利用研究的基础资料，其自身热物理特性的准确表征方法极其缺乏。建立了水合物合成与独立探头–3ω法一体化测试系统。基于丝状独立探头和膜状独立探头，在合成天然气水合物和二氧化碳水合物的基础上，对水合物热导率、热扩散率、探头和水合物间界面热阻进行了实验表征。在考虑界面热阻的情况下，实现了独立探头与水合物之间界面热阻与热作用区域内水合物自身热阻抗的分离。所测甲烷水合物自身热导率在0.58~0.62 W·m-1·K-1之间。探头和水合物之间界面热阻平均大小为7.34×10-5 K·m2·W-1。在250-270 K范围内，水合物自身热导率、热扩散率和探头与水合物之间界面热阻均随温度升高而减小。高温下声子的U散射过程对于水合物自身热导起主导作用，而声子非弹性散射对界面热输运起主导作用。利用MD模拟了水合物的热导率，并分析了分子间作用力对热导率的影响；与声子输运理论相结合，研究了声子模式及声子动力学特性对水合物内部热输运和界面热输运所起的作用，揭示了天然气水合物的微观能量传递机理。