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天然气水合物是由天然气和水分子组成的类冰状固态结晶体,也称为甲烷水合物,俗称“可燃冰”。自然界中蕴藏的天然气水合物矿藏储量巨大。在自然界中,天然气水合物主要存在于寒冷的多年冻土带和海洋大陆架、陆地附近沿海海底沉积物中。近几十年来,众多学者已经对介质中水合物形成和分解、赋存条件及影响因素等进行了广泛研究。由于多孔介质内天然气水合物形成过程与土体在冻结过程中冰的形成过程类似,且自然界中的天然气水合物在多孔介质中的赋存形态与冻土中冰赋存形态也类似。因此,本文引入了可实时监测实验中水分变化的pF-meter探头,开展了不同土体中甲烷水合物形成和分解过程中的水分迁移和形成形态的实验研究,得到了如下几点结论:
1.实验中所用pF-meter探头可有效地实时监测水合物反应中介质内的水分变化,从而可分析水合物形成与分解中介质内水分运移。多孔介质中甲烷水合物的形成和分解均会引起介质内的水分迁移,从而引起土体中水分发生重分布。甲烷水合物形成过程会对介质内水分产生强烈吸附作用,介质内水分会向水合物附近迁移,水合物分解时释放水合物使介质内水分增多。
2.土体含水率为饱和时水合物主要在介质上部形成,引起中部水分向上迁移,中部水分减少后介质下部水分向中部补充；介质非饱和时,其内水分分布形态相差较大,水合物形成引起的水分在垂直方向上的迁移规律相差较大,粗砂介质水分由下向上迁移,细砂介质内水分会由上向下迁移,粉土介质对水分的吸持力强,水分在垂直方向上基本不迁移。饱和含水率土体内水合物形成引起的水分垂直方向上的迁移能力大于相同土体为非饱和时的迁移能力。水合物分解后介质内水中残存水合物笼型结构,这利于水合物二次成核,水合物二次形成过冷度比一次形成过冷度低4℃左右,介质内水合物易于二次形成。
3.水合物在介质内的形成规律及生成形态随介质水含量及介质物理性质的不同而呈现较大差异:饱和粗砂内水合物主要在粗砂上半部分形成且水合物呈分散状；饱和粉土内水合物全部形成于粉土表面且水合物呈块状；饱和细砂内的水合物也主要形成于细砂上部。另外,介质内水合物形成范围由粗砂、细砂、粉土依次减小,粉土水合物形成于表层,细砂形成于上部,粗砂形成于上中部,不同介质内水合物形成形态不同,使水合物形成过程中介质内垂直方向上的水分迁移规律也相应产生差异。
4.土体呈非饱和时,介质内孔隙不能被其内水分填满,介质存在大量气体通道,为甲烷气体在介质全部范围内传输提供有利条件,水合物可以在介质全部范围内以分散状形态形成。另外,由于介质物理性质不同,使非饱和介质内水合物主要形成区间不同,非饱和粗砂内水合物主要形成于介质上部,非饱和细砂内水合物主要形成与介质下部,非饱和粉土内水合物分布较均匀,因而由水合物形成引起的介质内水分迁移也彼此不同。
5.不同土体介质颗粒粒径差别较大,使介质对其内水分吸持作用不同,水合物在不同介质内的形成机制不同,而且形成机制与介质含水量大小直接相关。粉土内甲烷水合物初次、二次形成过程中,其内水分基质势变化与水合物形成引起的水分转化率呈直线关系,利用此直线关系可对两次形成反应过程中水的平均化学势变化进行粗略比较。