一种评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法及系统

1.一种评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其包括以下步骤：S1：样品制备S101：将反应釜内温度调节至测试温度T 测 ；S102：向反应釜中填充沉积物；所述沉积物包括两层，下层填充相为湿沉积物，用于提供封存区域；上层填充相为干沉积物，用于模拟所述封存区域上方的封盖层；S103：向反应釜中充入二氧化碳气体，在所述封存区域形成二氧化碳水合物，一段时间后二氧化碳水合物生成完毕；S104：将反应釜调转180°，此时所述封存区域位于反应釜的上层，所述封盖层位于反应釜的下层；向所述封盖层中充入海水至淹没封盖层的全部沉积物，反应釜内的气体从反应釜的顶部排出，当反应釜的顶部连续有海水排出时，海水饱和二氧化碳过程停止；继续向所述封盖层中充入海水使反应釜内压力达到测试压力P 测 ；然后将反应釜再次调转180°，此时所述封存区域位于反应釜的下层，所述封盖层位于反应釜的上层，进而在反应釜的下层形成包括沉积物、海水和二氧化碳水合物的封存区域，在反应釜的上层形成包括沉积物和海水的封盖层；在步骤S104完成后，所述封存区域不包括二氧化碳气体，所述封盖层不包括二氧化碳水合物；S2：测试过程在测试温度T 测 、恒定的测试压力P 测 、动态环境和/或静态环境的条件下，每隔一段时间分别从所述封盖层中的不同高度处取液态样品，测试其中的二氧化碳浓度；S3：样品分析基于从所述封盖层中的不同高度处所取的液态样品中的二氧化碳浓度，计算二氧化碳水合物的溶解-扩散退化速率，进而评价海底二氧化碳水合物稳定性。 2.根据权利要求1所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S102中，所述湿沉积物为沉积物和海水的混合物。 3. 根据权利要求1所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S103中，向反应釜中充入二氧化碳气体至反应釜内压力为3-4 MPa。 4. 根据权利要求1所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S103中，二氧化碳水合物生成完毕通过以下方式判断：当反应釜内的压力在1h中的降幅为0.01MPa以下时，则二氧化碳水合物生成完毕。 5. 根据权利要求1所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S2中，测试温度T 测 为3-7 ℃，测试压力P 测 为6-12 MPa。 6.根据权利要求1所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S2中，所述动态环境为在反应釜内海水存在流动行为的环境，所述流动行为通过向所述封盖层恒速注入海水进行模拟；所述静态环境为在反应釜内海水为静止状态的环境。 7.根据权利要求1所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，步骤S2具体包括：在测试温度T 测 、恒定的测试压力P 测 、动态环境和/或静态环境的条件下，每隔一段时间，采用取样器分别从所述封盖层中的不同高度处取液态样品，将取样器与闪蒸计量罐联通，通过闪蒸计量罐获得取样体积，液态样品中的水在闪蒸计量罐中进行闪蒸而去除，经闪蒸释放的二氧化碳气体进入盛有水的排水罐，二氧化碳气体使排水罐中的水排至排水计量罐，通过排水计量罐中的排水量获得闪蒸释放的二氧化碳气体体积，进而计算从所述封盖层中的不同高度处所取的液态样品中的二氧化碳浓度。 8.根据权利要求1或7所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S2中，从所述封盖层中的不同高度处取液态样品至少包括从所述封盖层的下表面处取液态样品，以及从距离所述封盖层的下表面某一高度处取液态样品。 9. 根据权利要求7所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S2中，所取的液态样品中的二氧化碳浓度通过以下公式计算得到： 式(1)式(1)中， 为所取的液态样品中的二氧化碳浓度，单位为mol/m 3 ； C 1 为液态样品经闪蒸释放的二氧化碳气体浓度，单位为mol/m 3 ； C 2 为液态样品经闪蒸未被释放的二氧化碳气体浓度，单位为mol/m 3 ；C 1 通过以下公式计算得到： 式(2)式(2)中， 为通过闪蒸计量罐获得的取样体积，单位为m 3 ； n 为液态样品经闪蒸释放的二氧化碳气体的摩尔量，单位为mol；n 通过以下公式计算得到： 式(3)式(3)中， P 0 为大气压，取值为101325 Pa； V g 为通过排水计量罐中的排水量获得的闪蒸释放的二氧化碳气体体积，单位为m 3 ； R 为气体常量，取值为8.31441J/(mol·K)； T 0 为室温，取值为293.15K； z 为压缩因子，取值为0.9945；C 2 通过以下公式计算得到： 式(4)式(4)中， 为二氧化碳气体在室温 T 0 、大气压 P 0 条件下在所采用的海水中的溶解度，单位为mol/m 3 。 10.根据权利要求7所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，步骤S2进一步包括：绘制所述封盖层中的不同高度处所取的液态样品中的二氧化碳浓度随取液态样品时间演化图。 11. 根据权利要求9所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S3中，在某一取液态样品时间，距离所述封盖层的下表面某一高度处的二氧化碳水合物的溶解-扩散退化速率通过以下公式计算得到： 式(5)式(5)中， DR 为距离所述封盖层的下表面某一高度处的二氧化碳水合物的溶解-扩散退化速率，单位为cm/year； J 为距离所述封盖层的下表面某一高度处的CO 2 扩散通量，单位为mol CO2 /m 2 /s； 表示在标况下1 mol CO 2 对应的理想气体体积； 表示1体积二氧化碳水合物在标况下储存160体积的CO 2 气体，其中的0.8为二氧化碳水合物的孔隙占有率；J 通过以下公式计算得到： 式(6)式(6)中， φ 为沉积物的孔隙率，单位为无量纲； dC/dx 为CO 2 浓度梯度； D S 为距离所述封盖层的下表面某一高度处的CO 2 扩散因子，单位为m 2 /s；“–”号表示扩散方向为CO 2 浓度梯度的反方向；D S 通过以下公式计算得到： 式(7)式(7)中， k =C x2 /C x1 ；C x2 为所述封盖层的下表面处所取的液态样品中的二氧化碳浓度，C x1 为距离所述封盖层的下表面的高度为x1处的所取的液态样品中的二氧化碳浓度，单位为mol/m 3 ； d 为x1处和所述封盖层的下表面处之间的距离，单位为m； t 为取液态样品的时间，单位为s；dC/dx 通过C x2 和C x1 的差值除以x1处和所述封盖层的下表面处之间的距离计算得到。 12.根据权利要求11所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，步骤S3进一步包括：绘制距离所述封盖层的下表面某一高度处的二氧化碳水合物的溶解-扩散退化速率随取液态样品时间演化图。 13.根据权利要求11所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，步骤S3进一步包括：计算距离所述封盖层的下表面不同高度处的二氧化碳水合物的溶解-扩散退化速率，绘制距离所述封盖层的下表面不同高度处的二氧化碳水合物的溶解-扩散退化速率随取液态样品时间演化图。 14.根据权利要求12所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，其中，在步骤S3中，海底二氧化碳水合物稳定性通过以下方式进行评价：基于距离所述封盖层的下表面某一高度处的二氧化碳水合物的溶解-扩散退化速率随取液态样品时间演化图确定溶解-扩散退化速率基本不随取液态样品时间变化时的数值，作为溶解-扩散退化速率极限值，根据所述溶解-扩散退化速率极限值的大小，评价海底二氧化碳水合物稳定性。 15.一种评价海底二氧化碳水合物稳定性的系统，其用于实现权利要求1-14中任一项所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的方法，所述系统包括：反应釜、温度调节装置、二氧化碳气体罐和恒压海水罐；其中，所述反应釜中填充有沉积物；所述沉积物包括两层，下层填充相为湿沉积物，用于提供封存区域；上层填充相为干沉积物，用于模拟所述封存区域上方的封盖层；所述温度调节装置设置于所述反应釜的外部，用于调节所述反应釜内温度至测试温度T 测 ；所述二氧化碳气体罐连接于所述反应釜，用于向所述反应釜的封存区域充入二氧化碳气体，在所述封存区域形成二氧化碳水合物；所述恒压海水罐连接于所述反应釜，至少用于向所述反应釜的封盖层中充入海水至至少淹没封盖层的全部沉积物，且使所述反应釜内压力达到测试压力P 测 。 16.根据权利要求15所述的评价海底二氧化碳水合物稳定性的系统，其中，所述系统进一步包括：取样器、闪蒸计量罐、排水罐和排水计量罐；所述取样器在使用时与所述闪蒸计量罐连通，所述排水罐中盛有水，所述闪蒸计量罐与所述排水罐连通，所述排水罐与所述排水计量罐连通；所述取样器用于从所述封盖层中的不同高度处取液态样品，所述闪蒸计量罐用于获得取样体积并用于将液态样品中的水进行闪蒸去除，所述排水罐用于接收经闪蒸释放的二氧化碳气体并使所述排水罐中的水排至所述排水计量罐，所述排水计量罐用于通过其中的排水量获得闪蒸释放的二氧化碳气体体积。