过冷合成砂-水-气体-甲烷水合物样品热物性测量实验方案

本实验的总体目标是测定由沙子、水、甲烷气体和甲烷水合物组成的样品的热力学性质。本课程有助于回答天然气开采技术领域中的关键问题，例如模拟天然甲烷水合物的产气过程。首先，将高压容器放置在振动台上。

将1.5升纯水倒入水瓶中，将4,000克石英砂倒入砂瓶中。准确称量各自瓶中水和砂的质量。然后，从水瓶中取1升纯水注入内体积为2,110立方厘米的高压容器中，直至水充满容器内部空间的一半。

开启振动台以振动整个容器。将振动频率设置为50赫兹，电源功率设置为220瓦。通过振动容器，去除排水管路和容器底部居中金属滤膜中的残留空气。

使用漏斗将3,300克石英砂从砂瓶中以约每秒1克的恒定速率倒入容器内，漏斗应靠近水面，同时振动整个容器以确保砂粒均匀密实。当水位达到容器边缘时，停止振动。在容器边缘放置一个环形临时挡水壁，以防止水溢出。

再次像之前一样振动容器，当沙子达到容器边缘时，关闭振动。使用排水管移除多余的倾倒水，并将其倒回水瓶中。移除临时墙。

通过以50赫兹、300瓦的功率振动容器一次或两次（每次1秒）来压实沙子，必要时添加更多沙子。称量沙子和水各自瓶中的质量。接着，根据沙瓶和水瓶的质量差，计算容器中沙子和水的质量。

本实验中，容器内沙子的质量为 3,385 克，容器内水的质量为 823.6 克。容器中水的质量记为 w total。用不锈钢盖密封高压容器，并按对角线顺序依次拧紧螺栓。

将高压容器从振动台移至用于实验的台面。用隔热材料覆盖高压容器以控制温度。然后将高压管路和冷却水管线连接到高压容器上。

打开进气和出气管道的阀门。以每分钟800毫升的流速通入10升甲烷，直至在大气压下无过量水排入捕集器为止。容器底部固定有一个居中的金属滤网，用于防止沙粒排出。

残余水停留在沙子表面，因为亲水性二氧化硅砂会吸收水分子。称量捕集器中水的质量 w_trap，以确定容器中气体的体积。测定残余水的质量 w_resi。

在此情况下，w resi 为 360.6 克，w trap 为 463 克。关闭输出气体管线的阀门后，注入甲烷，使容器内甲烷的注入压力在室温下升至约 12.1 兆帕。然后，关闭输入气体管线的阀门。

使用数据记录仪开始记录实验过程中容器内的压力和温度。开启冷水机，通过循环冷却液将容器从室温冷却至2.0摄氏度。让冷却液从冷水机流出，进入容器底部，然后流向容器盖，最后返回冷水机。

使用瞬态平面热源（TPS）分析仪软件设置测量参数，并根据文本方案中确定的方法计算过冷度。最关键的步骤是通过保持TPS传感器上过冷剂的温度升高来进行声纳常数测量。当过冷度大于2°C时，使用TPS分析仪同时测量导热系数、热扩散率和体积比热容。

每次测量后，在实验过程中手动交换 TPS 探头与分析仪之间的电缆。每三到五分钟收集一次数据。重复测量，直至过冷程度再次达到 2 °C。

在本实验中，过冷度最初随时间增加而上升。当过冷度达到最大值后，由于水合物形成导致压力下降，过冷度逐渐降低至0摄氏度。此处显示的是未受甲烷水合物熔化影响的温度曲线，以及受熔化影响的温度曲线。请注意，该曲线无法通过TPS技术进行分析，因为分析方程假设样品条件处于稳定状态。

图中显示了容器内压力、温度和过冷度随时间的变化。在系统达到压力和温度平衡后，甲烷水合物（MH）开始成核。此处展示了沉积物中甲烷水合物、水和甲烷气体饱和度随时间的变化情况。

饱和度通过气体状态方程计算得出。此处展示了一例热常数测量结果。双头箭头表示分析中所采用的数据范围。

分析1是范围选择不当的示例，分析2是范围选择恰当的示例。此处展示了每个范围内TPS反演分析的结果。同时显示了温度数据相对于线性拟合曲线的偏差。

如果选择了适当的分析范围，温差将变得很小且近似恒定。最后，显示导热系数随时间的变化、比热容随时间的变化以及热扩散率随时间的变化。