气体水合物科学与技术（第二版）

本书侧重于气体水合物化学方面的研究，对于水合物地球科学方面只作简单介绍。
本书系统地介绍了气体水合物的结构和基本物性，气体水合物相平衡热力学及生成/分解动力学，油/气输送管线气体水合物防控技术，气体水合物固态储存和运输天然气技术，气体水合物法分离混合物技术，天然气水合物资源分布规律，天然气水合物资源勘探技术及开发技术，天然气水合物和气候环境间的关系等。本书在侧重介绍作者课题组近年来取得成果的同时，对国内外的进展也进行了较全面的介绍。
本书可以作为气体水合物的入门书，也可以作为从事气体水合物科学技术研究的科技人员的参考书。

第1章引言1

1.1 气体水合物研究历史简介1

1.2 气体水合物研究的现实意义2

1.3 本书的基本内容4



第2章气体水合物的晶体结构与基本性质6

2.1 气体水合物的晶体结构6

2.1.1氢键6

2.1.2冰的晶格结构7

2.1.3水合物的晶体结构特征7

2.2 客体分子对晶体结构的影响9

2.3 水合物结构测定技术10

2.3.1Raman光谱法11

2.3.2NMR波谱法13

2.3.3X射线多晶衍射法14

2.4 水合物结构研究进展18

2.4.1水合物结构受压力影响的相关研究19

2.4.2二元客体体系水合物结构与组成的关系20

2.4.3分解过程中水合物结构转化23

2.4.4H2参与生成的水合物的结构特征26

2.4.5H2气体分子在水合物晶格的扩散特征30

2.5 水合物的基本性质32

参考文献34



第3章气体水合物相平衡热力学37

3.1 经典van der Waals-Platteeuw型水合物热力学模型37

3.1.1van der Waals-Platteeuw模型(1959)38

3.1.2van der Waals-Platteeuw模型的改进46

3.1.3小结50

3.2 Chen-Guo水合物模型50

3.2.1局部稳定性和准均匀占据理论50

3.2.2水合物生成过程的动力学机理53

3.2.3基本热力学模型55

3.2.4多元气体水合物生成条件的预测59

3.2.5H型水合物的热力学模型62

3.2.6小结64

3.3 多元-多相复杂体系中水合物热力学生成条件65

3.3.1不含抑制剂的体系65

3.3.2含极性抑制剂的体系67

3.3.3含电解质(盐)体系71

3.3.4计算结果72

3.3.5小结79

3.4 多孔介质内水合物热力学生成条件80

3.4.1Clarke和Bishnoi模型80

3.4.2Klauda和Sandler模型82

3.4.3Chen和Guo模型84

3.4.4小结90

3.5 乳液体系水合物生成条件91

3.5.1亚稳态边界条件模型91

3.5.2计算结果与讨论93

3.5.3小结94

3.6 含水合物相的多相平衡计算模型94

3.6.1气-液-液-水合物四相闪蒸计算模型94

3.6.2气-水合物两相闪蒸计算模型105

3.6.3小结109

参考文献109



第4章气体水合物生成动力学114

4.1 水合物的成核动力学114

4.1.1成核概念114

4.1.2成核的微观机理116

4.1.3成核过程推动力关联式120

4.1.4成核诱导期测量与关联121

4.1.5水合物成核动力学的发展方向126

4.2 水合物生长动力学126

4.2.1水合物晶体生长形态126

4.2.2宏观生长动力学134

4.2.3界面水合物生长动力学148

4.2.4水合物生长动力学的悬浮气泡研究法158

4.3 水合物生成过程强化方法171

4.3.1喷雾171

4.3.2鼓泡172

4.3.3表面活性剂174

参考文献182



第5章气体水合物分解动力学188

5.1 引言188

5.2 冰点以上水合物的分解动力学特征188

5.2.1加热分解动力学188

5.2.2降压分解动力学189

5.3 冰点以上水合物分解动力学机理及数学模型193

5.3.1分解机理193

5.3.2数学模型194

5.4 冰点以下水合物的分解动力学特征197

5.4.1纯水体系中CH4水合物分解动力学特征197

5.4.2含SDS体系CH4水合物分解动力学特征199

5.4.3含活性炭体系中CH4水合物分解动力学特征200

5.4.4不同体系中CH4水合物分解动力学特征比较201

5.4.5乙烯水合物分解动力学特征203

5.4.6油水乳液体系CH4水合物分解动力学特征204

5.5 冰点以下水合物的分解机理及数学模型207

5.5.1水合物分解后的微观结构207

5.5.2分解机理208

5.5.3冰点以下水合物分解数学模型211

参考文献217



第6章油/气输送管线水合物防控技术219

6.1 传统热力学抑制方法219

6.1.1脱水技术219

6.1.2管线加热技术220

6.1.3降压控制220

6.1.4添加热力学抑制剂220

6.2 新型动力学控制方法220

6.2.1动力学抑制剂(KHI)221

6.2.2防聚剂(AA)227

6.3 作者实验室研究成果234

6.3.1KHI234

6.3.2AA237

6.4 现场油气田应用245

6.4.1KHI245

6.4.2AA247

参考文献249



第7章水合物法储运气体技术254

7.1 不同天然气储运方式的对比254

7.1.1管道运输255

7.1.2LNG储运255

7.1.3CNG储运255

7.1.4ANG储运255

7.1.5NGH储运255

7.1.6其他储运技术256

7.2 NGH技术经济性分析256

7.3 NGH生成过程强化方法258

7.3.1静态纯水体系中水合物生成状况259

7.3.2水合物生成过程的物理强化259

7.3.3水合物生成过程的物理化学强化261

7.4 NGH储运工艺270

7.4.1NGH生产工艺270

7.4.2水合物的储存及运输工艺275

参考文献277



第8章水合法分离气体混合物技术281

8.1 水合分离气体混合物技术研发进展281

8.2 水合分离技术的潜在应用领域282

8.3 水合分离气体混合物的模拟研究283

8.3.1水合分离含氢气体混合物283

8.3.2水合法分离C1、C2关键组分288

8.4 水合法分离气体混合物的几个典型概念流程298

8.4.1水合法分离高压加氢装置循环氢298

8.4.2水合法分离催化裂化干气299

8.4.3水合分离方法与深冷分离流程耦合改造传统乙烯分离流程301

8.5 吸收-水合耦合分离技术304

8.5.1吸收-水合耦合法分离原理305

8.5.2吸收-水合耦合法分离沼气（CH4/CO2）305

8.5.3吸收-水合耦合法分离IGCC混合气（CO2/H2）308

8.5.4吸收-水合耦合法分离裂解干气（CH4/C2H4/N2/H2）315

8.6 水合分离技术的研发与应用前景展望318

参考文献318



第9章天然气水合物资源分布322

9.1 天然气水合物成藏模式322

9.1.1海洋水合物成藏模式322

9.1.2我国南海潜在水合物成藏模式326

9.2 全球天然气水合物的储量327

9.3 全球天然气水合物资源的分布及其特征328

9.3.1天然气水合物资源的分布地点329

9.3.2天然气水合物的分布特征334

9.4 我国的水合物资源339

9.4.1海洋水合物资源339

9.4.2天然冻土带水合物资源341

9.4.3我国的天然气水合物远景资源评价342

9.5 小结343

参考文献344



第10章天然气水合物勘探技术353

10.1 天然气水合物地球物理探测技术353

10.1.1地震反演技术353

10.1.2测井法355

10.2 地球化学探测技术360

10.2.1与天然气水合物相关的气体特征360

10.2.2天然气水合物地层孔隙水的地球化学特征361

10.3 保真取芯技术363

参考文献364



第11章天然气水合物资源开发技术367

11.1 水合天然气开采的基本方法和原理367

11.1.1降压法367

11.1.2升温法370

11.1.3注抑制剂法371

11.1.4注气吹扫-置换法372

11.1.5组合开采法374

11.2 天然气水合物开采的实验和数值模拟方法375

11.2.1天然气水合物开采模拟装置及实验研究376

11.2.2天然气水合物数值模拟382

11.3 天然气水合物开采的野外试开采进展386

11.4 天然气水合物商业化开采面临的挑战和对策387

参考文献389



第12章气体水合物和气候环境395

12.1 天然气水合物的稳定性与分解396

12.2 天然气水合物的环境效应398

12.2.1天然气水合物与全球气候变化398

12.2.2天然气水合物与海底地质灾害401

12.2.3天然气水合物与海洋生态环境402

12.3 水合物技术在环境保护中的应用403

参考文献404



附录406

附录1 气体水合物生成条件数据集406

附录1-Ⅰ单组分体系的水合物生成条件数据406

附录1-Ⅱ混合体系水合物生成条件数据419

附录1-Ⅲ水合物在抑制剂和促进剂作用下的生成条件数据456

参考文献490

附录2 纯水体系水合物生成条件计算程序492

陈光进，中国石油大学，中国石油天然气集团公司油层物理化学及渗流重点实验室副主任、油气藏流体相态重点研究室主任、中国石油油气藏流体相态重点研究室主任、水合物研究室主任，教授、博导，主要从事高压流体相态和气体水合物方面的科学研究和技术开发。近年来主持国家自然科学基金重大项目课题1项、面上项目4项，“863”计划课题4项，省部级课题8项；发表论文百余篇，其中有70余篇被SCI收录。申请国内外发明专利30余项，其中已取得中国发明专利授权22项，国际发明专利2项；出版气体水合物专著1部、教材1部。2004年获中国石油化工协会科技进步一等奖，2010年获教育部自然科学奖一等奖，被国际大奖ENI Award提名为该奖2011、2012年度候奖人。指导的博士研究生1人获全国百篇优秀博士论文奖。 2003年获霍英东青年教师基金，2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2009年获得国家杰出青年基金。2007年被聘为“十一五”863计划海洋技术领域“天然气水合物勘探开发关键技术”重大项目总体专家。2000年被国际知名期刊“Chemical Engineering Science”聘为客座编辑；目前是《Current Physical Chemistry》的客座编辑，《Chinese Journal of Chemical Engineering》、《高校化学工程学报》和《The Open Thermodynamics Journal》的编委和天然气水合物专业委员会副主任。