本書介紹了水合物的結構和基本物性，水合物相平衡熱力學及生成/分解動力學，水合物的控制技術，水合物固態(tài)儲存和運輸天然氣技術，水合物法分離混合物技術，地層天然氣水合物的分布規(guī)律，天然氣水合物勘探開發(fā)方法，天然氣水合物和氣候環(huán)境間的關系等。
本書可以作為從事氣體水合物研究人員的入門書，也可以作為從事氣體水合物科學技術研究的科技人員和相關專業(yè)高校師生的參考書。
本書側重氣體水合物水合物化學方面，對于水合物地球科學方面只做簡單介紹。內容包括水合物的結構和基本物性，水合物相平衡熱力學及生成/分解動力學，水合物的控制技術，水合物固態(tài)儲存和運輸天然氣技術，水合物法分離混合物技術，地層天然氣水合物的分布規(guī)律，天然氣水合物勘探開發(fā)方法，天然氣水合物和氣候環(huán)境間的關系等。它可以作為氣體水合物的入門書，也可以作為從事氣體水合物科學技術研究的科技人員的參考書。
第二版前言
本書第一版對氣體水合物科學與技術國內外進展作了較全面介紹，因而受到讀者廣泛歡迎，成為相關科技人員和研究生的重要參考書籍，對國內氣體水合物的研究起到了一定的推動作用，并榮獲2010年中國石油和化學工業(yè)優(yōu)秀出版物獎一等獎。十多年來，天然氣水合物研究在國內外方興未艾，天然氣水合物資源勘探和試采取得重大突破。我國政府2017年11月17日將天然氣水合物正式批準為第173個礦種。氣體水合物形成了以熱力學、生成/分解動力學基礎研究、天然氣水合物資源勘探與開發(fā)、氣候環(huán)境、管道氣體水合物抑制技術研發(fā)、天然氣固態(tài)儲存和水合法分離氣體混合物等新型應用技術研發(fā)為基本方向的研究格局。為介紹國內外的最新進展，同時吸取作者課題組近十年來的最新成果，決定對原書進行必要的修訂補充后再版。
本次修訂在第一版的基礎上對各章節(jié)作了部分增刪。第1章主要增補了第一屆至第九屆國際氣體水合物大會主題變化的情況；第2章主要增補了分解過程中氣體水合物結構轉化以及H2參與生成的水合物結構特征及其在水合物晶格的擴散特征；第3章主要增補了Chen和Guo模型在多孔介質內氣體水合物熱力學生成條件方面的應用以及乳液體系水合物相平衡模型；第4章主要增補了氣體水合物成核微觀機理、水合物晶體生長形態(tài)、油水分散體系氣體水合物生長動力學、氣體水合物膜生長動力學等方面的最新進展；第5章主要增補了油水乳液體系中的水合物分解動力學方面的研究成果；第6章主要增補了作者課題組在動力學抑制劑和防聚劑方面最新的研究成果；第7章主要增補了水合物法儲運在水合物生成過程強化方面的成果；第8章主要增補了吸收-水合耦合分離技術在分離沼氣、IGCC混合氣、裂解干氣等方面的進展；第9章主要對天然氣水合物成藏模式、天然氣水合物儲量及其資源分布進行了更新；原第10章拆分為兩章，其一為天然氣水合物勘探技術（第10章），其二為天然氣水合物資源開發(fā)技術（第11章），主要增補了注氣吹掃-置換法、組合開采法、天然氣水合物開采的實驗和數值模擬方法及野外試開采等方面的最新進展，并指出了商業(yè)化開采面臨的挑戰(zhàn)和對策；原第11章氣體水合物和氣候環(huán)境修訂為第12章。附錄部分增補了純水體系水合物生成條件計算程序并更新了部分水合物生成條件數據。
本次修訂工作的分工是：第3章內容由馬慶蘭副教授修訂，第4章至第7章內容由孫長宇教授修訂，其他章節(jié)內容由陳光進教授修訂。聊城大學袁青博士、西南石油大學劉煌博士、中國石油大學（北京）(作者課題組)研究生肖朋、秦慧博、李銳、謝炎、鐘瑾榮等參加了本書其他相關的修訂工作。
本書第一版出版后，許多讀者對本書提出了不少寶貴的意見，我們非常感謝。也希望讀者對第二版給予批評指正，以便將來再修訂。
陳光進
2019年6月
第一版前言
隨著20世紀80～90年代海底天然氣水合物在全球范圍內的大量發(fā)現，氣體水合物已成為能源領域和資源領域的一大研究熱點。由于氣體水合物還和常規(guī)油氣開發(fā)、運輸和加工以及一系列新技術開發(fā)、全球氣候變化等密切相關，氣體水合物受到了更加廣泛的關注。國內有關氣體水合物的研究起步較晚，目前還沒有一部全面介紹氣體水合物的著作，為填補這一空白，作者撰寫了本書，希望能對國內氣體水合物的研究起到一定的推動作用。氣體水合物研究具有典型的跨學科性，主要涉及化學和地學兩大學科。由于作者專業(yè)的限制，本書側重化學方面，地學方面只作簡單介紹。本書內容包括水合物的結構和基本物性、水合物相平衡熱力學及生成/分解動力學、油氣輸送管線水合物防控技術、水合物固態(tài)儲存和運輸天然氣技術、水合物法分離氣體混合物技術、地層天然氣水合物的分布規(guī)律、天然氣水合物資源的勘探開發(fā)方法、天然氣水合物和氣候環(huán)境間的關系等。本書在側重介紹作者所在課題組近年來取得的成果的同時，對國內外的進展也進行了較全面的介紹，它可以作為氣體水合物的入門書，也可以作為從事氣體水合物科學技術研究的科技人員的參考書。
本書是集體勞動成果。孫長宇教授負責撰寫了第4、6、9章，馬慶蘭副教授負責撰寫了第3章，李清平博士合作撰寫了第11章，其他章節(jié)由陳光進教授撰寫。郭緒強教授和楊蘭英老師，研究生梁敏艷、陳立濤、張芹、王秀林、龐維新、楊新、趙新明、王復興等參加了本書的撰寫工作，胡玉峰教授、朱建華教授、劉艷升教授、伍向陽教授等對本書的撰寫提供了許多寶貴的建議，在此對他們表示感謝。還要感謝楊繼濤教授、裘俊紅教授、樊栓獅教授、程宏遠博士、閻立軍博士、梅東海博士、楊濤博士、閻煒博士、馬昌峰博士、王璐琨博士、張世喜博士、林微博士、張凌偉博士、黃強博士、羅虎博士、羅艷托博士，廖健、劉犟、王峰、王秀宏、吳志愷、岳國梁、馮英明、丁艷明、王文強、楊琨超、張翠玲、彭寶仔等碩士，他們在本研究室期間的出色工作為本書提供了很好的素材。感謝國家自然科學基金(NO.20490207)、國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)、中國石油和中國石化的大力支持。本書撰寫過程中，限于時間和作者能力，疏漏、不當之處在所難免，懇請讀者批評指正。
謹以此書緬懷國內水合物研究的開拓者、我們尊敬的郭天民教授!
陳光進
2007年5月
陳光進，中國石油大學，中國石油天然氣集團公司油層物理化學及滲流重點實驗室副主任、油氣藏流體相態(tài)重點研究室主任、中國石油油氣藏流體相態(tài)重點研究室主任、水合物研究室主任。，教授、博導，主要從事高壓流體相態(tài)和氣體水合物方面的科學研究和技術開發(fā)。近年來主持國家自然科學基金重大項目課題1項、面上項目4項，863計劃課題4項，省部級課題8項；發(fā)表論文百余篇，其中有70余篇被SCI收錄。申請國內外發(fā)明專利30余項，其中已取得中國發(fā)明專利授權22項，國際發(fā)明專利2項；出版氣體水合物專著1部、教材1部。2004年獲中國石油化工協(xié)會科技進步一等獎，2010年獲教育部自然科學獎一等獎，被國際大獎ENI Award提名為該獎2011、2012年度候獎人。指導的博士研究生1人獲全國百篇youxiu博士論文獎。 2003年獲霍英東青年教師基金，2005年入選教育部新世紀youxiu人才支持計劃，2009年獲得國家杰出青年基金。2007年被聘為十一五863計劃海洋技術領域天然氣水合物勘探開發(fā)關鍵技術重大項目總體專家。2000年被國際知名期刊Chemical Engineering Science聘為客座編輯；目前是《Current Physical Chemistry》的客座編輯，《Chinese Journal of Chemical Engineering》、《高�；瘜W工程學報》和《The Open Thermodynamics Journal》的編委和天然氣水合物專業(yè)委員會副主任。
第1章引言1
1.1 氣體水合物研究歷史簡介1
1.2 氣體水合物研究的現實意義2
1.3 本書的基本內容4
第2章氣體水合物的晶體結構與基本性質6
2.1 氣體水合物的晶體結構6
2.1.1氫鍵6
2.1.2冰的晶格結構7
2.1.3水合物的晶體結構特征7
2.2 客體分子對晶體結構的影響9
2.3 水合物結構測定技術10
2.3.1Raman光譜法11
2.3.2NMR波譜法13
2.3.3X射線多晶衍射法14
2.4 水合物結構研究進展18
2.4.1水合物結構受壓力影響的相關研究19
2.4.2二元客體體系水合物結構與組成的關系20
2.4.3分解過程中水合物結構轉化23
2.4.4H2參與生成的水合物的結構特征26
2.4.5H2氣體分子在水合物晶格的擴散特征30
2.5 水合物的基本性質32
參考文獻34
第3章氣體水合物相平衡熱力學37
3.1 經典van der Waals-Platteeuw型水合物熱力學模型37
3.1.1van der Waals-Platteeuw模型(1959)38
3.1.2van der Waals-Platteeuw模型的改進46
3.1.3小結50
3.2 Chen-Guo水合物模型50
3.2.1局部穩(wěn)定性和準均勻占據理論50
3.2.2水合物生成過程的動力學機理53
3.2.3基本熱力學模型55
3.2.4多元氣體水合物生成條件的預測59
3.2.5H型水合物的熱力學模型62
3.2.6小結64
3.3 多元-多相復雜體系中水合物熱力學生成條件65
3.3.1不含抑制劑的體系65
3.3.2含極性抑制劑的體系67
3.3.3含電解質(鹽)體系71
3.3.4計算結果72
3.3.5小結79
3.4 多孔介質內水合物熱力學生成條件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小結90
3.5 乳液體系水合物生成條件91
3.5.1亞穩(wěn)態(tài)邊界條件模型91
3.5.2計算結果與討論93
3.5.3小結94
3.6 含水合物相的多相平衡計算模型94
3.6.1氣-液-液-水合物四相閃蒸計算模型94
3.6.2氣-水合物兩相閃蒸計算模型105
3.6.3小結109
參考文獻109
第4章氣體水合物生成動力學114
4.1 水合物的成核動力學114
4.1.1成核概念114
4.1.2成核的微觀機理116
4.1.3成核過程推動力關聯(lián)式120
4.1.4成核誘導期測量與關聯(lián)121
4.1.5水合物成核動力學的發(fā)展方向126
4.2 水合物生長動力學126
4.2.1水合物晶體生長形態(tài)126
4.2.2宏觀生長動力學134
4.2.3界面水合物生長動力學148
4.2.4水合物生長動力學的懸浮氣泡研究法158
4.3 水合物生成過程強化方法171
4.3.1噴霧171
4.3.2鼓泡172
4.3.3表面活性劑174
參考文獻182
第5章氣體水合物分解動力學188
5.1 引言188
5.2 冰點以上水合物的分解動力學特征188
5.2.1加熱分解動力學188
5.2.2降壓分解動力學189
5.3 冰點以上水合物分解動力學機理及數學模型193
5.3.1分解機理193
5.3.2數學模型194
5.4 冰點以下水合物的分解動力學特征197
5.4.1純水體系中CH4水合物分解動力學特征197
5.4.2含SDS體系CH4水合物分解動力學特征199
5.4.3含活性炭體系中CH4水合物分解動力學特征200
5.4.4不同體系中CH4水合物分解動力學特征比較201
5.4.5乙烯水合物分解動力學特征203
5.4.6油水乳液體系CH4水合物分解動力學特征204
5.5 冰點以下水合物的分解機理及數學模型207
5.5.1水合物分解后的微觀結構207
5.5.2分解機理208
5.5.3冰點以下水合物分解數學模型211
參考文獻217
第6章油/氣輸送管線水合物防控技術219
6.1 傳統(tǒng)熱力學抑制方法219
6.1.1脫水技術219
6.1.2管線加熱技術220
6.1.3降壓控制220
6.1.4添加熱力學抑制劑220
6.2 新型動力學控制方法220
6.2.1動力學抑制劑(KHI)221
6.2.2防聚劑(AA)227
6.3 作者實驗室研究成果234
6.3.1KHI234
6.3.2AA237
6.4 現場油氣田應用245
6.4.1KHI245
6.4.2AA247
參考文獻249
第7章水合物法儲運氣體技術254
7.1 不同天然氣儲運方式的對比254
7.1.1管道運輸255
7.1.2LNG儲運255
7.1.3CNG儲運255
7.1.4ANG儲運255
7.1.5NGH儲運255
7.1.6其他儲運技術256
7.2 NGH技術經濟性分析256
7.3 NGH生成過程強化方法258
7.3.1靜態(tài)純水體系中水合物生成狀況259
7.3.2水合物生成過程的物理強化259
7.3.3水合物生成過程的物理化學強化261
7.4 NGH儲運工藝270
7.4.1NGH生產工藝270
7.4.2水合物的儲存及運輸工藝275
參考文獻277
第8章水合法分離氣體混合物技術281
8.1 水合分離氣體混合物技術研發(fā)進展281
8.2 水合分離技術的潛在應用領域282
8.3 水合分離氣體混合物的模擬研究283
8.3.1水合分離含氫氣體混合物283
8.3.2水合法分離C1、C2關鍵組分288
8.4 水合法分離氣體混合物的幾個典型概念流程298
8.4.1水合法分離高壓加氫裝置循環(huán)氫298
8.4.2水合法分離催化裂化干氣299
8.4.3水合分離方法與深冷分離流程耦合改造傳統(tǒng)乙烯分離流程301
8.5 吸收-水合耦合分離技術304
8.5.1吸收-水合耦合法分離原理305
8.5.2吸收-水合耦合法分離沼氣（CH4/CO2）305
8.5.3吸收-水合耦合法分離IGCC混合氣（CO2/H2）308
8.5.4吸收-水合耦合法分離裂解干氣（CH4/C2H4/N2/H2）315
8.6 水合分離技術的研發(fā)與應用前景展望318
參考文獻318
第9章天然氣水合物資源分布322
9.1 天然氣水合物成藏模式322
9.1.1海洋水合物成藏模式322
9.1.2我國南海潛在水合物成藏模式326
9.2 全球天然氣水合物的儲量327
9.3 全球天然氣水合物資源的分布及其特征328
9.3.1天然氣水合物資源的分布地點329
9.3.2天然氣水合物的分布特征334
9.4 我國的水合物資源339
9.4.1海洋水合物資源339
9.4.2天然凍土帶水合物資源341
9.4.3我國的天然氣水合物遠景資源評價342
9.5 小結343
參考文獻344
第10章天然氣水合物勘探技術353
10.1 天然氣水合物地球物理探測技術353
10.1.1地震反演技術353
10.1.2測井法355
10.2 地球化學探測技術360
10.2.1與天然氣水合物相關的氣體特征360
10.2.2天然氣水合物地層孔隙水的地球化學特征361
10.3 保真取芯技術363
參考文獻364
第11章天然氣水合物資源開發(fā)技術367
11.1 水合天然氣開采的基本方法和原理367
11.1.1降壓法367
11.1.2升溫法370
11.1.3注抑制劑法371
11.1.4注氣吹掃-置換法372
11.1.5組合開采法374
11.2 天然氣水合物開采的實驗和數值模擬方法375
11.2.1天然氣水合物開采模擬裝置及實驗研究376
11.2.2天然氣水合物數值模擬382
11.3 天然氣水合物開采的野外試開采進展386
11.4 天然氣水合物商業(yè)化開采面臨的挑戰(zhàn)和對策387
參考文獻389
第12章氣體水合物和氣候環(huán)境395
12.1 天然氣水合物的穩(wěn)定性與分解396
12.2 天然氣水合物的環(huán)境效應398
12.2.1天然氣水合物與全球氣候變化398
12.2.2天然氣水合物與海底地質災害401
12.2.3天然氣水合物與海洋生態(tài)環(huán)境402
12.3 水合物技術在環(huán)境保護中的應用403
參考文獻404
附錄406
附錄1 氣體水合物生成條件數據集406
附錄1-Ⅰ單組分體系的水合物生成條件數據406
附錄1-Ⅱ混合體系水合物生成條件數據419
附錄1-Ⅲ水合物在抑制劑和促進劑作用下的生成條件數據456
參考文獻490
附錄2 純水體系水合物生成條件計算程序492
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