В таких областях, как добыча энергии, хранение и транспортировка природного газа и хранение углекислого газа, быстрое и контролируемое образование газогидратов является одной из ключевых основных технологий. Исследования и разработки и применение гидратных ускорителей направлены на значительное повышение скорости образования гидратов и плотности хранения, но процесс их регулирования чрезвычайно сложен и включает в себя динамические изменения в микрофазном состоянии, распределении воды и структуре пористости. Как отслеживать этот динамический процесс в режиме реального времени, без потерь и с точностью стало насущной потребностью в научных исследованиях и инженерной практике. В этом контексте, благодаря своим уникальным преимуществам, низкоуровневая технология МРТ стала незаменимым или недостающим мощным инструментом в исследованиях мониторинга процессов регулирования гидратов.

Краткое изложение принципов технологии МРТ низкого поля

Физическая основа этой технологии - спиновые свойства ядра. В постоянном основном магнитном поле ядро атома водорода (протон) в образце распадается на энергетический уровень. После применения радиочастотных импульсов определенной частоты протон резонансно поглощает энергию. Когда импульс останавливается, протон высвобождает энергию и возвращается в равновесное состояние, процесс, называемый « релаксацией», включает в себя продольную релаксацию (T1) и поперечную релаксацию (T2). Молекулы воды имеют значительные различия во времени релаксации протонов в разных состояниях (свободные, связанные, твердые). Измеряя и анализируя время релаксации и ее распределение, можно воспроизвести информацию о содержании, состоянии наполнения и динамической миграции влаги внутри образца без вторжения или разрушения образца.

Применение технологии МРТ низкого поля в исследованиях гидратных ускорителей

При изучении эффективности гидратных ускорителей основное внимание уделяется выяснению того, как они влияют на взаимодействие молекул воды и газа, ядерную динамику и процессы роста. Технология МРТ низкого поля может непосредственно отражать изменения в физико - химической среде, в которой находятся молекулы воды, путем обнаружения релаксационных сигналов атомов водорода (протонов) в воде (время релаксации T1 и T2).

В конкретных приложениях исследователи используют эту технологию для мониторинга в режиме реального времени:

1) Преобразование в водной фазе: когда свободная вода превращается в кристалл гидрата клеточного типа, происходит резкое изменение состояния движения атомов водорода, что приводит к значительному сокращению времени релаксации. Отслеживая изменения в спектральном распределении T2, можно четко идентифицировать сигнальные пики свободной воды, соединяющей воду и воду в гидратах, чтобы количественно рассчитать образование гидратов и скорость преобразования.

2) Механизм воздействия катализатора: различные виды и концентрации катализатора (например, поверхностно - активные вещества, наночастицы и т.д.) изменяют свойства водно - газового интерфейса и распределение влаги. LF - NMR способен быстро улавливать эти микроскопические изменения, показывая, ускоряет ли ускоритель процесс массопередачи или изменяет путь превращения в ядро.

3) Внутренние процессы в пористой среде: в пористой среде (например, песчанике), имитирующей коллектор, технология позволяет неразрушающе обнаруживать пространственное распределение и модели роста гидратов в пористом масштабе и оценивать фактическую эффективность ускорителя в сложных геологических условиях.

Рисунок 1: Гидраты формируют ядерные магнитные сигналы на разных стадиях

Рисунок II: Гидраты формируют слоистые ядерные магнитные сигналы на разных стадиях

Рисунок III: Спектр T2 при образовании гидратов

Преимущества технологии МРТ низкого поля по сравнению с традиционными методами обнаружения

По сравнению с традиционными методами мониторинга, используемыми для исследования гидратов, такими как метод перепада давления, газовая хроматография, визуальные наблюдения или тепловой анализ, технология МРТ с низким полем показывает многомерные преимущества:

Мониторинг без потерь и на месте: LF - NMR завершен - нет необходимости вторгаться в образец, без вмешательства в процесс генерации / разложения гидратов, для достижения реального положения на месте, непрерывного мониторинга, получения непрерывных динамических данных, полной записи процесса реакции.

Высокое разрешение и количественная способность: он может эффективно различать воду в разных фазах (свободная вода, вода в сочетании с водой, вода в гидратах) и предоставлять точную количественную информацию, такую как насыщенность гидратов, скорость преобразования воды, которую трудно достичь напрямую многими традиционными методами.

Применяется к сложным системам: особенно хорошо разбирается в анализе процессов внутри непрозрачных систем (таких как пористые среды, эмульсии, системы твердых частиц), преодолевая ограничения таких методов, как визуальные наблюдения.

Богатое информационное измерение: в дополнение к содержанию, он также предоставляет многогранную информацию о структуре пористости, текучести жидкости и т. Д., Помогает понять механизм регулирования ускорителя с разных точек зрения.

Операция относительно проста и безопасна: оборудование с низким полем имеет низкую интенсивность магнитного поля, не требует охлаждения жидким гелием, низкую стоимость обслуживания, безопасную и стабильную работу, более удобную для долгосрочного и частого использования в лаборатории.

Подводя итог вышесказанному, применение технологии МРТ низкого поля для мониторинга процесса регулирования гидратов обеспечивает беспрецедентную микроперспективу и точную поддержку данных для глубокого понимания механизма действия ускорителя и оптимизации его производительности. Это способствует глубоким изменениям в технологии гидратов от описания макроявлений до анализа микромеханизмов и, несомненно, будет играть более центральную роль в будущем развитии эффективной и контролируемой технологии гидратов.