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本文围绕着CO2置换开发天然气水合物中CH4方法中的置换相平衡、水合物存在条件下CH4和CO2的溶解相平衡、置换动力学实验、置换动力学模型和置换强化方法等基础科学问题展开研究。主要研究内容包括： (1)测定了CO2+CH4体系与纯水生成水合物的V-H相平衡。根据拉曼光谱数据，提出了CO2和CO2+CH4混合气生成水合物时在大小孔中占据的机理。并据此改进了Chen-Guo水合物模型。用改进后的Chen-Guo水合物模型计算了CH4和CO2在水合物相中大小孔中的占有分率和CO2+CH4体系V-H相平衡。模型计算值与实验值吻合较好。 (2)测定了水合物存在条件下CH4和CO2在纯水和不同浓度NaCl盐水体系中的溶解度。考察了温度、压力和NaCl浓度等因素对CH4和CO2在液相中溶解度的影响。将Chen-Guo水合物模型、vanderWaals-Platteeuw模型和拓展的PT状态方程结合，建立了用于计算V-Lw-H三相平衡条件下和高于三相平衡压力条件下CH4和CO2在液相中溶解度的模型。加入Debye-Huckel远程作用修正项，计算了CH4和CO2在NaCl盐水体系的溶解度。模型计算值与实验值误差较小。 (3)测定了纯水体系、NaCl溶液体系(0.5wt％-1wt％)、十二烷基硫酸钠(SDS)体系CO2置换CH4水合物中CH4的置换过程。考察了温度、压力和表面活性剂等因素对置换过程的影响。实验表明，较高的温度、压力能够对置换反应过程起到促进作用。NaCl对置换反应具有抑制作用。置换反应过程中，CO2的消耗量与CH4水合物的分解量并不是1:1的关系。SDS体系的置换速率比纯水体系和NaCl溶液体系的置换速率高。表面活性剂SDS有可能作为一种强化手段以提高水合物的开发速率。根据实验现象提出了CO2置换CH4水合物中CH4置换过程的步骤和机理。 (4)建立了CO2置换CH4水合物中CH4反应的动力学模型。将流体相和水合物相的逸度差作为置换过程的推动力。采用Chen-Guo水合物模型和PT状态方程分别计算水合物相和流体相组分的逸度。计算结果表明，此模型能够较好地描述本文实验得到的动力学数据。计算得到了不同体系CO2-CH4置换反应的活化能。并据此分析了置换反应的反应机理和控制过程。 (5)首次将表面活性剂SDS应用于CH4水合物的强化开采过程中。通过在置换反应初期在气固两相界面上加入一定量的表面活性剂溶液以改善CO2和CH4在水合物相中的传质来提高置换反应效率。实验表明增加表面活性剂溶液加入量和表面活性剂浓度可以提高CO2置换CH4水合物的置换速率。