天然气水合物作为一种清洁能源,广泛存在于冻土区和海底深处。通过对全球多处天然气水合物赋存区域的钻孔资料调查,结果表明,天然气水合物赋存区域的地层结构具有垂向分层分布的特点,并且垂向上不同地质层中的天然气水合物赋存状况也存在着差异。本文以四种粒径大小的天然石英砂作为多孔介质,两两组合成不同的具有双层结构和均匀结构的石英砂体系,在相同的初始温度和压力条件下进行甲烷水合物的形成实验,以研究石英砂粒径大小对甲烷水合物形成和分布的影响以及不同层状结构石英砂中甲烷水合物的形成过程及分布特征,本实验研究的主要研究内容和结果如下:在层状石英砂中,以上覆层作为研究对象,在相同粒径上覆层,以不同粒径石英砂作为下垫层的层状结构中,下垫层石英砂粒径的改变对上部石英砂中甲烷水合物形成影响非常大,其中以上部粒径为0.5~1mm的层状石英砂影响最大,且该层状结构更有利于上部石英砂中甲烷水合物的赋存,而以0.075~0.5mm石英砂作为上部的层状石英砂中,下垫层石英砂粒径对上部石英砂中甲烷水合物的形成影响最小,但不利上部石英砂中甲烷水合物的赋存;以下垫层为研究对象,在相同粒径石英砂下垫层,不同粒径石英砂作为上层的层状结构中,以粒径为2~3mm的石英砂作为下垫层的砂样更有利于下垫层中甲烷水合物的赋存,且其上部石英砂粒径的改变对下垫层石英砂中甲烷水合物的形成影响最大,以粒径为0.075~0.5mm石英砂作为下垫层的层状石英砂中,不利于下垫层石英砂中甲烷水合物赋存,另外,在以1~2mm石英砂作为下垫层的层状石英砂中,其上部石英砂粒径的改变对下垫层石英砂中甲烷水合物的影响最小;同时还发现含有0.5~1mm粒径石英砂层的砂样中较多实验组中的甲烷水合物形成速率都比较大,因此认为该粒径范围对水合物的形成和富集具有积极意义。就石英砂粒径大小对甲烷水合物形成和分布的影响来看,存在着一个特殊尺寸0.5~1mm,粒径大于或小于该特殊尺寸时,都不利于石英砂体中甲烷水合物的形成和赋存;当上下层粒径相同时,除了0.5~1mm粒径的砂样外,其他粒径砂样中,随着粒径的增大,水合物饱和度逐渐减少;而在粒径为0.5~1mm的石英砂中水合物饱和度最大,且其顶部空间内会形成大量簇状甲烷水合物。实验中,对比了不同层状结构石英砂体系的上下部甲烷水合物饱和度,结果表明:在顶部未出现甲烷水合物大量富集的情况下,大粒径层位中的甲烷水合物饱和度大于小粒径层位,当下垫层粒径小于上部粒径时,该层状石英砂体系更有利于甲烷水合物的赋存;通过实际取样发现,上下部石英砂粒径不同时,石英砂表面甲烷水合物分布形态不同,小粒径石英砂层表面水合物主要以小颗粒分散状存在于石英砂颗粒之间,石英砂粒径较大时其表面的甲烷水合物逐渐连接呈片状。通过本实验研究以期能够对自然环境中天然气水合物赋存区域的分布特征和储量进行评估。