天然气水合物热管式孔底快速冷冻机构及蒸汽法试开采试验研究

【摘要】：天然气水合物是一种高效且清洁的新能源，具有燃烧热值高、清洁无污染、资源量巨大等优点，被广泛公认为常规油气的首选替代能源，成为世界各国在能源战略平衡发展中必须考虑的重要后备能源。 从20世纪90年代开始，天然气水合物就成了国内外的研究热点。目前，人类对于天然气水合物物性的研究已经形成相当成熟的理论，然而，在天然气水合物层的勘探、开采方面却成绩寥寥。要想使天然气水合物真正的成为一种可以替代传统能源的新型能源，这就需要对天然气水合物的勘探与开发进行研究。 钻探取心获得高保真的天然气水合物岩心是验证水合物存在的最直接的方法。目前，根据天然气水合物的温压特性，国内外的天然气水合物取样器设计思路主要有两种：1.以孔内的保压为主，保温为辅；2.以孔底冷冻为主，保压为辅或者不保压。基于天然气水合物的特点，天然气水合物的开采方法主要包括以下六类：加热法、降压法、注化学剂法、CO2置换法、斜井法和开矿法。其中研究较多的是前三类。目前从世界范围来看，至今在5个地方进行了天然气水合物的试采研究。 本文对天然气水合物的钻探和开采技术进行了研究。在钻探技术方面，通过对FCS型天然气水合物孔底冷冻取样器的结构、工作原理以及室内和室外试验的结果进行分析，FCS型取样器干冰储存效果好，但是冷冻机构中储存的冷量较少，同时消耗的冷量无法得到及时的补充，冷冻岩心的能力具有一定的局限性。将高效的传热原件——热管引入到天然气水合物样品孔底冷冻取样器中，设计了孔底快速冷冻机构。 为确定热管在冷冻机构中的使用效果，采用ANSYS有限元分析软件对无热管的冷冻机构和有热管的快速冷冻机构进行传热模拟。从两种结构的纵向传热模拟结果中温度随时间变化的云图上可以看出，有热管的冷冻机构对于岩心的冷冻作用要明显好于没有热管的冷冻机构，无论从传热速度，传热效率，还是传热范围上，都具有更好的效果。从两种结构的纵向模拟过程中岩心温度变化曲线可以看出，岩心表面的温度要比岩心中心的温度下降的要快，岩心上部的温度比岩心下部的温度下降的快，岩心冷冻的过程是一个由上到下，由外到内的过程。当岩心的温度降到-9℃左右的时候，就会保持稳定，基本不再降低。对快速冷冻机构进行横向传热模拟，从温度随时间变化的云图中可以看出，尽管在快速冷冻机构中热管不是密实包裹着岩心，但是热管的间隔分布所产生的温度场的不均匀性只对环状间隙中的酒精有影响，对于岩心并没有什么影响，不会在冷冻岩心的过程中造成一部分冻结，而另外一部分没有冻结的这种不良情况。 为进一步研究热管在冷冻机构中的使用效果，设计并建立了孔底快速冷冻机构试验台，对无热管的孔底冷冻机构和有热管的孔底快速冷冻机构进行对比试验。第一次试验的试验条件为:岩心冷冻腔不加保温，岩心管内不加岩心。试验结果表现为：在岩心管内壁的上部和中部、岩心管腔环状间隙的上部和中部，有热管和无热管的冷冻机构在温度降低的速度以及1300s时的温度上没有太大的差别。在岩心内壁的下部和岩心管腔环状间隙的下部，有热管的冷冻机构在温度下降的速度上相比无热管的要快很多，同时在1300s的温度上，有热管的冷冻机构也要比无热管的要低。通过分析得出结论：有热管的快速冷冻机构能够有效的扩大冷量传递的范围，提高冷量传递的效率。第二次试验的试验条件为：岩心冷冻腔加保温，岩心管内加岩心。试验结果表现为：岩心表面和岩心中心的上、中、下三部分，有热管的冷冻机构相对于无热管的冷冻机构温度降低的速度要快，最低温度以及最终1300s的温度要低。通过分析得出结论：有热管的快速冷冻机构能提高传热速度，增加传热效率。 为提高孔底冷冻取样钻具的工作能力，将绳索取心的快速取心方法和热管式孔底快速冷冻的保样方法结合起来，设计了天然气水合物绳索取心式孔底热管快速冷冻取样钻具，提高了取心速度，增加了岩心冷冻是速度和范围，增加了可应用的取心深度。钻具分为三大部分：启动部分、控制部分和冷冻部分。其中启动部分包括：捞矛和弹卡定位机构，悬挂和启动机构，单动和内管保护调节机构；控制部分括：控制机构、酒精储存机构；冷冻部分包括：冷源储存机构、扶正机构、岩心快速冷冻机构和取心机构。对钻具各个部分和主要机构的结构组成和工作原理进行了介绍，并对主要的零件进行了设计。 对冻土区天然气水合物开采技术进行研究，以天然气水合物加热开采的原理，设计了蒸汽加热试采系统，其中蒸汽发生器的加热功率为40kW。经过室内调试确定试采系统的排气阀开启压力为1.0MPa，关闭压力为0.5MPa。在中国冻土水合物一号试采井进行了野外试验。并成功使水合物分解，取得了天然气。对试采过程中降压法和蒸汽加热法取得的数据进行了分析:在本次的野外试采试验中，降压法的效率要高于蒸汽加热法；蒸汽加热法的瞬时开采流量要大于降压法的瞬时开采流量；采用蒸汽加热法取得的气体的能量要小于加热蒸汽消耗的能量。 本文提出了天然气水合物热管式孔底快速冷冻机构，并进行了传热模拟和室内试验，表明热管可以提高冷冻机构冷冻岩心的效果，但是没有对热管的选择进行优化，需要进一步的试验研究。本文设计了天然气水合物蒸汽开采系统并进行了试采研究，虽然试采成功，但是由于条件限制，没有取得完整的数据，同时能量转换率也不理想，需要在今后的工作进行进一步的研究。 【关键词】：天然气水合物 热管技术 快速孔底冷冻 数值传热模拟 绳索取心 蒸汽开采
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-36
• 1.1 本论文研究目的及意义16-19
• 1.2 天然气水合物的性质特征19-24
• 1.2.1 天然气水合物的结构类型19-21
• 1.2.2 天然气水合物的温压特性21-22
• 1.2.3 天然气水合物的热物理性质22-24
• 1.3 天然气水合物勘探开发技术研究现状24-34
• 1.3.1 天然气水合物取样钻具研究现状24-28
• 1.3.2 天然气水合物开采研究现状28-34
• 1.4 论文研究内容34-35
• 本章小结35-36
• 第2章 热管式孔底快速冷冻机构设计36-56
• 2.1 研究基础36-41
• 2.1.1 天然气水合物自保护特性36-37
• 2.1.2 天然气水合物孔底冷冻取样器37-41
• 2.2 热管技术41-46
• 2.2.1 热管技术介绍41-44
• 2.2.2 热管传热极限44-45
• 2.2.3 热管温度特性45-46
• 2.3 孔底快速冷冻机构46-54
• 2.3.1 组成结构和工作原理46-47
• 2.3.2 主要部件设计47-54
• 本章小结54-56
• 第3章 热管式孔底快速冷冻机构数值模拟分析56-72
• 3.1 冷冻机构纵向传热模拟57-65
• 3.1.1 模型简化57
• 3.1.2 冷冻机构的模型建立57-59
• 3.1.3 冷冻机构纵向传热模拟59-65
• 3.2 冷冻机构横向传热模拟65-71
• 3.2.1 模型简化65-66
• 3.2.2 冷冻机构的模型建立66
• 3.2.3 冷冻机构横向传热模拟66-71
• 本章小结71-72
• 第4章 热管式孔底快速冷冻机构室内试验研究72-88
• 4.1 试验装置设计72-76
• 4.1.1 冷冻装置73
• 4.1.2 测温系统73-75
• 4.1.3 热管测试75
• 4.1.4 其他75-76
• 4.2 试验方案设计76-79
• 4.3 试验结果及分析79-87
• 4.3.1 无岩心试验结果80-83
• 4.3.2 有岩心试验结果83-86
• 4.3.3 试验结果分析86-87
• 本章小结87-88
• 第5章 热管式孔底快速冷冻取样钻具设计88-108
• 5.1 绳索取心式孔底热管快速冷冻取样钻具总体设计88-91
• 5.1.1 钻具的设计要求88
• 5.1.2 总体机构设计88-90
• 5.1.3 钻具工作原理90-91
• 5.2 启动部分设计91-98
• 5.2.1 捞矛和弹卡定位机构91-93
• 5.2.2 悬挂和启动机构93-96
• 5.2.3 单动和内管调节保护机构96-98
• 5.3 控制部分设计98-102
• 5.3.1 控制机构98-101
• 5.3.2 酒精储存机构101-102
• 5.4 冷冻部分设计102-106
• 5.4.1 冷源储存机构102-104
• 5.4.2 岩心快速冷冻机构104-105
• 5.4.3 扶正机构105
• 5.4.4 取心机构105-106
• 本章小结106-108
• 第6章 天然气水合物蒸汽法试采系统的试验研究108-126
• 6.1 蒸汽法试采系统设计108-114
• 6.1.1 工作原理108-110
• 6.1.2 关键参数的设计110-113
• 6.1.3 系统的组成113-114
• 6.2 蒸汽法试采系统室内实验114-116
• 6.2.1 室内实验114
• 6.2.2 室内实验结果与分析114-116
• 6.3 蒸汽法试采系统野外实验116-124
• 6.3.1 野外实验116-118
• 6.3.2 野外实验结果与分析118-124
• 本章小结124-126
• 第7章 结论与展望126-130
• 7.1 结论126-127
• 7.2 论文创新点127-128
• 7.3 展望128-130
• 参考文献130-138
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果138-140
• 致谢140

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