含水合物沉积物导热特性测量与模型预测

摘要

天然气水合物分解后只产生甲烷和水，相对于传统化石能源而言是一种清洁高效环境友好的替代能源，已经受到世界各国的高度重视，相继对其进行资源勘探与开采研究。目前，全球已探明天然气水合物有机碳储量相当于全球已探明化石燃料（煤、石油、天然气）总量的两倍。天然气水合物在南海沉积物储层中呈胶结或填充分布特征，天然气水合物矿藏分解过程会伴随剧烈的相变、气水运移以及组分变化，天然气水合物矿藏的导热系数对开采效率的控制和地层传热调控有重要影响，同时导热特性是开采模拟程序的重要物性参数，因此对含水合物多孔介质导热特性变化规律和导热系数模型研究有重要意义。 本文实验研究了孔隙度和水合物饱和度对含水合物南海沉积物样品导热特性的影响，分析了导热系数变化规律以及变化原因，通过对样品进行梯度降温生成和升温分解研究了水合物生成和分解对与样品导热系数的影响，饱和度较高的样品随着水合物分解导热系数小幅下降，可能会影响水合物开采过程的传热传质过程；100%水合物饱和样品由于水合物生成和分解导致储层形态变化，导热系数会出现较大幅度变化。另一方面，通过人工合成和海洋土粒径分布相似的蒙脱土，实验研究了不同工况下孔隙内部相变导致的导热系数变化规律，冰融化导致孔隙内冰颗粒热桥遭到破坏，导热系数下降11%-30%，水合物生成导致体系内部颗粒之间形成稳定的热桥，导热系数普遍升高12%-40%，水合物分解导致的气水运移和骨架重建使导热系数下降5%-29%，变化率与初始水饱和度成正相关关系，研究结果表明水合物相变会引起储层导热系数变化，因此开采过程中需要强化传热。 本文将实验结果与有效介质模型进行比对，大部分已有模型误差较大，且难以适用于南海粉质泥沙体系，本文以毕达哥拉斯公式为基础，将水合物饱和度和可变参数联系起来，建立了适用于南海粉质泥沙的导热系数预测模型，并对世界其他国家开采项目的导热数据进行比对，平均误差小于13%；并提出了适用于含水合物球形玻璃砂的导热系数模型，该模型引入热阻原理，假设球形颗粒接触区域存在水合物热桥，球形颗粒周围附着水层，与实验结果进行比对，预测效果良好。

目录

声明

1 绪论

1.1 天然气水合物基本概念

1.2 天然气水合物赋存与分布特征

1.3 天然气水合物导热特性研究进展

1.3.1 导热系数实验研究进展

1.3.2 导热系数模型研究进展

1.4 本文主要研究内容

2 含水合物石英砂导热特性研究

2.1 点热源法测量导热特性原理

2.2 实验设计与步骤

2.2.1 实验装置与材料

2.2.2 实验流程设计

2.2.3 样品水合物饱和度计算方法

2.3 组分变化对含水合物多孔介质导热特性影响

2.4 CT法水合物饱和度计算

2.5 含水合物多孔介质的导热系数模型研究

2.6 本章小结

3 含水合物南海沉积物的导热特性研究

3.1 含水合物南海沉积物样品分析

3.2 实验设计与步骤

3.3 组分变化对含水合物南海沉积物导热特性影响

3.4 含水合物南海沉积物的导热系数模型研究

3.5 本章小结

4 相变过程含水合物多孔介质导热特性变化规律研究

4.1 相变过程含水合物南海沉积物样品导热特性

4.2 相变过程含水合物人工砂沉积物样品导热特性

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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