天然气水合物沉积物传热特性及对开采影响研究

摘要

天然气水合物是一种世界公认的最具潜力的清洁新能源，目前我国对水合物勘探开采研究正进入关键突破阶段。传热特性对水合物高效开采有至关重要的影响和控制作用，本文以水合物开采过程中面临的高效性关键问题为研究背景，针对水合物沉积物有效导热系数、储层传热因素，分解过程传热变化规律以及对开采影响展开重点研究。
　　为了探明水合物沉积物导热特性，本文自主开发了一种高压低温原位测量多孔介质中水合物有效导热系数的实验方法和系统，获取了水合物沉积物在不同孔隙度、多孔介质、饱和度、温度等多因素作用下的有效导热系数变化规律。并基于不同维度的实验数据，建立了水合物沉积物有效导热系数经验关联式，对比证明该经验关联式能够较好预测THF水合物沉积物和水饱和沉积物的有效导热系数。
　　系统研究了水合物沉积物开采过程中储层的宏观传热因素，实验发现闷罐式水合物热开采过程是导热控制型分解模式，证明沉积物导热系数和开采温度决定了开采效率。实验得出高导热系数多孔介质材料对水合物分解的促进作用主要体现在水合物的分解后期，它能够提高沉积物分解温度、产气速率和累积产气量，抑制冰的生成，进而提高水合物的开采效率。结合Ste的计算证明沉积物的显热在降压开采的快速降压阶段控制着水合物的开采效率，较高的Ste在快速降压阶段能促进水合物的分解，提高开采温度并抑制结冰现象，当Shi＞30％，显热对水合物促进作用显著减弱。研究发现Qov在降压开采后期热传递和水合物开采效率上起到主导控制作用，Qov能够显著的提高水合物开采效率，随着水合物饱和度增加，Qov对开采的促进作用增强。而随着Qov的持续增加，对水合物的促进作用反而逐渐减弱，水合物的开采效率也逐渐降低。
　　探讨了水合物开采过程中的传热影响机理，对三种开采技术的传热影响与开采效率关系进行了系统的对比分析，证明沉积层的显热和抑制结冰是提高降压开采效率的关键因素;能源利用率和水合物饱和度是决定注热开采效率的关键;联合开采具有可观的产气效率，是一种最具应用前景的开采技术。实验获取了水合物分解过程不同阶段导热系数变化规律，发现了水合物分解速率、气水迁移是控制水合物分解过程沉积物导热系数变化的主要因素。建立了一种高压低温下多孔介质中水合物分解过程传热系数法原位测量方法，获取了水合物沉积物内部传热系数与分解速率和产气速率的协同变化规律，实验证明了水合物分解过程中的相态变化和气液流动是传热系数变化的主要驱动力。在水合物快速分解阶段，传热系数随着水合物的分解和产气输出呈现出快速上升趋势，水合物降压开采过程中的传热系数随着Shi的升高呈现出先增高后降低的规律。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 天然气水合物简介

1．1．1 天然气水合物的基本结构

1．1．2 天然气水合物的形成及资源分布

1．2 天然气水合物的热力学性质

1．2．1 天然气水合物的导热系数和有效导热系数模型

1．2．2 天然气水合物的比热容

1．3 天然气水合物开采技术研究进展

1．3．1 降压法水合物开采技术研究进展

1．3．2 注热法水合物开采技术研究进展

1．3．3 联合法水合物开采技术研究进展

1．4 天然气水合物传热研究进展

1．5 研究内容及技术路线

2 水合物沉积物开采传热实验系统和方法

2．1 多孔介质中天然气水合物模拟开采实验系统

2．2 多孔介质水合物有效导热系数原位测量装置系统

2．2．1 热敏电阻法测量有效导热系数原理

2．2．2 基于热敏电阻法测量有效导热系数测量装置和方法

2．3 有效导热系数原位测量方法的校正分析

2．3．1 热敏电阻B值标定和校正

2．3．2 有效导热系数计算模型参数的标定和校正

2．4 导热系数实验测量误差和影响因素分析

2．4．1 热敏电阻温度场影响范围和物样尺寸对导热系数测量的影响

2．4．2 热敏电阻测量电路输入功率和校正过程对导热系数测量的影响

2．5 本章小结

3 水合物沉积物有效导热系数变化规律研究

3．1 多孔介质中THF水合物有效导热系数原位实验研究

3．1．1 多孔介质中THF水合物原位生长特性研究

3．1．2 基于热敏电阻法THF水合物有效导热系数测量过程

3．1．3 不同温度下THF水合物导热系数研究

3．1．4 不同多孔介质中THF水合物有效导热系数变化规律研究

3．1．5 天然海洋土中THF水合物有效导热系数原位实验研究

3．2 甲烷水合物沉积物有效导热系数原位实验研究

3．2．1 多孔介质中甲烷水合物的原位生成过程

3．2．2 多孔介质中甲烷水合物饱和度计算

3．2．3 多孔介质中甲烷水合物有效导热系数原位测量过程

3．2．4 不同饱和度甲烷水合物沉积物导热系数变化规律

3．2．5 不同温度下多孔介质材料甲烷水合物有效导热系数变化规律

3．2．6 不同多孔介质材料甲烷水合物有效导热系数变化规律

3．3 多孔介质中水合物沉积物有效导热系数经验关联式的建立和分析

3．3．1 水合物导热系数实验数据与当前有效导热系数经验关联式对比研究

3．3．2 基于实验数据的有效导热系数拟合公式建立和分析

3．4 本章小结

4 水合物沉积物储层不同传热因素对开采效率影响研究

4．1 不同导热系数多孔介质材料对水合物降压开采效率影响分析

4．1．1 甲烷水合物在不同导热系数多子L介质中原位生成过程

4．1．2 不同导热系数多孔介质材料对水合物降压开采温度影响分析

4．1．3 不同导热系数多孔介质材料对水合物降压开采产气作用分析

4．2 水合物沉积物显热对水合物降压开采影响分析

4．2．1 水合物沉积物降压分解过程显热作用分析

4．2．2 水合物沉积物降压分解过程显热和斯蒂芬数计算

4．2．3 显热/潜热比对不同饱和度水合物降压开采效率影响分析

4．3 不同开采温度对水合物沉积物闷罐开采影响分析

4．3．1 甲烷水合物在多孔介质中原位生成及实验过程

4．3．2 多孔介质中甲烷水合物在不同开采温度下闷罐分解过程

4．3．3 不同开采温度下多孔介质中甲烷水合物分界区域温差分析

4．4 不同上下盖层热流对水合物开采效率影响分析

4．4．1 上下盖层传热作用下水合物降压开采实验方法和开采过程

4．4．2 不同上下盖层热流对水合物降压开采影响分析

4．4．3 上下盖层热流对不同水合物饱和度降压开采产影响分析

4．5 本章小结

5 水合物沉积物开采过程传热影响研究

5．1 水合物沉积物不同开采技术和传热影响对比分析

5．1．1 水合物沉积物生成及三种不同开采实验方法

5．1．2 降压法开采不同水合物饱和度沉积物过程及传热影响控制研究

5．1．3 两循环注热开采不同水合物饱和度沉积物过程及传热影响控制研究

5．1．4 联合开采不同水合物饱和度沉积物过程及传热影响控制研究

5．1．5 不同水合物沉积物开采技术对比分析研究

5．2 水合物沉积物分解过程有效导热系数变化规律研究

5．2．1 多孔介质中THF水合分解过程有效导热系数变化规律研究

5．2．2 多孔介质中甲烷水合分解过程有效导热系数变化规律研究

5．2．3 不同开采条件下甲烷水合物分解前后有效导热系数变化规律研究

5．3 水合物沉积物分解过程传热系数对产气效率影响分析

5．3．1 多孔介质中水合物分解过程表面传热系数测量计算方法

5．3．2 多孔介质中甲烷水合物分解过程传热系数实验研究

5．3．3 不同饱和度下水合物分解过程传热系数对产气效率影响分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介