多孔介质中天然气水合物生成与分解及传热特性研究

摘要

随着煤炭、石油等常规化石能源的消耗与日益枯竭，能源开发经历着从传统化石燃料向清洁和环境友好型新能源的过渡和转型。天然气水合物(简称水合物，又名“可燃冰”)是一种新型清洁能源，具有储量大、分布广、能量密度大的特点，被认为是未来具有应用前景的新能源之一。水合物资源的安全高效开发对于调整和优化我国能源供给结构、保障我国能源安全等具有重大战略意义。研究多孔介质中水合物的生成与分解特性及其关键影响因素，对天然气水合物的高效安全开发利用具有重要的学术意义和工程价值。　　本文采用实验模拟和数值模拟相结合的方法，对多孔介质中水合物的生成与分布规律，以及水合物分解过程中的传热控制机理进行了系统研究，并基于强化传热理论，提出了一种多策略联合的优化开采方法，旨在为未来天然气水合物的实地开采提供理论指导和技术支持。主要研究成果如下：　　(1)采用数值模拟的方法开展了中试尺度下多孔介质中水合物生成动力学研究，得到了反应釜内甲烷气、水、及水合物的生成与分布规律。结果表明，水合物生成速率主要受多孔介质中气液交界面上的传质速率控制，而后者则与孔隙中的压力驱动力以及气液两相分布状态相关。最终水合物饱和度呈现层状分布，三相物质在整个储层中的分布表现出显著的非均质性，这种不均匀性在垂直方向上更明显。　　(2)利用自主研制的天然气水合物垂直井开采模拟试验系统，采用气液多点注入方式，合成了含水合物多孔介质体系。结合实验和数值模拟，开展了单垂直井降压开采水合物及传热特性研究，对开采过程中的壁面热流速率与累积导热量、水合物分解累积消耗热量、水合物藏显热变化量、以及系统热损量等进行了定量分析。结果表明，降压条件下水合物的分解是一个由环境传热主导的水合物相消融的过程，开采井的位置对水合物的分解及产气效率影响较小。系统的热损量在数值上等于水合物藏显热的增量。开采压力越低，壁面传热速率及水合物分解吸热速率越快，能量收益速率越高。　　(3)采用单垂直井降压联合热激法，开展了多孔介质中甲烷水合物的分解及系统三维传热特性的实验与数值模拟研究，获得了降压驱动力和热激驱动力对水合物分解的协同作用机制。结果表明，有热激条件下，反应釜内同时存在两个分解界面，降压驱动力和热激驱动力可分别由壁面累积热流量和井筒注热量定量表征。井筒注热对来自壁面向反应釜内的传热具有阻碍作用，并且在壁面热流量小于零时，系统热损量会突然激增。　　(4)采用实验模拟和理论计算研究了降压联合热激开采过程中水合物分解及系统传热特性的关键影响因素。结果表明，井筒加热速率越高，能量收益速率越快，降压驱动力对水合物分解的影响减弱，同时系统热损量增加；开采压力越低，越有利于热量的传递，在足够低的开采压力条件下，可以实现降压驱动力在整个开采过程中始终大于零，从而减少热量的损失；相比于持续性热激，间歇性热激方式有利于控制水合物储层的热吸收速率，同时缩短开采时间，增加净能量收益。　　(5)提出并验证了一种新型“三策略”联合开采法，实验研究了不同开采模式下的系统传热特性及其对水合物分解产气性能影响。结果表明，新型联合开采法获得最快的平均净能量收益速率(8 kJ/min)，且获得较高的能量效率(71.59%)。在电加热联合降压法中，传热速率受储层导热系数限制；而当有外界热水注入时，热对流成为控制传热的关键因素，但热流体的输送过程会产生不可避免的热损。井筒加热与注室温水相结合，具有同时降低热损失和强化传热的优点，从而使能量收益效率最高。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的

1.4 研究内容与技术路线

2 中试规模反应器中甲烷水合物生成与分布特性研究

2.1 中试规模反应器中甲烷水合物生成实验

2.2 中试规模反应器中甲烷水合物生成数值模拟

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 天然气水合物降压开采及传热特性研究

3.1 天然气水合物实验装置

3.2 天然气水合物降压分解实验模拟

3.3 天然气水合物降压分解数值模拟

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

4 天然气水合物降压联合热激法开采及传热特性研究

4.1 天然气水合物降压联合热激法开采实验模拟

4.2 天然气水合物降压联合热激法开采数值模拟

4.3 持续性热激分解水合物结果与讨论

4.4 间歇性热激分解水合物结果与讨论

4.5 本章小结

5 双垂直井系统水合物开采及传热特性研究

5.1 水合物生成与分解实验方法

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文的主要结论

6.2 论文的主要创新点

6.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况

C. 学位论文数据集:

致谢