天然氣水合物是一種高效且清潔的新能源，具有燃燒熱值高、清潔無污染、資源量巨大等優(yōu)點，被廣泛公認(rèn)為常規(guī)油氣的首選替代能源，成為世界各國在能源戰(zhàn)略平衡發(fā)展中必須考慮的重要后備能源。 從20世紀(jì)90年代開始，天然氣水合物就成了國內(nèi)外的研究熱點。目前，人類對于天然氣水合物物性的研究已經(jīng)形成相當(dāng)成熟的理論，然而，在天然氣水合物層的勘探、開采方面卻成績寥寥。要想使天然氣水合物真正的成為一種可以替代傳統(tǒng)能源的新型能源，這就需要對天然氣水合物的勘探與開發(fā)進行研究。 鉆探取心獲得高保真的天然氣水合物巖心是驗證水合物存在的最直接的方法。目前，根據(jù)天然氣水合物的溫壓特性，國內(nèi)外的天然氣水合物取樣器設(shè)計思路主要有兩種：1.以孔內(nèi)的保壓為主，保溫為輔；2.以孔底冷凍為主，保壓為輔或者不保壓。基于天然氣水合物的特點，天然氣水合物的開采方法主要包括以下六類：加熱法、降壓法、注化學(xué)劑法、CO2置換法、斜井法和開礦法。其中研究較多的是前三類。目前從世界范圍來看，至今在5個地方進行了天然氣水合物的試采研究。 本文對天然氣水合物的鉆探和開采技術(shù)進行了研究。在鉆探技術(shù)方面，通過對FCS型天然氣水合物孔底冷凍取樣器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及室內(nèi)和室外試驗的結(jié)果進行分析，F(xiàn)CS型取樣器干冰儲存效果好，但是冷凍機構(gòu)中儲存的冷量較少，同時消耗的冷量無法得到及時的補充，冷凍巖心的能力具有一定的局限性。將高效的傳熱原件——熱管引入到天然氣水合物樣品孔底冷凍取樣器中，設(shè)計了孔底快速冷凍機構(gòu)。 為確定熱管在冷凍機構(gòu)中的使用效果，采用ANSYS有限元分析軟件對無熱管的冷凍機構(gòu)和有熱管的快速冷凍機構(gòu)進行傳熱模擬。從兩種結(jié)構(gòu)的縱向傳熱模擬結(jié)果中溫度隨時間變化的云圖上可以看出，有熱管的冷凍機構(gòu)對于巖心的冷凍作用要明顯好于沒有熱管的冷凍機構(gòu)，無論從傳熱速度，傳熱效率，還是傳熱范圍上，都具有更好的效果。從兩種結(jié)構(gòu)的縱向模擬過程中巖心溫度變化曲線可以看出，巖心表面的溫度要比巖心中心的溫度下降的要快，巖心上部的溫度比巖心下部的溫度下降的快，巖心冷凍的過程是一個由上到下，由外到內(nèi)的過程。當(dāng)巖心的溫度降到-9℃左右的時候，就會保持穩(wěn)定，基本不再降低。對快速冷凍機構(gòu)進行橫向傳熱模擬，從溫度隨時間變化的云圖中可以看出，盡管在快速冷凍機構(gòu)中熱管不是密實包裹著巖心，但是熱管的間隔分布所產(chǎn)生的溫度場的不均勻性只對環(huán)狀間隙中的酒精有影響，對于巖心并沒有什么影響，不會在冷凍巖心的過程中造成一部分凍結(jié)，而另外一部分沒有凍結(jié)的這種不良情況。 為進一步研究熱管在冷凍機構(gòu)中的使用效果，設(shè)計并建立了孔底快速冷凍機構(gòu)試驗臺，對無熱管的孔底冷凍機構(gòu)和有熱管的孔底快速冷凍機構(gòu)進行對比試驗。第一次試驗的試驗條件為:巖心冷凍腔不加保溫，巖心管內(nèi)不加巖心。試驗結(jié)果表現(xiàn)為：在巖心管內(nèi)壁的上部和中部、巖心管腔環(huán)狀間隙的上部和中部，有熱管和無熱管的冷凍機構(gòu)在溫度降低的速度以及1300s時的溫度上沒有太大的差別。在巖心內(nèi)壁的下部和巖心管腔環(huán)狀間隙的下部，有熱管的冷凍機構(gòu)在溫度下降的速度上相比無熱管的要快很多，同時在1300s的溫度上，有熱管的冷凍機構(gòu)也要比無熱管的要低。通過分析得出結(jié)論：有熱管的快速冷凍機構(gòu)能夠有效的擴大冷量傳遞的范圍，提高冷量傳遞的效率。第二次試驗的試驗條件為：巖心冷凍腔加保溫，巖心管內(nèi)加巖心。試驗結(jié)果表現(xiàn)為：巖心表面和巖心中心的上、中、下三部分，有熱管的冷凍機構(gòu)相對于無熱管的冷凍機構(gòu)溫度降低的速度要快，最低溫度以及最終1300s的溫度要低。通過分析得出結(jié)論：有熱管的快速冷凍機構(gòu)能提高傳熱速度，增加傳熱效率。 為提高孔底冷凍取樣鉆具的工作能力，將繩索取心的快速取心方法和熱管式孔底快速冷凍的保樣方法結(jié)合起來，設(shè)計了天然氣水合物繩索取心式孔底熱管快速冷凍取樣鉆具，提高了取心速度，增加了巖心冷凍是速度和范圍，增加了可應(yīng)用的取心深度。鉆具分為三大部分：啟動部分、控制部分和冷凍部分。其中啟動部分包括：撈矛和彈卡定位機構(gòu)，懸掛和啟動機構(gòu)，單動和內(nèi)管保護調(diào)節(jié)機構(gòu)；控制部分括：控制機構(gòu)、酒精儲存機構(gòu)；冷凍部分包括：冷源儲存機構(gòu)、扶正機構(gòu)、巖心快速冷凍機構(gòu)和取心機構(gòu)。對鉆具各個部分和主要機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理進行了介紹，并對主要的零件進行了設(shè)計。 對凍土區(qū)天然氣水合物開采技術(shù)進行研究，以天然氣水合物加熱開采的原理，設(shè)計了蒸汽加熱試采系統(tǒng)，其中蒸汽發(fā)生器的加熱功率為40kW。經(jīng)過室內(nèi)調(diào)試確定試采系統(tǒng)的排氣閥開啟壓力為1.0MPa，關(guān)閉壓力為0.5MPa。在中國凍土水合物一號試采井進行了野外試驗。并成功使水合物分解，取得了天然氣。對試采過程中降壓法和蒸汽加熱法取得的數(shù)據(jù)進行了分析:在本次的野外試采試驗中，降壓法的效率要高于蒸汽加熱法；蒸汽加熱法的瞬時開采流量要大于降壓法的瞬時開采流量；采用蒸汽加熱法取得的氣體的能量要小于加熱蒸汽消耗的能量。 本文提出了天然氣水合物熱管式孔底快速冷凍機構(gòu)，并進行了傳熱模擬和室內(nèi)試驗，表明熱管可以提高冷凍機構(gòu)冷凍巖心的效果，但是沒有對熱管的選擇進行優(yōu)化，需要進一步的試驗研究。本文設(shè)計了天然氣水合物蒸汽開采系統(tǒng)并進行了試采研究，雖然試采成功，但是由于條件限制，沒有取得完整的數(shù)據(jù)，同時能量轉(zhuǎn)換率也不理想，需要在今后的工作進行進一步的研究。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2013
【中圖分類】：P744.4
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 本論文研究目的及意義
    1.2 天然氣水合物的性質(zhì)特征
        1.2.1 天然氣水合物的結(jié)構(gòu)類型
        1.2.2 天然氣水合物的溫壓特性
        1.2.3 天然氣水合物的熱物理性質(zhì)
    1.3 天然氣水合物勘探開發(fā)技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.3.1 天然氣水合物取樣鉆具研究現(xiàn)狀
        1.3.2 天然氣水合物開采研究現(xiàn)狀
    1.4 論文研究內(nèi)容
    本章小結(jié)
第2章 熱管式孔底快速冷凍機構(gòu)設(shè)計
    2.1 研究基礎(chǔ)
        2.1.1 天然氣水合物自保護特性
        2.1.2 天然氣水合物孔底冷凍取樣器
    2.2 熱管技術(shù)
        2.2.1 熱管技術(shù)介紹
        2.2.2 熱管傳熱極限
        2.2.3 熱管溫度特性
    2.3 孔底快速冷凍機構(gòu)
        2.3.1 組成結(jié)構(gòu)和工作原理
        2.3.2 主要部件設(shè)計
    本章小結(jié)
第3章 熱管式孔底快速冷凍機構(gòu)數(shù)值模擬分析
    3.1 冷凍機構(gòu)縱向傳熱模擬
        3.1.1 模型簡化
        3.1.2 冷凍機構(gòu)的模型建立
        3.1.3 冷凍機構(gòu)縱向傳熱模擬
    3.2 冷凍機構(gòu)橫向傳熱模擬
        3.2.1 模型簡化
        3.2.2 冷凍機構(gòu)的模型建立
        3.2.3 冷凍機構(gòu)橫向傳熱模擬
    本章小結(jié)
第4章 熱管式孔底快速冷凍機構(gòu)室內(nèi)試驗研究
    4.1 試驗裝置設(shè)計
        4.1.1 冷凍裝置
        4.1.2 測溫系統(tǒng)
        4.1.3 熱管測試
        4.1.4 其他
    4.2 試驗方案設(shè)計
    4.3 試驗結(jié)果及分析
        4.3.1 無巖心試驗結(jié)果
        4.3.2 有巖心試驗結(jié)果
        4.3.3 試驗結(jié)果分析
    本章小結(jié)
第5章 熱管式孔底快速冷凍取樣鉆具設(shè)計
    5.1 繩索取心式孔底熱管快速冷凍取樣鉆具總體設(shè)計
        5.1.1 鉆具的設(shè)計要求
        5.1.2 總體機構(gòu)設(shè)計
        5.1.3 鉆具工作原理
    5.2 啟動部分設(shè)計
        5.2.1 撈矛和彈卡定位機構(gòu)
        5.2.2 懸掛和啟動機構(gòu)
        5.2.3 單動和內(nèi)管調(diào)節(jié)保護機構(gòu)
    5.3 控制部分設(shè)計
        5.3.1 控制機構(gòu)
        5.3.2 酒精儲存機構(gòu)
    5.4 冷凍部分設(shè)計
        5.4.1 冷源儲存機構(gòu)
        5.4.2 巖心快速冷凍機構(gòu)
        5.4.3 扶正機構(gòu)
        5.4.4 取心機構(gòu)
    本章小結(jié)
第6章 天然氣水合物蒸汽法試采系統(tǒng)的試驗研究
    6.1 蒸汽法試采系統(tǒng)設(shè)計
        6.1.1 工作原理
        6.1.2 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計
        6.1.3 系統(tǒng)的組成
    6.2 蒸汽法試采系統(tǒng)室內(nèi)實驗
        6.2.1 室內(nèi)實驗
        6.2.2 室內(nèi)實驗結(jié)果與分析
    6.3 蒸汽法試采系統(tǒng)野外實驗
        6.3.1 野外實驗
        6.3.2 野外實驗結(jié)果與分析
    本章小結(jié)
第7章 結(jié)論與展望
    7.1 結(jié)論
    7.2 論文創(chuàng)新點
    7.3 展望
參考文獻
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及取得的科研成果
致謝

【參考文獻】

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本文編號：2848959