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(wú)污染、資源量巨大等優(yōu)點(diǎn)，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(guó)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(kāi)始，天然氣水合物就成了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。目前，人類對(duì)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(kāi)采方面卻成績(jī)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(duì)天然氣水合物的勘探與開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究。 鉆探取心獲得高保真的天然氣水合物巖心是驗(yàn)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(guó)內(nèi)外的天然氣水合物取樣器設(shè)計(jì)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�；谔烊粴馑衔锏奶攸c(diǎn)，天然氣水合物的開(kāi)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(kāi)礦法。其中研究較多的是前三類。目前從世界范圍來(lái)看，至今在5個(gè)地方進(jìn)行了天然氣水合物的試采研究。 本文對(duì)天然氣水合物的鉆探和開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了研究。在鉆探技術(shù)方面，通過(guò)對(duì)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(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，F(xiàn)CS型取樣器干冰儲(chǔ)存效果好，但是冷凍機(jī)構(gòu)中儲(chǔ)存的冷量較少，同時(shí)消耗的冷量無(wú)法得到及時(shí)的補(bǔ)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(jì)了孔底快速冷凍機(jī)構(gòu)。 為確定熱管在冷凍機(jī)構(gòu)中的使用效果，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)無(wú)熱管的冷凍機(jī)構(gòu)和有熱管的快速冷凍機(jī)構(gòu)進(jìn)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(shí)間變化的云圖上可以看出，有熱管的冷凍機(jī)構(gòu)對(duì)于巖心的冷凍作用要明顯好于沒(méi)有熱管的冷凍機(jī)構(gòu)，無(wú)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(guò)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(guò)程是一個(gè)由上到下，由外到內(nèi)的過(guò)程。當(dāng)巖心的溫度降到-9℃左右的時(shí)候，就會(huì)保持穩(wěn)定，基本不再降低。對(duì)快速冷凍機(jī)構(gòu)進(jìn)行橫向傳熱模擬，從溫度隨時(shí)間變化的云圖中可以看出，盡管在快速冷凍機(jī)構(gòu)中熱管不是密實(shí)包裹著巖心，但是熱管的間隔分布所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)的不均勻性只對(duì)環(huán)狀間隙中的酒精有影響，對(duì)于巖心并沒(méi)有什么影響，不會(huì)在冷凍巖心的過(guò)程中造成一部分凍結(jié)，而另外一部分沒(méi)有凍結(jié)的這種不良情況。 為進(jìn)一步研究熱管在冷凍機(jī)構(gòu)中的使用效果，設(shè)計(jì)并建立了孔底快速冷凍機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)無(wú)熱管的孔底冷凍機(jī)構(gòu)和有熱管的孔底快速冷凍機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。第一次試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為:巖心冷凍腔不加保溫，巖心管內(nèi)不加巖心。試驗(yàn)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(wú)熱管的冷凍機(jī)構(gòu)在溫度降低的速度以及1300s時(shí)的溫度上沒(méi)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(jī)構(gòu)在溫度下降的速度上相比無(wú)熱管的要快很多，同時(shí)在1300s的溫度上，有熱管的冷凍機(jī)構(gòu)也要比無(wú)熱管的要低。通過(guò)分析得出結(jié)論：有熱管的快速冷凍機(jī)構(gòu)能夠有效的擴(kuò)大冷量傳遞的范圍，提高冷量傳遞的效率。第二次試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為：巖心冷凍腔加保溫，巖心管內(nèi)加巖心。試驗(yàn)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(jī)構(gòu)相對(duì)于無(wú)熱管的冷凍機(jī)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(guò)分析得出結(jié)論：有熱管的快速冷凍機(jī)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(lái)，設(shè)計(jì)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：?jiǎn)?dòng)部分、控制部分和冷凍部分。其中啟動(dòng)部分包括：撈矛和彈卡定位機(jī)構(gòu)，懸掛和啟動(dòng)機(jī)構(gòu)，單動(dòng)和內(nèi)管保護(hù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；控制部分括：控制機(jī)構(gòu)、酒精儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)；冷凍部分包括：冷源儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)、扶正機(jī)構(gòu)、巖心快速冷凍機(jī)構(gòu)和取心機(jī)構(gòu)。對(duì)鉆具各個(gè)部分和主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)主要的零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行研究，以天然氣水合物加熱開(kāi)采的原理，設(shè)計(jì)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(guò)室內(nèi)調(diào)試確定試采系統(tǒng)的排氣閥開(kāi)啟壓力為1.0MPa，關(guān)閉壓力為0.5MPa。在中國(guó)凍土水合物一號(hào)試采井進(jìn)行了野外試驗(yàn)。并成功使水合物分解，取得了天然氣。對(duì)試采過(guò)程中降壓法和蒸汽加熱法取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析:在本次的野外試采試驗(yàn)中，降壓法的效率要高于蒸汽加熱法；蒸汽加熱法的瞬時(shí)開(kāi)采流量要大于降壓法的瞬時(shí)開(kāi)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(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了傳熱模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，表明熱管可以提高冷凍機(jī)構(gòu)冷凍巖心的效果，但是沒(méi)有對(duì)熱管的選擇進(jìn)行優(yōu)化，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。本文設(shè)計(jì)了天然氣水合物蒸汽開(kāi)采系統(tǒng)并進(jìn)行了試采研究，雖然試采成功，但是由于條件限制，沒(méi)有取得完整的數(shù)據(jù)，同時(shí)能量轉(zhuǎn)換率也不理想，需要在今后的工作進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(kāi)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(kāi)采研究現(xiàn)狀
    1.4 論文研究?jī)?nèi)容
    本章小結(jié)
第2章 熱管式孔底快速冷凍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
    2.1 研究基礎(chǔ)
        2.1.1 天然氣水合物自保護(hù)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(jī)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(jì)
    本章小結(jié)
第3章 熱管式孔底快速冷凍機(jī)構(gòu)數(shù)值模擬分析
    3.1 冷凍機(jī)構(gòu)縱向傳熱模擬
        3.1.1 模型簡(jiǎn)化
        3.1.2 冷凍機(jī)構(gòu)的模型建立
        3.1.3 冷凍機(jī)構(gòu)縱向傳熱模擬
    3.2 冷凍機(jī)構(gòu)橫向傳熱模擬
        3.2.1 模型簡(jiǎn)化
        3.2.2 冷凍機(jī)構(gòu)的模型建立
        3.2.3 冷凍機(jī)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(jī)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)研究
    4.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
        4.1.1 冷凍裝置
        4.1.2 測(cè)溫系統(tǒng)
        4.1.3 熱管測(cè)試
        4.1.4 其他
    4.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
    4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
        4.3.1 無(wú)巖心試驗(yàn)結(jié)果
        4.3.2 有巖心試驗(yàn)結(jié)果
        4.3.3 試驗(yàn)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(jì)
    5.1 繩索取心式孔底熱管快速冷凍取樣鉆具總體設(shè)計(jì)
        5.1.1 鉆具的設(shè)計(jì)要求
        5.1.2 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
        5.1.3 鉆具工作原理
    5.2 啟動(dòng)部分設(shè)計(jì)
        5.2.1 撈矛和彈卡定位機(jī)構(gòu)
        5.2.2 懸掛和啟動(dòng)機(jī)構(gòu)
        5.2.3 單動(dòng)和內(nèi)管調(diào)節(jié)保護(hù)機(jī)構(gòu)
    5.3 控制部分設(shè)計(jì)
        5.3.1 控制機(jī)構(gòu)
        5.3.2 酒精儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)
    5.4 冷凍部分設(shè)計(jì)
        5.4.1 冷源儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)
        5.4.2 巖心快速冷凍機(jī)構(gòu)
        5.4.3 扶正機(jī)構(gòu)
        5.4.4 取心機(jī)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(yàn)研究
    6.1 蒸汽法試采系統(tǒng)設(shè)計(jì)
        6.1.1 工作原理
        6.1.2 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)
        6.1.3 系統(tǒng)的組成
    6.2 蒸汽法試采系統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
        6.2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
        6.2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    6.3 蒸汽法試采系統(tǒng)野外實(shí)驗(yàn)
        6.3.1 野外實(shí)驗(yàn)
        6.3.2 野外實(shí)驗(yàn)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(diǎn)
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2848959