【摘要】：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,能源的需求量不斷上升,然而傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量正在逐漸減小,因此新型能源的開采與利用具有重大的研究意義,在此背景下,具有儲(chǔ)備量大、熱值高等優(yōu)點(diǎn)的新型清潔能源天然氣水合物已經(jīng)稱為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。本文根據(jù)海洋天然氣水合物的儲(chǔ)層特點(diǎn),提出采用高壓水射流技術(shù)破碎含水合物沉積物,并采用反循環(huán)鉆采技術(shù)運(yùn)輸水合物的新型開采方式。評(píng)價(jià)此項(xiàng)技術(shù)開采效率的主要指標(biāo)為含水合物沉積物在高壓水射流作用下的沖蝕效果,為此本文首先通過理論分析研究了噴射靶距及射流速度不同時(shí)水錘壓力的計(jì)算公式以及含水合物沉積物本構(gòu)模型,再運(yùn)用數(shù)值模擬的方式,采用顯示動(dòng)力分析有限元程序LS-DYNA結(jié)合ALE算法對(duì)淹沒射流條件下水射流破碎含水合物沉積物過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,運(yùn)用正交模擬試驗(yàn)與單因素分析相結(jié)合的方式將射流速度、入射角度、噴嘴直徑和噴距四項(xiàng)因素對(duì)沉積物破碎效果影響規(guī)律及其原理進(jìn)行了分析,最后通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)模擬得出結(jié)論的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,取得主要結(jié)論有:(1)將應(yīng)力波理論和淹沒射流結(jié)構(gòu)特征方程結(jié)合推導(dǎo)出淹沒射流條件下水錘壓力的計(jì)算公式,并利用Lemaitre連續(xù)損傷等效應(yīng)變假設(shè)與H-J-C模型的損傷因子推導(dǎo)出淹沒射流條件下考慮到損傷的天然氣水合物沉積物本構(gòu)模型。(2)采用正交數(shù)值模擬方式得出不同射流因素對(duì)沖蝕體積敏感性大小順序?yàn)樯淞魉俣葒娮熘睆絿娋嗳肷浣嵌?其最優(yōu)參數(shù)組合為_3 _2 _3 _1;不同射流參數(shù)對(duì)沖蝕深度敏感性大小依次為:射流速度噴距入射角度噴嘴直徑,其最優(yōu)參數(shù)組合為_3 _1 _3 _1。(3)沉積物開始產(chǎn)生破碎的前提為射流速度大于臨界流速,臨界流速數(shù)值會(huì)隨噴射靶距的減小而將低。當(dāng)其他因素一定時(shí),沖蝕體積和沖蝕深度會(huì)隨射流速度的增加而線性遞增。(4)沉積物沖蝕體積隨入射角度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),入射角度為10°時(shí)沉積物的沖蝕體積將達(dá)到最大值,而沖蝕深度在水射流垂直入射的情況下達(dá)到最大值,在此之后隨著入射角度的增加而減小。(5)噴嘴直徑的增加會(huì)使沖蝕體積逐漸增大,而由于阻礙沖蝕坑繼續(xù)發(fā)展的水墊效應(yīng),在本文所建立的模型中沖蝕深度在噴嘴直徑增加至2.1mm時(shí)達(dá)到最大,隨后會(huì)基本保持穩(wěn)定或略有減小,當(dāng)噴嘴直徑小于2.1mm時(shí)軸向沖蝕體積占主導(dǎo)地位;當(dāng)噴嘴直徑大于2.1mm后徑向沖蝕體積占主導(dǎo)地位。(6)隨著噴射靶距的逐漸增大,沖蝕體積與沖蝕深度均逐漸降低,噴射靶距從0.2cm增加至0.4cm的過程中沖蝕體積會(huì)存在斷崖式下降的現(xiàn)象,在此之后沖蝕體積下降速度比較緩慢。這是由于噴射靶距越長(zhǎng)水射流從噴嘴流出直至接觸到沉積物表面過程中路徑越遠(yuǎn),能量損失越多,沉積物的破碎效果越差。(7)通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量四氫呋喃水合物沉積物的臨界流速為21.04m/s,相同參數(shù)條件下數(shù)值模擬所得沉積物模型臨界流速為24.01 m/s,二者數(shù)值比較接近,因此認(rèn)為數(shù)值模擬所得各因素對(duì)沉積物破碎效果的影響規(guī)律接近實(shí)際情況。
【圖文】：

圖 1.1 我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)統(tǒng)計(jì)圖由圖 1.2 可知，我國(guó)目前主要的能源來源是煤炭，，可以占到全部能%~70%,但近十年來煤炭的消費(fèi)比重一直呈現(xiàn)穩(wěn)定減小的趨勢(shì)，已經(jīng)從 200 71.5%縮小到 2017 年的 60.4%，同時(shí)相比于其他能源每年煤炭的生產(chǎn)比于最高。十年內(nèi)原油的消費(fèi)比重從 16.7%到 18.8%持續(xù)增高，但我國(guó)原油較低且生產(chǎn)比重處于持續(xù)下滑的狀態(tài)，供應(yīng)十分依賴進(jìn)口，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)原

圖 1.1 我國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)統(tǒng)計(jì)圖由圖 1.2 可知，我國(guó)目前主要的能源來源是煤炭，可以占到全部能%~70%,但近十年來煤炭的消費(fèi)比重一直呈現(xiàn)穩(wěn)定減小的趨勢(shì)，已經(jīng)從 200 71.5%縮小到 2017 年的 60.4%，同時(shí)相比于其他能源每年煤炭的生產(chǎn)比于最高。十年內(nèi)原油的消費(fèi)比重從 16.7%到 18.8%持續(xù)增高，但我國(guó)原油較低且生產(chǎn)比重處于持續(xù)下滑的狀態(tài)，供應(yīng)十分依賴進(jìn)口，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)原
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE53

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本文編號(hào)：2615689