天然氣水合物(NGH)是目前世界上探明的一種新型清潔能源,它具有分布廣泛和高效的特性。從1810年發(fā)現(xiàn)水合物開始,世界各國已經(jīng)在其國內(nèi)大規(guī)模探測天然氣水合物分布和儲量,研究科學(xué)高效開采天然氣水合物的技術(shù)。目前經(jīng)過原位實驗的天然氣水合物開采方法主要有降壓法,熱刺激法、熱力學(xué)抑制劑注入法和二氧化碳置換法等。然而,考慮到天然氣生產(chǎn)率和開采時間等開采效果,最常用的開采方法被認(rèn)為是與熱刺激相結(jié)合的減壓方法。但我們發(fā)現(xiàn),很少有研究關(guān)注在垂直井中采用不同開采方法對NGH生產(chǎn)的影響。特別是針對在不同開采方法中采用沒有質(zhì)量注入的原位電加熱的生產(chǎn)效果比較�？紤]到目前的研究現(xiàn)狀,本文在自行設(shè)計的實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上,對甲烷水合物開采進(jìn)行了五組垂直井原位模擬實驗。分別采用以下四種開采方法:純降壓(PD)、純電加熱(PH)、降壓聯(lián)合電加熱(SDH)和熱吞吐法(HP)。通過對分解過程中溫度場、平均產(chǎn)氣速率、水合物分解速率、獲得凈能量、消耗能量等參數(shù)變化的分析,找出最佳的開發(fā)方法。在轉(zhuǎn)換獲得凈能量和消耗能量為一種能量品質(zhì)分析各開采方法能量效率的同時設(shè)計了一個平均凈能量指標(biāo)來一起比較這些開采方法對商業(yè)開發(fā)的適用性。研究成果主要包括:(1)采用無質(zhì)量注入的原位電加熱時,電加熱能有效傳遞熱量到水合物沉積層內(nèi)。純降壓法、降壓聯(lián)合電加熱法和純加熱法的溫度基本以不同增長幅度持續(xù)上升直到釜體內(nèi)外傳熱平衡。而熱吞吐法溫度變化趨勢為隨時間上下波動的循環(huán)上升。釜體內(nèi)溫度變化不僅受開采方法影響,還受到開采過程產(chǎn)水影響。(2)每一種開采方法實驗的累積產(chǎn)氣曲線和未分解水合物質(zhì)量曲線近乎關(guān)于一條直線的對稱。這條直線是各試驗組反應(yīng)釜內(nèi)未分解水合物總量和已分解水合物總量相等的點的連線。被命名為水合物分解和產(chǎn)氣平衡線(LineNDB)。說明反應(yīng)釜釜體內(nèi)的自由氣對V_p沒有貢獻(xiàn),水合物分解是產(chǎn)氣的唯一來源。(3)純降壓法利用的能量是從外界水浴吸收的。水合物分解前沿從四周邊界向中心垂直井方向移動。相比純降壓法,降壓聯(lián)合電加熱法和熱吞吐法額外提供了加熱驅(qū)動力。水合物主要從中心井向邊界分解。純電加熱法只有電加熱提供的熱分解驅(qū)動力,水合物只能從中心井向邊界分解。并且采用純電加熱法水合物不能被完全開采,純電加熱法中電加熱影響范圍有限。(4)熱吞吐法中累計產(chǎn)氣成階梯狀不斷增長,反應(yīng)釜內(nèi)未分解水合物質(zhì)量呈鋸齒狀不斷下降。純降壓法,降壓聯(lián)合電加熱法和純電加熱法產(chǎn)氣和未分解水合物質(zhì)量都隨時間逐漸變化。(5)不同功率的降壓聯(lián)合電加熱法開采時,雖然不同的電加熱功率提供了不同的熱驅(qū)動力,但在熱驅(qū)動力能充分滿足水合物分解的時間內(nèi)開采效果是一樣的。直到功率低的提供的熱驅(qū)動力不能滿足水合物快速分解,兩者開采效果出現(xiàn)不同。我們可以考慮在采用同種開采方法時通過改變加熱功率來控制水合物分解速率和開采時間,這為商業(yè)化開采提供了一種手段。但是,提高電加熱功率對凈能量的獲得影響有限。(6)在消耗相同能量的條件下,由于熱吞吐法加熱功率大,提供熱分解驅(qū)動力大。并且燜井期間釜體內(nèi)壓力升高使開采時壓力分解驅(qū)動力增大,開采耗時短于降壓聯(lián)合電加熱法。在相同功率下,采用連續(xù)加熱的降壓聯(lián)合電加熱法為了維持反應(yīng)釜內(nèi)連續(xù)的溫度梯度,電加熱耗能大。而熱吞吐法不屬于持續(xù)加熱,在燜井和產(chǎn)氣期間水合物吸收被加熱區(qū)域石英砂的熱量持續(xù)分解,電加熱提供的能量主要被水合物分解吸收,熱損小。綜合獲得凈能量、消耗能量、開采時間和獲得凈能量速率指標(biāo),認(rèn)為熱吞吐法在四種方法中開采效果最好。(7)采用不同的開采方法會對水合物開采效果產(chǎn)生明顯影響。純降壓法的平均凈能量指標(biāo)很小,商業(yè)開采價值低。純加熱法能量效率和平均凈能量指標(biāo)均最低為負(fù),開采效果不理想,不具有商業(yè)開采價值。并且我們在降壓聯(lián)合電加熱法的研究中發(fā)現(xiàn)開采過程中合理選擇電加熱功率來指導(dǎo)開采可以達(dá)到更好的開采效果。熱吞吐法開采效果理想,在四種方法中最具有商業(yè)開采價值。最后在本文研究結(jié)果的基礎(chǔ)上對未來天然氣水合物開采技術(shù)的研究進(jìn)行了展望。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE37
【部分圖文】：

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒 論1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究簡介截止 2010 年，全球大約在 230 處區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。這些區(qū)域多為大陸永久凍土、大陸邊緣的隆起處、極地大陸架、島嶼的斜坡地帶以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境[7]。根據(jù) 2011 年美國水合物能源國際(Hydrate EnergyInternational)的評價，較高飽和度水合物在全球砂巖中的地質(zhì)儲量約為 1230 萬億立方米[8]。在全球海底區(qū)域，天然氣水合物藏的分布面積約占地球海洋總面積的1/4。天然氣水合物藏在全球海底和陸地凍土帶的分布位置如圖 1.1 所示。

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒 論1972 年，加拿大在麥肯齊三角洲的馬利克地區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的存在；1998 年到 2002 年，加拿大在該地區(qū)的 Mallik 2L-38 井實施了世界首個陸上凍土區(qū)水合物鉆探工程，并與其他國家和機(jī)構(gòu)聯(lián)合采用注熱法在 Mallik 2L-38 井進(jìn)行了天然氣水合物試采獲得成功。5.5 天內(nèi)采氣 470 立方米，最大產(chǎn)氣速率達(dá)到 1500 立方米/日[16]；在 2007-2008 年期間，加拿大與日本合作在 Mallik 2L-38 井進(jìn)行了第二次水合物開發(fā)試驗。采用降壓法試采 6.8 天累計產(chǎn)氣約 1.3 萬立方米。同時對Cascadia 海域進(jìn)行了天然氣水合物勘探研究，獲得了實物樣品。

在中國地質(zhì)調(diào)查局的組織下，廣州海洋局聯(lián)合國內(nèi)外先進(jìn)調(diào)查勘探力量在南海北部神狐海域成功鉆獲天然氣水合物實物樣品，發(fā)現(xiàn)了礦層厚度大、飽和度高、甲烷含量高的分散型天然氣水合物礦藏，證實該區(qū)域賦存了大量的天然氣水合物藏資源。我國成為全球第四個通過國家級研發(fā)計劃采集到海域天然氣水合物實物樣品的國家這也標(biāo)志著我國在海洋天然氣水合物藏領(lǐng)域的調(diào)查研究水平步入了世界先進(jìn)行列。2008 年 11 月，中國地質(zhì)調(diào)查局在青藏高原祁連山脈木里地區(qū)永久凍土帶開展了凍土層天然氣水合物科學(xué)鉆探工程，并成功鉆獲到了天然氣水合物實物樣品。到 2011 年，共鉆井 8 口，其中有 5 口井鉆獲到了天然氣水合物實物樣品[24]。并利用加熱與排水降壓相結(jié)合的方式試采約 100 小時，最終產(chǎn)出天然氣超過90 立方米[7]。2013 年，根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)一部署，廣州海洋局在珠江口盆地東部海域鉆獲多種類型水合物樣品，首次發(fā)現(xiàn)超千億方級礦藏。兩年后，“海馬冷泉”在珠江口盆地西部海域被“海馬”號無人遙控潛水器發(fā)現(xiàn)并成功獲取了可燃冰樣品。同年，在神狐海域，我國再次鉆探發(fā)現(xiàn)超千億方級水合物礦藏，為未來水合物試采提供了重要參考靶區(qū)。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

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本文編號：2879628