本文關(guān)鍵詞：天然氣水合物孔底冷凍數(shù)值模擬及繩索取樣鉆具的研究

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【摘要】：天然氣水合物主要賦存在海底沉積物和陸地永久凍土帶,是公認的未來能夠替代常規(guī)油氣資源的清潔能源。天然氣水合物極易分解,只能穩(wěn)定存在于低溫高壓的條件下。獲取高保真的水合物樣品是進行天然氣水合物勘探開發(fā)的關(guān)鍵,目前國際上通用的方法是保溫保壓取樣技術(shù)。保溫保壓取樣技術(shù)是在鉆進結(jié)束后,通過球閥或者翻板閥來密封樣品腔,保證水合物的原位壓力;同時,通過采用保溫材料被動保溫或者采用電子制冷主動保溫的方式維持水合物的初始溫度。但是,由于該技術(shù)對于球閥或者翻板閥的機械密封性能要求較高,在實際應用中的保壓取心率低于60%;而且由于井眼孔徑的要求,以及球閥保壓機構(gòu)的尺寸限制,樣品直徑相對較小,Φ168規(guī)格的保壓取樣鉆具鉆獲的樣品直徑只有Φ50mm,不能完全滿足地質(zhì)測試分析要求。為了解決保溫保壓取樣方法的技術(shù)問題,提出了孔底冷凍取樣技術(shù),通過在孔底降低水合物的溫度,進而降低水合物的臨界分解壓力,同時增強水合物的自保護效應,抑制水合物分解,獲得冷凍狀的水合物樣品。海洋水合物孔底冷凍鉆探取樣時,由于海洋水合物賦存于水深300-4000m的海底以下0-1500m的松散沉積層中。常規(guī)提鉆式取心耗時長、冷凍樣品效率低,極易造成水合物分解。因此,本文提出將繩索取心方法和孔底冷凍方法進行有機結(jié)合,并優(yōu)選高效的冷源,應用于水合物的鉆探取樣。首先本文分析了孔底冷凍天然氣水合物樣品的冷凍目標溫度,指導冷源的選擇及鉆具的設計。針對天然氣水合物效應溫度范圍(-31℃~-2℃)。結(jié)合天然氣水合物在低溫下的分解特性,采用TOUGH+HYDRATE軟件針對常壓環(huán)境條件下,不同低溫條件水合物的分解特性進行數(shù)值模擬分析。分別對水合物在-30℃~-5℃時的分解量進行了模擬分析,最終得出孔底冷凍水合物的冷凍目標溫度區(qū)間為-30℃~-15℃。結(jié)合孔底冷凍水合物的目標溫度和目前采用的工藝方法,提出孔底冷凍取樣的關(guān)鍵問題是如何提高樣品的冷凍效率。目前孔底冷凍水合物是通過酒精與干冰在孔底進行混合,形成低溫酒精來冷凍樣品。但是由于混合效率較低,并且低溫酒精提供的冷凍能量密度較低,不能完全滿足樣品冷凍的目標溫度要求。因此,提出通過增大酒精與干冰接觸面積,延長酒精干冰混合時間的方式,來提高冷源混合制冷效率,獲得溫度更低的低溫酒精。設計了空管結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和帶孔管結(jié)構(gòu)來優(yōu)化酒精干冰的孔內(nèi)混合效率。酒精-干冰混合試驗結(jié)果證明帶孔管結(jié)構(gòu)獲得的低溫酒精的溫度最低為-30.3℃。然后進行冷凍模擬樣品試驗;結(jié)果表明-30.3℃的低溫酒精不能滿足冷凍樣品的需求。因此提出要優(yōu)選制冷能力更強的冷源,能夠在深水鉆探復雜工況條件下實現(xiàn)孔底快速冷凍尺寸較大的水合物樣品至目標溫度區(qū)間。依照孔底冷凍取樣方法關(guān)于冷源選擇的原則,初選酒精-干冰的混合物、液氮、液氮-酒精混合物三種溶劑作為冷源。根據(jù)孔底冷凍取樣的兩個過程,即冷源在孔內(nèi)的存儲過程和孔底冷凍樣品過程,對初選的三種冷源開展數(shù)值模擬和試驗研究,以確定最佳冷源。冷源在孔內(nèi)的存儲過程:采用ansys-fluent進行冷源孔內(nèi)存儲過程的數(shù)值模擬分析。模擬結(jié)果顯示在2小時的存儲過程中,液氮損失了52%,酒精-干冰混合物損失了0.9%,酒精-液氮混合物溫度上升了5℃。同時進行了三種冷源的孔內(nèi)存儲試驗研究。試驗結(jié)果顯示在2小時的存儲過程中,液氮全部氣化,酒精-干冰混合物損失了0.018%,酒精-液氮混合物的溫度上升了22℃。綜合數(shù)值模擬與試驗結(jié)果可以看出,酒精-干冰混合物的孔內(nèi)存儲效果最好�？椎桌鋬鰳悠愤^程:通過數(shù)值模擬分析,在30min的取樣時間內(nèi)液氮可將樣品從2℃冷凍至-48.7℃,酒精-干冰混合物可將樣品冷凍至-24.3℃,酒精-液氮混合物可將樣品冷凍至-7.5℃。三種冷源的孔底冷凍樣品的試驗結(jié)果顯示液氮在冷凍模擬樣品的過程中,由于液氮性質(zhì)不穩(wěn)定導致冷凍效果為零。相同條件下通過調(diào)整酒精-干冰混合物中干冰的量,可將模擬樣品冷凍至平均溫度為-24℃。酒精-液氮可將模擬樣品冷凍至-2℃。通過酒精-干冰混合物冷凍天然氣水合物的數(shù)值模擬分析,證明酒精-干冰混合物能夠滿足孔底冷凍天然氣水合物樣品的要求。綜合兩個過程的模擬分析、試驗結(jié)果和冷凍天然氣水合物的數(shù)值模擬結(jié)果,證明酒精-干冰混合物最低溫度可達-110℃,在孔內(nèi)(5℃)可保存120min,可在7min內(nèi)將樣品從2℃冷凍至最低-42.56℃,并在30min內(nèi)樣品一直保持在冷凍目標溫度區(qū)間。該冷源充分利用了干冰強大的升華吸熱特性,以及長效低溫保存能力,可以快速的將樣品冷凍至目標低溫,而且樣品低溫保持時間長,因此確定酒精-干冰混合物作為孔底冷凍取樣技術(shù)的冷源。以酒精-干冰混合物作為冷源冷凍樣品為依據(jù),并根據(jù)孔底冷凍取樣繩索取心技術(shù)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)問題,設計了孔底冷凍雙彈卡繩索取樣鉆具。該鉆具外徑Φ127mm,取心直徑Φ50mm,取心長度2000mm,總長為6878mm。鉆具包括打撈機構(gòu)、彈卡定位機構(gòu)、懸掛機構(gòu)、冷源注入控制機構(gòu)、單動機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、冷源存儲機構(gòu)、冷凍機構(gòu)和取心機構(gòu)。其中冷源存儲機構(gòu)、冷源注入控制機構(gòu)和冷凍機構(gòu)是最關(guān)鍵的三個機構(gòu),分別實現(xiàn)冷源的孔內(nèi)存儲,采用雙彈卡機構(gòu)控制冷源從儲冷機構(gòu)注入到冷凍機構(gòu),實現(xiàn)在孔底快速冷凍樣品三個主要功能。針對鉆具的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵機構(gòu)進行設計和計算;總結(jié)水合物孔底冷凍繩索取心工藝過程共包括十個關(guān)鍵步驟:鉆具孔外調(diào)試、超低溫冷源制備、冷源儲冷腔預冷、冷源填裝、下井鉆進、冷源孔內(nèi)存儲、冷源注入、孔底快速冷凍、冷凍樣品提取、樣品存儲及分析。加工鉆具并采用鉆具進行了鉆進試驗。試驗結(jié)果顯示研制的天然氣水合物孔底冷凍雙彈卡繩索取樣鉆具能夠滿足設計要求。本文針對孔底冷凍繩索取心技術(shù)的特點,結(jié)合孔底冷凍水合物的目標溫度區(qū)間,首次提出了開展孔底冷凍水合物樣品效率研究。通過優(yōu)選冷源提高孔底冷凍樣品的效率,實現(xiàn)孔底快速冷凍樣品;并將孔底冷凍技術(shù)與繩索取心技術(shù)相結(jié)合設計了孔底冷凍雙彈卡繩索取樣鉆具。通過鉆進試驗驗證鉆具能夠滿足設計要求。本研究提出了孔底冷凍繩索取心關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和鉆具的結(jié)構(gòu),總結(jié)了冷凍取樣的工藝技術(shù)參數(shù)和工藝流程,為水合物的鉆探取樣提供理論支持與技術(shù)儲備。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P618.13;P634.4

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