發(fā)布時間：2018-10-31 13:34

【摘要】：天然氣水合物是一種世界公認的最具潛力的清潔新能源,目前我國對水合物勘探開采研究正進入關(guān)鍵突破階段。傳熱特性對水合物高效開采有至關(guān)重要的影響和控制作用,本文以水合物開采過程中面臨的高效性關(guān)鍵問題為研究背景,針對水合物沉積物有效導熱系數(shù)、儲層傳熱因素,分解過程傳熱變化規(guī)律以及對開采影響展開重點研究。為了探明水合物沉積物導熱特性,本文自主開發(fā)了一種高壓低溫原位測量多孔介質(zhì)中水合物有效導熱系數(shù)的實驗方法和系統(tǒng),獲取了水合物沉積物在不同孔隙度、多孔介質(zhì)、飽和度、溫度等多因素作用下的有效導熱系數(shù)變化規(guī)律。并基于不同維度的實驗數(shù)據(jù),建立了水合物沉積物有效導熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,對比證明該經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式能夠較好預測THF水合物沉積物和水飽和沉積物的有效導熱系數(shù)。系統(tǒng)研究了水合物沉積物開采過程中儲層的宏觀傳熱因素,實驗發(fā)現(xiàn)悶罐式水合物熱開采過程是導熱控制型分解模式,證明沉積物導熱系數(shù)和開采溫度決定了開采效率。實驗得出高導熱系數(shù)多孔介質(zhì)材料對水合物分解的促進作用主要體現(xiàn)在水合物的分解后期,它能夠提高沉積物分解溫度、產(chǎn)氣速率和累積產(chǎn)氣量,抑制冰的生成,進而提高水合物的開采效率。結(jié)合Ste的計算證明沉積物的顯熱在降壓開采的快速降壓階段控制著水合物的開采效率,較高的Ste在快速降壓階段能促進水合物的分解,提高開采溫度并抑制結(jié)冰現(xiàn)象,當Shj30%,顯熱對水合物促進作用顯著減弱。研究發(fā)現(xiàn)Qov在降壓開采后期熱傳遞和水合物開采效率上起到主導控制作用,Qov能夠顯著的提高水合物開采效率,隨著水合物飽和度增加,Qov對開采的促進作用增強。而隨著Qov的持續(xù)增加,對水合物的促進作用反而逐漸減弱,水合物的開采效率也逐漸降低。探討了水合物開采過程中的傳熱影響機理,對三種開采技術(shù)的傳熱影響與開采效率關(guān)系進行了系統(tǒng)的對比分析,證明沉積層的顯熱和抑制結(jié)冰是提高降壓開采效率的關(guān)鍵因素；能源利用率和水合物飽和度是決定注熱開采效率的關(guān)鍵；聯(lián)合開采具有可觀的產(chǎn)氣效率,是一種最具應(yīng)用前景的開采技術(shù)。實驗獲取了水合物分解過程不同階段導熱系數(shù)變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了水合物分解速率、氣水遷移是控制水合物分解過程沉積物導熱系數(shù)變化的主要因素。建立了一種高壓低溫下多孔介質(zhì)中水合物分解過程傳熱系數(shù)法原位測量方法,獲取了水合物沉積物內(nèi)部傳熱系數(shù)與分解速率和產(chǎn)氣速率的協(xié)同變化規(guī)律,實驗證明了水合物分解過程中的相態(tài)變化和氣液流動是傳熱系數(shù)變化的主要驅(qū)動力。在水合物快速分解階段,傳熱系數(shù)隨著水合物的分解和產(chǎn)氣輸出呈現(xiàn)出快速上升趨勢,水合物降壓開采過程中的傳熱系數(shù)隨著Shi的升高呈現(xiàn)出先增高后降低的規(guī)律。
[Abstract]:Natural gas hydrate is recognized as the most potential clean new energy in the world. At present, the research on hydrate exploration and exploitation in China is entering a critical breakthrough stage. The heat transfer characteristic has the vital influence and the control function to the hydrate high efficiency exploitation. This paper takes the high efficiency key problem in the hydrate mining process as the research background, aiming at the hydrate sediment effective thermal conductivity, the reservoir heat transfer factor. The variation of heat transfer in decomposition process and its influence on mining are studied. In order to investigate the thermal conductivity of hydrate sediments, an experimental method and system for in-situ measurement of effective thermal conductivity of hydrate in porous media at high pressure and low temperature were developed, and the effective thermal conductivity of hydrate sediments in different porosity and porous media was obtained. The variation of effective thermal conductivity under the action of saturation, temperature and other factors. Based on the experimental data of different dimensions, an empirical correlation formula for the effective thermal conductivity of hydrate sediments is established. It is proved that the empirical correlation can better predict the effective thermal conductivity of THF hydrate sediments and water-saturated sediments. The macroscopic heat transfer factors of reservoir in the process of hydrate sediment exploitation are systematically studied. The experimental results show that the thermal recovery process of gas hydrate is a thermal conductivity controlled decomposition mode, which proves that the thermal conductivity and exploitation temperature of sediment determine the recovery efficiency. The results show that the effect of high thermal conductivity porous media on hydrate decomposition is mainly reflected in the later stage of hydrate decomposition, which can increase the decomposition temperature, gas production rate and cumulative gas production rate of sediment, and inhibit the formation of ice. Furthermore, the extraction efficiency of hydrate is improved. Combined with the calculation of Ste, it is proved that the sensible heat of sediment controls the extraction efficiency of hydrates in the stage of rapid depressurization. The higher Ste can promote the decomposition of hydrates, raise the extraction temperature and restrain the phenomenon of ice formation in the stage of rapid depressurization. The promoting effect of sensible heat on hydrate is obviously weakened. It is found that Qov plays a leading role in controlling heat transfer and hydrate recovery efficiency in the later stage of depressurized mining, and that Qov can significantly improve the hydrate extraction efficiency. With the increase of hydrate saturation, the effect of Qov on mining is enhanced. However, with the increase of Qov, the promotion of hydrate becomes weaker and the recovery efficiency of hydrate decreases gradually. The influence mechanism of heat transfer in hydrate mining is discussed. The relationship between heat transfer effect and extraction efficiency of the three mining technologies is systematically compared and analyzed. It is proved that the sensible heat of sediment layer and the inhibition of ice formation are the key factors to improve the efficiency of depressurization mining. Energy utilization ratio and hydrate saturation are the key factors to determine the efficiency of heat injection extraction, and combined mining is the most promising mining technology for its considerable gas production efficiency. The variation of thermal conductivity in different stages of hydrate decomposition is obtained experimentally. It is found that the rate of hydrate decomposition and gas-water migration are the main factors controlling the variation of sediment thermal conductivity during hydrate decomposition. A method of in-situ measurement of heat transfer coefficient of hydrate decomposition process in porous medium at high pressure and low temperature was established. The synergistic variation of heat transfer coefficient with decomposition rate and gas production rate in hydrate sediment was obtained. The experimental results show that the change of phase state and gas-liquid flow are the main driving forces for the change of heat transfer coefficient in the process of hydrate decomposition. In the rapid decomposition stage of hydrate, the heat transfer coefficient increases rapidly with the decomposition of hydrate and gas output, and the heat transfer coefficient increases first and then decreases with the increase of Shi.
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE37

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本文編號：2302380