凍土區(qū)天然氣水合物熱激法試開采系統(tǒng)及數(shù)值模擬研究

【摘要】：進(jìn)入二十一世紀(jì)的中國,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已是日新月異,所以對于能源的需求也是與日俱增。作為常規(guī)能源的煤、石油及天然氣已經(jīng)滿足不了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展；同時(shí)常規(guī)能源的無節(jié)制使用也造成了諸多環(huán)境問題,因此尋求高效節(jié)能的能源己被我國所重點(diǎn)關(guān)注。 天然氣水合物就是一種高效潔凈的能源,其特點(diǎn)是分布較廣、資源量相對巨大、埋藏淺、存儲層規(guī)模大、能量密度高等。我國又是世界第三大凍土區(qū),凍土面積約215萬km2,具備良好的天然氣水合物形成的條件,粗略估算凍土區(qū)水合物資源量至少有350億噸油當(dāng)量,因此多年來對于天然氣水合物的開發(fā)與利用都是我國所致力研究的問題。然而有效的開采方法一直是困擾著對其大規(guī)模利用的關(guān)鍵所在；對天然氣水合物開采理論上已有幾種方法：降壓法、熱激法、注入抑制劑法及理論上的CO：置換法。但是每種方法都有其缺點(diǎn)和局限性；本文在調(diào)研了國內(nèi)外有關(guān)天然氣水合物開采的數(shù)值計(jì)算以及有限元模擬基礎(chǔ)之上,充分考慮了天然氣水合物的熱激法開采的機(jī)理,通過模擬計(jì)算改變開采介質(zhì)的溫度、壓力和流速以及作用時(shí)間等開采參數(shù)來辨別影響天然氣水合物開采的主要因素。 本文首先建立數(shù)學(xué)模型,利用數(shù)值計(jì)算方法推導(dǎo)出開采天然氣水合物所需的能量；其次詳細(xì)介紹了由吉林大學(xué)自主研發(fā)的天然氣水合物試開采系統(tǒng)及采氣系統(tǒng)的工作原理以及對開采系統(tǒng)和采氣系統(tǒng)的調(diào)試工作；第三有限元模擬；通過對影響天然氣水合物開采的溫度、壓力、流速及作用時(shí)間四者的有效組合模擬優(yōu)化出適合熱激法開采天然氣水合物的理論參數(shù)；同時(shí)依據(jù)青海木里盆地天然氣水合物地層參數(shù)和吉林大學(xué)自主研發(fā)的天然氣水合物試開采系統(tǒng)的設(shè)備能力進(jìn)行有限元模擬參數(shù)設(shè)置,以達(dá)到理論模擬與實(shí)際的有效結(jié)合,模擬優(yōu)化出適合凍土區(qū)熱激法開采的工藝參數(shù)。 通過上述的工作本文得到了溫度是熱激法開采水合物的主導(dǎo)因素,同時(shí)過高的溫度也會帶來壓力的增大,反而抑制了水合物的分解,所以要將溫度與壓力同時(shí)考慮以作優(yōu)化。通過優(yōu)化得出當(dāng)溫度為80℃,壓力8MPa,流速為2m/s時(shí)熱流體影響的半徑最大,其水平影響半徑可達(dá)6.75m。同時(shí)將熱流體加熱至熱蒸汽時(shí)開采效果更佳,主要是熱蒸汽與水合物作用時(shí)首先是由氣相變?yōu)橐合鄷r(shí)放出大量的熱,其次變?yōu)橐后w時(shí)在常溫常壓下仍是100℃的熱水,與80℃的熱水相比具有更高的能量。但用熱蒸汽開采時(shí)要充分考慮設(shè)備的承受能力。 【關(guān)鍵詞】：天然氣水合物 熱激法開采系統(tǒng) 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P744.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 選題依據(jù)及研究意義13-15
• 1.2 國內(nèi)外研究狀況15-18
• 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.2. 國外研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 主要工作及目標(biāo)18-19
• 1.4 關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)路線19-20
• 本章小結(jié)20-21
• 第二章 凍土區(qū)天然氣水合物熱激法開采計(jì)算理論21-30
• 2.1 基本控制方程21-23
• 2.1.1 動(dòng)量守恒方程21-22
• 2.1.2 能量方程與導(dǎo)熱方程22
• 2.1.3 質(zhì)量守恒方程22-23
• 2.2 邊界條件23-24
• 2.3 建立計(jì)算模型24-29
• 本章小結(jié)29-30
• 第三章 凍土區(qū)天然氣水合物試開采系統(tǒng)30-37
• 3.1 地表加熱裝置31-34
• 3.1.1 地表加熱裝置設(shè)計(jì)原理31-32
• 3.1.2 地表加熱裝置實(shí)物圖32-34
• 3.2 采氣及點(diǎn)火裝置34-36
• 3.2.1 采氣及點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)原理34
• 3.2.2 采氣及點(diǎn)火裝置實(shí)物圖34-36
• 本章小結(jié)36-37
• 第四章 凍土區(qū)天然氣水合物熱激法開采參數(shù)數(shù)值模擬研究37-77
• 4.1 天然氣水合物開采的模擬軟件簡介37-38
• 4.2 fluent軟件參數(shù)設(shè)置及邊界問題38-40
• 4.2.1 模擬參數(shù)的確定38-40
• 4.2.2 邊界條件40
• 4.3 模擬結(jié)果與分析40-47
• 4.3.1 網(wǎng)格劃分40-41
• 4.3.2 求解過程41-44
• 4.3.3 模擬結(jié)果及分析44-47
• 4.4 單一參數(shù)變化的模擬結(jié)果47-61
• 4.4.1 單一的速度變化模擬結(jié)果47-51
• 4.4.2 單一的溫度變化模擬結(jié)果51-54
• 4.4.3 單一的壓力變化模擬結(jié)果54-58
• 4.4.4 單一的作用時(shí)間變化模擬結(jié)果58-61
• 4.5 兩個(gè)參數(shù)變化的模擬結(jié)果61-74
• 4.5.1 速度與溫度共同變化的模擬結(jié)果61-66
• 4.5.2 速度與壓力共同變化的模擬結(jié)果66-70
• 4.5.3 溫度與壓力共同變化的模擬結(jié)果70-74
• 4.6 對比后的最優(yōu)參數(shù)組合模擬74-75
• 本章小結(jié)75-77
• 第五章 結(jié)論與展望77-79
• 5.1 結(jié)論77
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)77
• 5.3 展望77-79
• 參考文獻(xiàn)79-84
• 作者簡介及在學(xué)期間所取得的科研成果84-85
• 作者簡介84
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參與的科學(xué)研究項(xiàng)目84-85
• 致謝85

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