PDF《天然气水合物在水力提升管道中的分解特性》

1 500 m under water. Fifth, the experimental results are basically consistent with the numerical simulation results, and it is indicated that the newly established models are of high re- liability. In conclusion, decomposition surface height and decomposition velocity can be adjusted by controlling flow rate and outlet back pressure rationally during the cutter-suction mining of hydrates while the influences of particle diameter and mining depth on gas produc- tion rate need not be taken into consideration. Keywords: Seabed;

Natural gas hydrate;

Cutter-suction mining;

Hydraulic lifting pipeline;

Decomposition characteristic;

Numerical sim- ulation;

Influential factor;

Particle size of complete decomposition 基金项目 : 国家自然科学基金项目 海底天然气水合物绞吸式开采水力输送机理与系统设计方法研究 (编号 : 51775561) 、湖南省 自然科学基金 深海采矿阀控式清水泵水力提升设备工作机理及设计方法 (编号 : 2018JJ2522) . 作者简介 : 徐海良,1965 年生,教授,博士 ;

主要从事深海矿石及天然气水合物开采方面的研究工作.地址 : (410083)湖 南省长沙市岳麓区中南大学新校区机电大楼 A415.ORCID: 0000-0002-8721-9018.E-mail: [email protected] ・130・

2017 年9月,中国科学家首次在南海海域发现裸 露在海底的水合物 [1] .由于其特殊性质与存在位置导 致难以原位构建封闭环境,故固态开采法最具商业前 景[2-4] .2017 年5月中国在南海成功实施的深水浅层 非成岩水合物固态流化试采就是固态开采法的一种 [5] . 针对海底裸露水合物,笔者所在课题组提出海底水合 物绞吸式开采法并对其做了大量的相关研究 [6-9] ,水 力提升硬管多相流研究是其中的重要一环.目前水力 提升管道多相流研究主要集中在石油、泥沙的开采输 送上,对水合物的多相流管输研究较少,其中周守为 等[10-13] 研究过环空管输送水合物,通过往内部钻杆 中通入钻井液将水合物破碎后通过环空管返回携带 至海面.笔者研究绞吸式开采管道输送,将绞刀绞碎 后的水合物直接通过垂直硬管输送至海面.海底水 合物在水力提升过程中会被打破赋存条件导致分解, 由固液两相流转变成固液气三相流 [14-15] , 且分解位置、 分解速度受到流量、 出口回压、 颗粒直径等因素影响, 探索其影响规律, 能够使水合物的开采安全可控 [16-17] . 通过研究海底水合物水力提升管道的多相流特性,得 到混合流体温压状态及水合物分解位置,可以更好 地实现对管道提升过程的控制,为实际开采及后续 研究中各参数设置调节提供理论支持.

1 数学模型 基本假设 : ①管道为统一材质,传热系数不变, 不考虑绞刀切削传热 ;

②破碎后天然气沉积物颗粒为 均匀球粒,固液两相为不可压缩的定常流动 ;

③气体 服从 Redlich―Kwong 状态方程. 1.1 温度模型 管道内水力提升水合物时,入口处混合流体温 度与海底温度相同,且向上输送过程中随着热量传 递变化.海水分为混合层、温跃层和恒温层,温度 随深度的增加而递减. 混合层深度为-20 ~-200 m, 此层中温度是均匀变化的 ;

其下一层温跃层温度变化 则较明显 ;

最下层恒温层海水的温度较平稳地下降, 变化很小 ;

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000 m 以下常年保持低温状态.海水 垂直温度为 [18] : (1) 式中 Tw 表示海水温度,K ;

T0 表示海面温度,K ;