DOC《吉林大学》

吉林大学 博士学位论文开题报告 绳索取心式孔底冷冻取样钻具 论文题目的传热模拟和室内实验 开题报告人贾瑞培养单位建设工程学院 年级2010级学科专业地质工程 指导教师孙友宏开题报告时间2011年12 月20 日 目录

一、立论依据

1 1.

课题提出

1 2.天然气水合物的特点

1 3.天然气水合物岩心钻探的特点

5 4.研究现状

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二、研究方案

8 1.研究目标

8 2.研究内容

8 3.关键问题

9 4.研究方法

9 5.技术路线

9 6.工作总体计划和进度安排

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三、开题条件

10 1.学术条件

10 2.实验设备条件

10 3.经费落实条件

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四、预期结果

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五、论文大纲(目录)

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五、主要参考文献

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一、立论依据 1.课题提出 随着社会经济的高速发展,煤、石油、天然气等常规能源已不能满足人类发展的需求,国际能源形势日趋紧张.近20多年来,越来越多的国家把目光投向一种新型能源――天然气水合物,被各国科学家公认为是具有良好前景的重要后续能源.目前,人类对于天然气水合物物性的研究已经取得突破性进展,并已形成相当成熟的理论,而在天然气水合物层的勘探、开采方面却成绩寥寥.要想真正的认识水合物,必须获得高保真的天然气水合物样品.钻探取心是获取水合物样品的最直接的方法,也是验证其他方法调查成果的必要手段.由于天然气水合物的物性、成矿位置和特征等方面的特殊性,对钻探取心工作提出了很大的挑战,采用常规的地质钻探取心方法及工艺无法满足天然气水合物钻探的要求. 如果使用常规取样器采取天然气水合物岩心,在提升钻具的过程中,随着地层压力降低,天然气水合物岩心可能发生分解,尤其钻孔比较深,比如在深海钻进中提升钻具时间更长,这不利于取到原位保真的岩心,所以为了取得高保真的岩心,在取样器方面,也需要研究一种适合天然气水合物岩心钻探的取样器. 目前国内外的天然气水合物取样器设计思路主要有两种:一种是以孔内保压为主保温为辅,一种是以孔底冷冻为主,保压为辅或者不保压.传统的孔底冷冻取样采用提钻取心的方式,取心时间长,不利于冷冻岩心的保存;

冷冻剂与钻具在一起,冷冻剂的储存时间需要加入钻进时间,钻进深度和钻进时间都受到很大的限制,冷冻剂保存困难;

冷冻剂在冷冻岩心的过程中,效率低,冷冻效果差.针对以上问题,将孔底冷冻技术与绳索取心技术相结合,研制一种天然气水合物绳索取心式孔底冷冻取样器. 本论文针对天然气水合物绳索取心式孔底冷冻取样器中冷冻系统的问题,提出了研究思路.在原来的孔底冷冻取样器中,其冷冻机构主要是通过冷冻剂和岩心之间的静态的热传递,来达到冷冻岩心的目的,其效率低,损耗大,因此要设计一种新的冷冻岩心的机构,改变原来静态的通过热传递冷冻岩心的方式,提高冷冻效率.同时对冷冻剂进行研究,选择一种最优的冷冻剂. 2.天然气水合物的特点 只有充分了解天然气水合物热物理性质和温压特性才能更好地解决在天然气水合物钻探过程中遇到的问题. 1)天然气水合物的热物理性质 (1)天然气水合物的导热系数(λ) 天然气水合物的导热系数是确定自然界中天然气水合物的沉积厚度、指导钻探取样、钻井温压控制和设计开采方案的关键性数据.由于水合物存在的特殊性,测定水合物的导热系数相当困难.从目前大多数的工作来说,水合物的导热系数在压力不高且温度为300K左右时,近似等于0.5W/(m・K).而且水合物的导热系数仅与水合物结构有关,而与具体何种水合物无关,其导热系数与液态水(0.558 W/(m・K))相差无几,而比冰的导热率(2.23 W/(m・K))小很多. 水合物的导热系数随着密度和压力的提高而增大,而随温度的降低而变大.并且密度和压力对水合物导热系数的影响很小,而温度对水合物导热系数的影响最大. (2)天然气水合物的比热 试验方法确定水合物比热主要受试验过程中水合物的分解热和试验使用的水合物是否纯净影响.目前,水合物比热主要依据Handa(1986)等人通过比热试验所取得的适用于甲烷、乙烷和丙烷水合物的摩尔比热与绝对温度的拟合计算式来计算: C=a+bT+cT2+dT3 (J/(mol ・K)1) 式中a、b、c、d为常数,与组成的气体类型有关,其值见表1. 根据(1)式可以计算不同温度下天然气水合物的比热值.经计算在温度为270K时,甲烷水合物的摩尔比热为258 J/(mol ・K),即比热为3.612*103J/(Kg・K).而且从Handa ` 表1 Handa模拟公式中的常数 气体种类 T(K) a b c*102 d*103 CH4 85-270 6.6 1.4538 -0.3640 0.6312 C2H6 85-265 22.7 1.8717 -0.5358 1.076 C3H8 85-265 -37.6 4.8606 -1.625 3.291 的实验结果表明不同气体形成的水合物是不同的,在相同温度下,丙烷水合物的比热最大,其次是乙烷水合物,甲烷水合物最小.并且水合物的比热与温度呈正比例关系,但其斜率很小,也就是说水合物的比热受温度影响比较小. (3)天然气水合物的分解热 水合物的分解是吸热反应,吸热量的确定关系到如何开采和利用水合物.同时在钻探取样时,水合物也会和外界发生热交换,它也是一个很重要的热学参数.由于天然气水合物形成压力高、水合物的纯度不易确定等因素使水合物分解热不易直接测量.目前,在有气相存在的情况下,主要应用Clausius-Clapeyron方程,计算沿P-T相平衡线的各个摩尔生成焓.其公式如下: (2) 式中:R-气体常数;

P-温度为T时的分解压力;

Z-平衡时的气相压缩因子;

hf-生成焓. 假设水与甲烷的分子数之比为6.15:1,分解温度为285K,可以通过P-T方程求出压缩因子Z,进一步应用Clausius-Clapeyron方程求出甲烷水合物的分解热为54.67KJ/mol.Handa(1986)等用量热法对水合物的分解热进行了测量,并给出了几种常见气体水合物的分解热,如表2.从表中可以看出,水合物的分解热在一定的温度范围内是个常数. 表2 Handa对天然气水合物分解热测量结果 气体种类 T(K) 分解热(KJ/mol) H/I+G H/L+G CH4 160-210 18.13±0.27 54.19±0.28 C2H6 190-250 25.70±0.37 71.80±0.38 C3H8 210-260 27.00±0.33 133.2±0.3 (CH3)3CH 230-260 31.07±0.20 133.2±0.3 注:H-水合物;

I-冰;

G-气体;

L-液体 (4)天然气水合物的自保性 天然气水合物是由水分子和气体分子在高压和低温的条件下形成的,气体分子存在于由水分子构成的水骨架中.当温度降低至负温后,水变成冰,那么水骨架也会变成冰骨架.而冰骨架的强度大大高于水骨架,形成自保护作用,抑制气体析出,从而提高水合物的稳定性.另外通过降低水合物岩心温度,在岩心的外环形成一圈强度较高的保护环,这样就可以维持岩心内部的压力,抑制水合物分解.而且由于水合物分解的自保性,在水合物分解初期会在其表面形成薄薄的白冰,从而减缓水合物的分解速度.当冰层达到一定厚度时,水合物的进一步分解就会停止,如果能够在孔底使水合物温度下降,使其表层的冰层加厚,增强水合物的自保护作用,可以大大减缓其分解,因而这一点对于钻探取样十分有利. 通过以上对水合物导热系数、比热和分解热的分析可知,天然气水合物的导热系数随温度的下降而增大,而水合物的比热和分解热受温度的影响很小,基本保持不变.当用来降低水合物温度的能量保持不变,而导热系数不断增大,随着温度降低,水合物本身的导热能力在不断加强,使热量在水合物内部吸收得更快,从而提高了水合物温度的下降速度. 另外,水合物温度的降低不会影响水合物中各气体组成比例的变化,不会影响水合物取心的保真性.这是因为决定各个气体组成含量的主要因素是原始气体的成分.压力和温度对天然气水合物的组成影响不大,因而各气体组成部分在很大温度和压力范围内是不会改变的. 2)天然气水合物温压特性分析 (1)天然气水合物温压特性定性分析 天然气水合物是在一定的温度和压力下形成的.图1是天然气水合物温度压力临界平衡示意图.从图中可以看出,当水合物温度和压力在临界稳定曲线上部时,水合物处于稳定状态,不会分解;

当位于临界稳定曲线下部时,为非稳定状态,水合物就会分解.如果在一定的温度条件下,当压力低于在该温度下临界稳定曲线上对应的临界点压力值时,水合物则会分解,释放出气体;

而在某一压力条件下,当温度高于在该压力条件下临界稳定曲线上对应的临界点温度值时,水合物亦会分解. 假设在水合物稳定区域中的A点,其稳定存在时的压力为Pa,温度为Ta.那么,在Ta温度下水合物临界稳定点B点的压力为Pb.这时,如果通过外界冷源使水合物的温度降低,即从Ta下降至Tc,那么水合物的临界分解压力也会........