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《吉林大学》 2017年
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天然气水合物孔底冷冻数值模拟及绳索取样钻具的研究

王元  
【摘要】:天然气水合物主要赋存在海底沉积物和陆地永久冻土带,是公认的未来能够替代常规油气资源的清洁能源。天然气水合物极易分解,只能稳定存在于低温高压的条件下。获取高保真的水合物样品是进行天然气水合物勘探开发的关键,目前国际上通用的方法是保温保压取样技术。保温保压取样技术是在钻进结束后,通过球阀或者翻板阀来密封样品腔,保证水合物的原位压力;同时,通过采用保温材料被动保温或者采用电子制冷主动保温的方式维持水合物的初始温度。但是,由于该技术对于球阀或者翻板阀的机械密封性能要求较高,在实际应用中的保压取心率低于60%;而且由于井眼孔径的要求,以及球阀保压机构的尺寸限制,样品直径相对较小,Φ168规格的保压取样钻具钻获的样品直径只有Φ50mm,不能完全满足地质测试分析要求。为了解决保温保压取样方法的技术问题,提出了孔底冷冻取样技术,通过在孔底降低水合物的温度,进而降低水合物的临界分解压力,同时增强水合物的自保护效应,抑制水合物分解,获得冷冻状的水合物样品。海洋水合物孔底冷冻钻探取样时,由于海洋水合物赋存于水深300-4000m的海底以下0-1500m的松散沉积层中。常规提钻式取心耗时长、冷冻样品效率低,极易造成水合物分解。因此,本文提出将绳索取心方法和孔底冷冻方法进行有机结合,并优选高效的冷源,应用于水合物的钻探取样。首先本文分析了孔底冷冻天然气水合物样品的冷冻目标温度,指导冷源的选择及钻具的设计。针对天然气水合物效应温度范围(-31℃~-2℃)。结合天然气水合物在低温下的分解特性,采用TOUGH+HYDRATE软件针对常压环境条件下,不同低温条件水合物的分解特性进行数值模拟分析。分别对水合物在-30℃~-5℃时的分解量进行了模拟分析,最终得出孔底冷冻水合物的冷冻目标温度区间为-30℃~-15℃。结合孔底冷冻水合物的目标温度和目前采用的工艺方法,提出孔底冷冻取样的关键问题是如何提高样品的冷冻效率。目前孔底冷冻水合物是通过酒精与干冰在孔底进行混合,形成低温酒精来冷冻样品。但是由于混合效率较低,并且低温酒精提供的冷冻能量密度较低,不能完全满足样品冷冻的目标温度要求。因此,提出通过增大酒精与干冰接触面积,延长酒精干冰混合时间的方式,来提高冷源混合制冷效率,获得温度更低的低温酒精。设计了空管结构、分层结构和带孔管结构来优化酒精干冰的孔内混合效率。酒精-干冰混合试验结果证明带孔管结构获得的低温酒精的温度最低为-30.3℃。然后进行冷冻模拟样品试验;结果表明-30.3℃的低温酒精不能满足冷冻样品的需求。因此提出要优选制冷能力更强的冷源,能够在深水钻探复杂工况条件下实现孔底快速冷冻尺寸较大的水合物样品至目标温度区间。依照孔底冷冻取样方法关于冷源选择的原则,初选酒精-干冰的混合物、液氮、液氮-酒精混合物三种溶剂作为冷源。根据孔底冷冻取样的两个过程,即冷源在孔内的存储过程和孔底冷冻样品过程,对初选的三种冷源开展数值模拟和试验研究,以确定最佳冷源。冷源在孔内的存储过程:采用ansys-fluent进行冷源孔内存储过程的数值模拟分析。模拟结果显示在2小时的存储过程中,液氮损失了52%,酒精-干冰混合物损失了0.9%,酒精-液氮混合物温度上升了5℃。同时进行了三种冷源的孔内存储试验研究。试验结果显示在2小时的存储过程中,液氮全部气化,酒精-干冰混合物损失了0.018%,酒精-液氮混合物的温度上升了22℃。综合数值模拟与试验结果可以看出,酒精-干冰混合物的孔内存储效果最好。孔底冷冻样品过程:通过数值模拟分析,在30min的取样时间内液氮可将样品从2℃冷冻至-48.7℃,酒精-干冰混合物可将样品冷冻至-24.3℃,酒精-液氮混合物可将样品冷冻至-7.5℃。三种冷源的孔底冷冻样品的试验结果显示液氮在冷冻模拟样品的过程中,由于液氮性质不稳定导致冷冻效果为零。相同条件下通过调整酒精-干冰混合物中干冰的量,可将模拟样品冷冻至平均温度为-24℃。酒精-液氮可将模拟样品冷冻至-2℃。通过酒精-干冰混合物冷冻天然气水合物的数值模拟分析,证明酒精-干冰混合物能够满足孔底冷冻天然气水合物样品的要求。综合两个过程的模拟分析、试验结果和冷冻天然气水合物的数值模拟结果,证明酒精-干冰混合物最低温度可达-110℃,在孔内(5℃)可保存120min,可在7min内将样品从2℃冷冻至最低-42.56℃,并在30min内样品一直保持在冷冻目标温度区间。该冷源充分利用了干冰强大的升华吸热特性,以及长效低温保存能力,可以快速的将样品冷冻至目标低温,而且样品低温保持时间长,因此确定酒精-干冰混合物作为孔底冷冻取样技术的冷源。以酒精-干冰混合物作为冷源冷冻样品为依据,并根据孔底冷冻取样绳索取心技术的关键结构技术问题,设计了孔底冷冻双弹卡绳索取样钻具。该钻具外径Φ127mm,取心直径Φ50mm,取心长度2000mm,总长为6878mm。钻具包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、冷源注入控制机构、单动机构、调节机构、冷源存储机构、冷冻机构和取心机构。其中冷源存储机构、冷源注入控制机构和冷冻机构是最关键的三个机构,分别实现冷源的孔内存储,采用双弹卡机构控制冷源从储冷机构注入到冷冻机构,实现在孔底快速冷冻样品三个主要功能。针对钻具的总体结构和关键机构进行设计和计算;总结水合物孔底冷冻绳索取心工艺过程共包括十个关键步骤:钻具孔外调试、超低温冷源制备、冷源储冷腔预冷、冷源填装、下井钻进、冷源孔内存储、冷源注入、孔底快速冷冻、冷冻样品提取、样品存储及分析。加工钻具并采用钻具进行了钻进试验。试验结果显示研制的天然气水合物孔底冷冻双弹卡绳索取样钻具能够满足设计要求。本文针对孔底冷冻绳索取心技术的特点,结合孔底冷冻水合物的目标温度区间,首次提出了开展孔底冷冻水合物样品效率研究。通过优选冷源提高孔底冷冻样品的效率,实现孔底快速冷冻样品;并将孔底冷冻技术与绳索取心技术相结合设计了孔底冷冻双弹卡绳索取样钻具。通过钻进试验验证钻具能够满足设计要求。本研究提出了孔底冷冻绳索取心关键技术参数和钻具的结构,总结了冷冻取样的工艺技术参数和工艺流程,为水合物的钻探取样提供理论支持与技术储备。
【关键词】:天然气水合物 孔底冷冻 数值模拟 冷源优选 酒精-干冰混合物 绳索取心
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P618.13;P634.4
【目录】:
  • 摘要4-7
  • Abstract7-15
  • 第1章 绪论15-27
  • 1.1 选题背景及意义15-17
  • 1.2 水合物保真取样技术研究现状17-22
  • 1.3 水合物非保温保压取样技术研究现状22-23
  • 1.4 天然气水合物孔底冷冻取样技术研究现状23-24
  • 1.5 本文研究内容24-26
  • 1.6 本文研究的技术路线26-27
  • 第2章 天然气水合物孔底冷冻取样方法理论研究27-37
  • 2.1 天然气水合物孔底冷冻取样原理27-29
  • 2.1.1 天然气水合物孔底冷冻取样原理分析27-28
  • 2.1.2 天然气水合物孔底冷冻取样过程分析28-29
  • 2.1.3 天然气水合物孔底冷冻取样技术的优点29
  • 2.2 天然气水合物孔底冷冻取样目标温度区间29-35
  • 2.2.1 低温下天然气水合物的分解特性29-30
  • 2.2.2 低温下天然气水合物分解数值模拟分析30-35
  • 2.3 天然气水合物孔底冷冻取样的关键问题分析35-36
  • 本章小结36-37
  • 第3章 水合物酒精-干冰孔底混合冷冻效率分析37-53
  • 3.1 酒精-干冰作为冷源的冷冻效率现状分析37-39
  • 3.2 酒精-干冰孔底混合效率优化试验研究39-42
  • 3.2.1 试验方法39-40
  • 3.2.2 试验设备40-41
  • 3.2.3 试验方案41-42
  • 3.3 酒精-干冰孔底混合试验结果分析42-46
  • 3.3.1 空管结构试验结果分析43-44
  • 3.3.2 分层结构试验结果分析44-45
  • 3.3.3 带孔管结构试验结果分析45-46
  • 3.4 酒精-干冰孔底混合冷冻样品试验结果分析46-49
  • 3.5 水合物孔底冷冻取样冷源的初选49-52
  • 3.5.1 选择冷源的原则49-50
  • 3.5.2 冷冻剂的分类及冷源的初选50-52
  • 本章小结52-53
  • 第4章 孔内存储数值模拟及试验研究53-73
  • 4.1 孔内存储数值模拟53-57
  • 4.1.1 模拟的简化53-54
  • 4.1.2 物理模型54
  • 4.1.3 数学模型54-55
  • 4.1.4 边界条件55-56
  • 4.1.5 网格划分56-57
  • 4.2 孔内存储数值模拟结果及分析57-62
  • 4.2.1 液氮孔内存储数值模拟结果及分析57-59
  • 4.2.2 酒精-干冰混合物孔内存储数值模拟结果及分析59-60
  • 4.2.3 酒精-液氮混合物孔内存储数值模拟结果及分析60-62
  • 4.3 孔内存储试验研究62-67
  • 4.3.1 试验装置62-64
  • 4.3.2 试验方案与试验方法64-67
  • 4.4 孔内存储试验结果及分析67-72
  • 4.4.1 液氮孔内存储试验结果及分析67-69
  • 4.4.2 酒精-干冰混合物孔内存储试验结果及分析69-71
  • 4.4.3 酒精-液氮混合物孔内存储试验结果及分析71-72
  • 本章小结72-73
  • 第5章 孔底冷冻过程数值模拟及试验研究73-97
  • 5.1 孔底冷冻取样过程数值模拟73-75
  • 5.1.1 模拟假设73-74
  • 5.1.2 物理模型74
  • 5.1.3 边界条件74-75
  • 5.2 孔底冷冻过程数值模拟结果及分析75-83
  • 5.2.1 液氮冷冻样品数值模拟结果及分析75-78
  • 5.2.2 酒精-干冰混合物冷冻样品数值模拟结果及分析78-81
  • 5.2.3 酒精-液氮混合物冷冻样品数值模拟结果及分析81-83
  • 5.3 孔底冷冻过程试验研究83-84
  • 5.3.1 试验装置83-84
  • 5.3.2 试验步骤84
  • 5.4 酒精-干冰混合物孔底冷冻过程试验结果及分析84-89
  • 5.4.1 液氮孔底冷冻过程试验结果分析84-85
  • 5.4.2 酒精-干冰混合物孔底冷冻过程试验结果分析85-87
  • 5.4.3 酒精-液氮孔底冷冻过程试验结果分析87-89
  • 5.5 酒精-干冰混合物孔底冷冻影响因素分析89-92
  • 5.5.1 酒精-干冰混合物中干冰浓度对样品冷冻效果的影响分析89-91
  • 5.5.2 保温结构对样品冷冻效果的影响分析91-92
  • 5.6 酒精-干冰混合物孔底冷冻水合物数值模拟分析92-96
  • 5.6.1 参数设置92-94
  • 5.6.2 酒精-干冰混合物孔底冷冻水合物数值模拟结果分析94-96
  • 本章小结96-97
  • 第6章 孔底冷冻绳索取样钻具及钻进试验研究97-117
  • 6.1 取样钻具关键技术参数及总体结构97-100
  • 6.1.1 取样钻具工作原理及参数97-99
  • 6.1.2 取样钻具总体设计99-100
  • 6.2 取样钻具关键结构设计100-113
  • 6.2.1 孔底快速冷冻机构设计100-104
  • 6.2.2 冷源孔内存储机构104-107
  • 6.2.3 冷源注入控制机构设计107-112
  • 6.2.4 水合物孔底冷冻取样工艺流程112-113
  • 6.3 取样钻具钻进试验研究113-115
  • 6.3.1 试验目的及方法113
  • 6.3.2 试验设备113-114
  • 6.3.3 试验步骤114
  • 6.3.4 试验结果114-115
  • 6.4 取样钻具改进意见115-116
  • 本章小结116-117
  • 第7章 结论与展望117-121
  • 7.1 结论117-118
  • 7.2 论文创新点118-119
  • 7.3 展望119-121
  • 参考文献121-129
  • 作者简介及在学期间所取得的科研成果129-131
  • 一、作者简介129
  • 二、发表学术论文129
  • 三、授权发明专利129-130
  • 四、参与科研项目130
  • 五、参加学术活动130-131
  • 致谢131-132

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