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天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具的设计与室内冷冻试验的研究

赵建国  
【摘要】: 随着世界能源局势的日趋紧张,天然气水合物逐渐进入人们的视野。其巨大的储量使其作为一种新能源被人们所重视。 钻探取样一直是天然气水合物勘探不可或缺的重要方法之一。从国际大洋钻探计划(ODP)到国际深海钻探计划(DSDP),历经失败,最后成功的从海底钻取天然气水合物样品,不但验证了其他天然气水合物勘探方法,也为水合物保真取样器的发展提供了借鉴。 本文采用天然气水合物孔底冷冻取样的思路,借鉴前人建立的天然气水合物孔底冷冻理论,将绳索取心钻进工艺与孔底冷冻取样技术相结合,将天然气水合物孔底冷冻绳索取样钻具的设计思路应用到钻具的设计当中,并根据设计的孔底冷冻绳索取样钻具设计室内冷冻试验台进行了室内冷冻试验。 首先,分析了天然气水合物孔底冷冻绳索取样钻具的基本功能,参考常规绳索取心钻具,设计出天然气水合物孔底冷冻绳索取样钻具的基本结构,并对钻具的各个机构进行设计和计算。 然后,研究了干冰与液氮两种冷冻剂。通过对干冰与液氮物理性质的分析与对比,得出其作为取样器冷冻剂的优缺点。同时研究了干冰与液氮的绝热保冷方法,并根据取样器的结构特点,设计出普通绝热保冷与高真空绝热保冷两种绝热保冷结构,分别对干冰与液氮进行保冷试验。 接着,采用瞬态求解的方法对取样器冷冻过程进行有限元模拟分析。模拟将三维的水合物岩心简化为二维模型,针对干冰与液氮两种不同的冷冻剂,施加不同的边界条件,进行瞬态求解,得出分别采用干冰与液氮作为冷冻剂时,水合物岩心的温度变化曲线。 最后,进行了室内冷冻试试验。参考取样器的结构特点,设计出室内冷冻试验台,分别以干冰与液氮作为冷冻剂,以砂样作为模拟岩样进行冷冻试验。将实验结果与有限元模拟结果相对比,得出适合天然气水合物孔底冷冻绳索取样钻具最佳的冷冻剂和冷冻方式。


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