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《中国地质大学》 2003年
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天然气水合物钻进时井内温度分布模型研究

张凌  
【摘要】: 天然气水合物是一种在低温和高压条件(一般为0℃,10MPa)下由一定数量的水分子和天然气气体分子所形成的具有能量密度大、储量大和分布广特点的洁净的新型替代能源。天然气水合物研究是当代地球科学和能源工业发展的一大热点。该研究涉及到新一代能源的探查开发、温室效应、全球碳循环和气候变化、古海洋、海洋地质灭害、天然气运输、油气管道堵塞、船艇能源更新和军事防御等,并有可能对地质学、环境科学和能源工业的发展产生深刻的影响。 天然气水合物的钻探(井)技术是实施其勘探与开发的关键性难题。在水合物地层中钻进时,储层井壁和井底附近地层应力释放,地层压力降低,同时,钻头切削岩石、井底钻具与井壁及岩心的摩擦都会产生大量的热能,另外,还存在循环泥浆温度控制的合适程度问题,这些都可能使孔内温度升高,从而造成水合物的分解。钻进过程中水合物的分解会对钻井、钻进质量、设备和环境等造成严重危害。所以,钻进过程中井内温度、压力的掌握和控制,是保证正常钻进、确定合理钻探规程、避免事故、提高钻探社会效益和经济效益的一个重要问题。 由于钻井过程中难以用实测方法对井内温度进行连续测量,因此,建立适当的数学模型对其进行模拟就成为确定井内温度的主要途径。国内外已有许多学者对此进行了研究,并得出了一些模型,而这些模型或多或少地在某些方面进行了简化,从而使其准确程度和适用范围受到了限制,但这些为以后的计算传热学的进一步发展奠定了基础。 本文以国家自然科学基金项目“天然气水合物钻进过程中井内热压力特性研究”为背景,在分析研究已发现的天然气水合物的物理化学和力学特性以及国内外实验研究成果的基础上,运用控制容积积分法与公式直接求解法推导出了相应的井内温度分布数学模型,初步考察了两种建模方法的适应性。在上述基础上,论文讨论了控制容积积分法数学模型的离散化方法,并提出了数值计算时所需的一些相关的算法;着重讨论了在公式直接求解法中,对推导出来的二次常系数非线性方程直接求解方法,之后根据边界条件确定了积分常数,还编制了相应的计算机程序,并对5个不同的实例进行了数值处理,得出了井内的温度分布曲线。 本文主要章节内容如下: 第一章:首先介绍了天然气水合物的特点与研究意义以及本课题研究的目的和意义,接着叙述了天然气水合物和本课题的国内外研究现状,最后提出了本文要解决的问题及研究途径; 第二章:主要描述了天然气水合物物理化学性质,其中包括天然气水合物的结构、组成、组分的互溶性以及形成的条件; 第三章:对建立数学模型的一般步骤和建模过程中遇到的一些相关的概念作了介绍; 第四章:主要是运用控制容积积分法与公式直接求解法推导出了相应的井内温度分布数学模型,在控制容积积分法中主要讨论了数学模型的离散化方法与对其进行数值计算时所需 WP=5 的一些相关的算法,而在公式直接求解法中,则对推导出来的二次常系数非线性方程进行了直接求解,并根据边界条件确定了微分常数; 第五章:利用公式直接求解法的结果和编制的计算机程序对5个不同的实例进行了数值处理,并对相关的井内及环状空间中的温度分布曲线进行了绘制和分析; 第六章:阐述了本文所得出的主要结论,并提出了存在的问题和建议。
【关键词】:天然气水合物 控制容积积分法 公式直接求解法 数学模型
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:P744
【目录】:
  • 第一章 概述10-17
  • §1.1 课题研究的意义10-13
  • 1.1.1 天然气水合物的特点10-11
  • 1.1.2 天然气水合物的研究意义11-12
  • 1.1.3 本课题研究的目的和意义12-13
  • §1.2 课题研究的国内外现状及存在的问题13-16
  • 1.2.1 天然气水合物的国内外研究现状13-15
  • 1.2.2 本课题的国内外研究现状15-16
  • §1.3 本文要解决的问题及研究途径16-17
  • 第二章 天然气水合物物理化学性质17-24
  • §2.1 天然气水合物的结构17-19
  • §2.2 天然气水合物的组成19-21
  • §2.3 天然气水合物组分的互溶性21
  • 2.3.1 水在液态烃中的可溶性21
  • 2.3.2 气体在水中的可溶性21
  • §2.4 天然气水合物形成的条件21-24
  • 第三章 传热数值模拟的一般知识24-30
  • §3.1 建立数学模型的一般步骤24-25
  • §3.2 区域离散化和数值离散化方法—控制容积积分法25-27
  • §3.3 调和平均法和全隐格式27-30
  • 3.3.1 调和平均法27-28
  • 3.3.2 全隐格式28-30
  • 第四章 井内温度分布数学模型及求解方法30-51
  • §4.1 国内外研究情况30-31
  • §4.2 控制容积积分法31-39
  • 4.2.1 物理模型31-32
  • 4.2.2 假设条件及定解条件32-33
  • 4.2.3 数学模型33-38
  • 4.2.4 代数方程的求解方法38-39
  • §4.3 公式直接求解法39-50
  • 4.3.1 物理模型39-40
  • 4.3.2 假设条件40
  • 4.3.3 冻结岩石孔内温度的数学模型40-41
  • 4.3.4 二次常系数非线性方程的求解方法和具体求解41-44
  • 4.3.5 相关参数的计算推导44-50
  • §4.4 两种方法的优缺点分析50-51
  • 第五章 应用分析51-57
  • 第六章 结论与建议57-59
  • §6.1 主要结论57
  • §6.2 存在的问题和建议57-59
  • 致谢59-60
  • 参考文献60-62

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