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中南大学学报（自然科学版） 2022年第3期53卷 1069-1081页

作者：韦文娜李波陈玲玲张婷婷万青翠重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

基于青海等多年冻土区地质特点及环境条件,运用井下原位加热技术,在冰点以下进行纯降压法、纯电加热法、降压联合电加热法和热吞吐法的冰冻型甲烷水合物开采实验,分析冰冻型水合物的分解特性,探究降压幅度、加热模式以及热吞吐加热时间... 详细信息

基于青海等多年冻土区地质特点及环境条件,运用井下原位加热技术,在冰点以下进行纯降压法、纯电加热法、降压联合电加热法和热吞吐法的冰冻型甲烷水合物开采实验,分析冰冻型水合物的分解特性,探究降压幅度、加热模式以及热吞吐加热时间对开采效果的影响,并评价不同开采方法下对于冰冻型水合物的商业化开采价值。研究结果表明:要实现冰点以下冰冻型水合物的持续分解,必须额外注入热量,而热量主要依靠冰、水合物以及多孔介质颗粒之间的导热进行传递;纯降压法不能消除水合物自保护效应,无法实现冰冻型水合物的有效分解;采用持续电加热和降压联合电加热的井下原位加热技术对于破坏冰点以下冰冻型水合物的自保护效应更具优势;纯电加热法和热吞吐法无法完全分解冰冻型水合物,且纯电加热法的产气速率最慢,累积产气量最低;热吞吐法中对流强化传质作用造成明显的水合物二次生成,阻碍了水合物的快速分解。在原位井下加热的基础上,降压驱动力对于冰冻型水合物的分解起到了明显促进作用。对原位井下加热开采的能量收益效率分析,综合能量效率、热效率、获得最大能量的时间以及水合物分解率等指标,认为降压联合电加热法对于冰冻型水合物的商业化开采更有优势。

关键词：冰冻型甲烷水合物降压井下原位加热自保护效应能量收益

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冰冻型天然气水合物热强化开采实验研究

冰冻型天然气水合物热强化开采实验研究

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作者：陈玲玲重庆大学

学位级别：硕士

天然气水合物（简称水合物）是一种储量大、能量密度高且清洁的新型能源。对全球而言,它的开发利用有望成为缓解世界能源短缺和全球变暖双重挑战的可行途径;对我国而言,它的安全高效开采具有保障国家能源安全等重大战略意义。但目前大... 详细信息

天然气水合物（简称水合物）是一种储量大、能量密度高且清洁的新型能源。对全球而言,它的开发利用有望成为缓解世界能源短缺和全球变暖双重挑战的可行途径;对我国而言,它的安全高效开采具有保障国家能源安全等重大战略意义。但目前大部分研究主要针对冰点以上水合物的分解,对于部分存在于冻土层内被冰层冻结的“冰冻型”水合物的研究还很少,人们对此类水合物的分解特性及相关开采技术尚缺乏深入认识。因此,本文采用原位加热技术,开展了不同方法与条件下冰冻型甲烷水合物的开采实验研究,以期为未来我国冻土区水合物的商业化开发提供技术支持和理论指导。本文首先对水合物结构特性、分布范围、资源量、储层分类等进行了调研,然后总结了常见的水合物开采方法以及它们的优缺点,结合冻土区现场试开采效果以及室内冰点以下水合物的研究现状,确定运用井下原位加热技术强化开发水合物。基于我国冻土区地质条件,在石英砂多孔介质中合成了冰冻型水合物样品,并在冰点以下进行了纯降压法、纯电加热法、降压联合电加热法和热吞吐法的冰冻型甲烷水合物开采实验,分析了冰点以下冰冻型水合物的分解特性,探究了降压幅度、加热模式以及热吞吐循环中加热时间对其开采效果的影响,评价了不同开采方法对于冰冻型水合物的商业化开采价值。研究成果主要有:（1）水合物生成过程中系统温度迅速下降,到达环境温度后保持稳定。在高压低温驱动力下水合物不断生成,水合物生成速率由快变慢。水合物生成速率受初始压力、初始气液饱和度、反应釜内气液接触面积等影响。在系统冷却过程中当反应釜内所有水合物被冰覆盖后,冰膜将阻碍气体分子与水分子间的接触,导致即使此时系统压力远高于相平衡压力也不再有水合物生成。（2）冰冻型水合物在冰点以下的分解过程中,冰的存在导致的水合物自保护效应使得冰冻型甲烷水合物无法利用水合物藏中的显热,因此要实现冰点以下冰冻型水合物的持续分解,额外注入热量是必须的,而热量主要依靠冰、水合物以及多孔介质颗粒之间的导热进行传递,当冰被融化并产生气体和水时,对流换热开始对热量传递起到较好的促进作用。（3）采用不同开采方法开采冰冻型甲烷水合物的实验结果表明:纯降压法不能消除冰的形成造成的水合物自保护效应,无法实现冰冻型水合物的顺利分解;采用连续加热的纯电加热法和降压联合电加热法对于破坏冰点以下冰冻型水合物的自保护效应更具优势;纯电加热法和热吞吐法无法使冰冻型水合物分解完全,且纯电加热法中产气速率最慢,累积产气量最低;热吞吐法中由于对流强化传质作用造成明显的水合物二次生成,不仅阻碍了水合物的快速分解还可能引起生产井或管道堵塞造成安全隐患。因而降压联合电加热法在生产效率方面表现更优。（4）参数敏感性分析表明,在原位电加热的基础上,将开采压力从相平衡以上降低到相平衡以下能够促进冰冻型水合物的分解,这说明降压驱动力对于冰冻型水合物的分解起到了明显促进作用。但当开采压力低于相平衡压力时,冰冻型甲烷水合物分解产气速率受井筒压力影响较小,这表明在四相点以下,冰冻型甲烷水合物对环境压力不敏感。此外,增加热吞吐循环中加热过程的持续时间更有利于冰冻型水合物的分解。（5）对涉及原位加热的开采实验过程进行能量收益效率分析表明,热吞吐法可以在整个过程中保持相对较高的能量效率,并且吞吐循环中更短的加热时间可以获得更大的能量净收益率。热吞吐法的热效率高于降压联合电加热法,纯电加热法的热利用效率最低。降压联合电加热法和热吞吐法在获得最大净能量时的能量效率、热效率和水合物分解率均大致相同,但连续加热模式能够在更短的时间内获得最大净能量。因此综合能量效率、热效率、获得最大能量的时间以及水合物分解率等指标,认为降压联合电加热法对于冰冻型水合物的商业化开采更有优势。

关键词：冰冻型甲烷水合物降压原位加热自保护效应能量收益

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