多孔介质中甲烷水合物降压分解实验与数值模拟

【摘要】： 面对当前能源短缺和环境恶化的严峻形势,寻求高效、清洁能源成为人类面临的迫切任务。甲烷水合物具有储量大、能量密度高、燃烧清洁等优点,被认为是21世纪最具开发前景的能源,开展甲烷水合物的基础物性及其开采技术的研究具有重要的理论和现实意义。 本论文针对多孔介质中的甲烷水合物进行降压分解实验和数值模拟研究。建立了模拟多孔介质中甲烷水合物生成和分解的实验系统,测得了多孔介质中甲烷水合物的相平衡曲线。在此基础上,系统地进行了甲烷水合物的生成和降压分解实验研究,分析了开采动态及影响因素,结果表明边界传热能极大的影响水合物的分解速率。 采用通入过量气体提高水转化率的定容合成甲烷水合物实验方法,较大程度上避免了在测量过程中水合物的生成和分解,国内首次利用甲烷测量了恒温恒压恒流条件下含不同水合物饱和度时多孔介质的绝对渗透率,通过与当前通用模型的比较,发现与Masuda渗透率模型拟合较好。 建立了三维立方体孔隙网络模型,研究了孔径分布对水合物相平衡的影响,模拟了水合物在多孔介质中生成导致的渗透率变化,模拟结果与实验数据吻合较好,表明了采用孔隙网络模型可以在微观尺度上模拟多孔介质中水合物的生成和分解。 考虑水、气、水合物三相,水、气、水合物三组分,根据质量守恒和能量守恒原理,考虑水合物在多孔介质中的生成分解动力学和热力学,建立了基于二维轴对称的甲烷水合物分解数学模型,采用全隐式方法进行求解。通过与实验结果对比,验证了数学模型的准确性。对实验室尺度下多孔介质中甲烷水合物降压分解进行了影响因素敏感性分析,结果表明,水合物分解速度常数、渗透率下降指数、气液两相相对渗透率、岩石导热系数、水合物藏初始温度和各相饱和度、出口压力以及边界传热等均会影响多孔介质中甲烷水合物分解速率。 研究结果表明：气相相对渗透率的增加较相应液相相对渗透率的增加更能提高水合物的分解速率；对高饱和度的水合物藏,需要采用降压和注热联合开采；液相饱和度对水合物分解速率的影响存在一个最优值,大约为相应的有效残余饱和度；在较强边界传热条件下,累积产气量增加有限,而耗热量增加较多,且多孔介质区域内可能同时存在水合物生成和分解。 【关键词】：甲烷水合物 分解 渗透率 孔隙网络模型 数值模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：P744.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1 绪论11-30
• 1.1 甲烷水合物介绍11-17
• 1.1.1 气体水合物的性质和特点11-13
• 1.1.2 甲烷水合物的形成与分布13-14
• 1.1.3 甲烷水合物的潜在应用14-15
• 1.1.4 甲烷水合物的研究历史及现状15-17
• 1.2 甲烷水合物储藏方式及开采方法17-18
• 1.3 多孔介质中甲烷水合物基础物性研究进展18-23
• 1.3.1 甲烷水合物热力学研究进展18-20
• 1.3.2 甲烷水合物动力学研究进展20-21
• 1.3.3 多孔介质-水合物系统传质传热研究进展21-23
• 1.4 甲烷水合物降压开采数值模拟研究进展23-26
• 1.5 国内甲烷水合物研究进展26-27
• 1.6 本文研究内容及技术路线27-30
• 2 多孔介质中甲烷水合物生成和降压分解实验研究30-47
• 2.1 甲烷水合物生成和分解实验系统30-33
• 2.2 含甲烷水合物多孔介质实验参数确定33-36
• 2.2.1 孔隙度33-34
• 2.2.2 渗透率34
• 2.2.3 反应生成MH饱和度的计算34-36
• 2.3 相平衡实验及结果分析36-40
• 2.3.1 甲烷水合物相平衡测量方法36-37
• 2.3.2 多孔介质中甲烷水合物相平衡测量37
• 2.3.3 实验结果分析37-40
• 2.4 多孔介质中甲烷水合物降压分解实验40-45
• 2.4.1 实验流程40-41
• 2.4.2 水合物分解动态特性分析41-44
• 2.4.3 边界传热对分解速率的影响44-45
• 2.5 本章小结45-47
• 3 含水合物多孔介质渗透率测量47-60
• 3.1 气测含水合物多孔介质渗透率实验研究47-53
• 3.1.1 测量原理47-49
• 3.1.2 实验设备及实验步骤49-50
• 3.1.3 实验结果分析50-53
• 3.2 水合物在多孔介质中的生成模式53-54
• 3.3 多孔介质中含水合物渗透率模型54-59
• 3.3.1 渗透率模型介绍54-58
• 3.3.2 模型与实验结果比较58-59
• 3.4 本章小结59-60
• 4 多孔介质-水合物渗透率孔隙网络模型研究60-75
• 4.1 孔隙网络模型介绍60-63
• 4.1.1 孔隙网络模型描述60
• 4.1.2 孔隙网络模型研究多孔介质渗透率60-63
• 4.2 无水合物多孔介质绝对渗透率计算63-66
• 4.2.1 孔隙网络模型建立63
• 4.2.2 毛细管孔隙网络模型模拟流体流动63-65
• 4.2.3 收敛性研究65-66
• 4.3 含水合物多孔介质绝对渗透率计算66-73
• 4.3.1 相平衡偏移66-68
• 4.3.2 水合物-多孔介质系统孔隙网络模型计算68-73
• 4.4 本章小结73-75
• 5 甲烷水合物降压分解数学模型建立及求解75-98
• 5.1 数学模型建立75-80
• 5.1.1 质量守恒方程76-77
• 5.1.2 能量守恒方程77-78
• 5.1.3 边界条件和初始条件78
• 5.1.4 水合物生成分解动力学78-80
• 5.2 物理性质和平衡压力计算80-83
• 5.2.1 密度80
• 5.2.2 导热系数与比热80-81
• 5.2.3 粘度81
• 5.2.4 相对渗透率和毛细压力81-82
• 5.2.5 水合物相平衡压力82-83
• 5.3 数学模型求解83-91
• 5.3.1 有限差分离散83-85
• 5.3.2 非线性方程组求解85-88
• 5.3.3 线性方程组求解88
• 5.3.4 计算流程及程序实现88-91
• 5.4 模型验证91-97
• 5.4.1 同Masuda实验结果对比91-93
• 5.4.2 同本文实验结果对比93-95
• 5.4.3 收敛性分析95-97
• 5.5 本章小结97-98
• 6 水合物降压分解敏感性分析98-130
• 6.1 降压分解特性分析98-102
• 6.2 水合物分解控制机理研究102-109
• 6.2.1 水合物本征反应动力学影响102-104
• 6.2.2 气、水两相流动影响104-107
• 6.2.3 导热系数影响107-109
• 6.3 初始条件和边界条件109-128
• 6.3.1 初始温度109-111
• 6.3.2 初始饱和度111-115
• 6.3.3 绝对渗透率115-117
• 6.3.4 出口压力117-122
• 6.3.5 边界传热122-128
• 6.4 本章小结128-130
• 7 结论与建议130-133
• 7.1 结论130-131
• 7.2 建议131-132
• 7.3 创新点摘要132-133
• 参考文献133-144
• 附录144-151
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况151-152
• 致谢152-153
• 作者简介153-155

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