海洋沉积物中天然气水合物分解过程的热交换机理研究

It is necessary to know the heat transfer model when make hydrates depressurizing or heat injecting exploitation plans. Affected by the injecting ways and phase change of gas hydrate, the thermal physical properties varied during hydrates dissociation, and the mechanism of heat transfer in the reaction system is complicated. Usually a fixed heat transfer model is selected in the hydrate exploitation evaluation researches, but the results had large deviation. In the project, the simulation experiment method is used to investigate the hydrates depressurizing and heat injecting dissociation processes in marine sediment. By doing so, the relationship between thermal physical properties and hydrate saturation will be revealed and the gross feature of heat transfer such as heating radius and temperature variation will also be clarified. Based on these research, the characteristics of mechanism of heat transfer during hydrates dissociation will be pointed out, and it will be helpful for the parameters selection process of hydrates exploitation projects.

制定天然气水合物降压/注热开采方案需要准确的热交换模型为指导。受注热方式和水合物相态变化影响，含水合物沉积物热物理参数随分解过程发生变化，反应体系热交换机理复杂。国内外水合物开采效率研究多假定固定不变的热交换模式，与实际情况偏差较大。本研究拟采用物理模拟手段，在实验室中开展一系列海洋沉积物中水合物降压、注热分解实验，探讨含水合物沉积物的热导率、热扩散系数、热容和热对流系数等热物理参数与饱和度变化的响应关系，分析热效半径和变温幅度等热能效应在水合物分解过程的表现特征，最终阐明热交换作用宏观表现形式与热交换机理之间的关系，为水合物开采工程设计提供热学参数优选依据。

热交换机理与水合物分解过程动态相关并直接影响开采效率，但其中涉及的传热机制和热效应特征等尚不十分明确，这些问题的解决有助于更好的掌控水合物分解过程，优化开采技术，具有重要的现实意义和应用潜力。.基于以上目的，本项目设置了海洋沉积物热物理参数与水合物饱和度关系、不同分解方式的热效应特征、海洋沉积物中水合物分解过程的热交换机理等三方面的研究内容。通过模拟实验与理论分析相结合的方法开展研究，获得以下发现：.1. 含水合物沉积物热导率与水合物饱和度存在密切联系，含水合物沉积物的热导率变化特征能够反演水合物在孔隙中的填充方式，南海沉积物中水合物优先在颗粒孔隙间成核生长，并逐渐与沉积物颗粒胶结共存。.2. 水合物稳定性受热源刺激影响明显，多孔介质传热效率由中心向四周递减，与热源距离成二次函数的衰减关系。当水合物含量较高且加热强度较低时，分解过程能够导致沉积层温度暂时降低。.3. 通过开展电加热法开采水合物的实验研究指出水合物分解过程可分为三部分，对整个过程的能量效率和热效率进行计算后得出电加热法开采水合物能量利用率低，但对分解速度控制力强，能够保证生产安全。