脉冲蒸汽法开采冻土区天然气水合物地层耦合传热机理研究

Exploit gas hydrates in permafrost by impluse evapour is compression fracture the object stratum of gas hydrates by high-temperature and pressure evapoure, and it can achieve the shock excitation heat to gas hydrates stratum, and above is need that control the groundwater level in hole. And additional heat, it can achieve the compression fracture action, and increase the heat diffusion radius and exploitaion scope. Due to the action effects is not only the heat,but also the compression fracture effects, and coupling action is very complex, and it need to research the coupling heat transfer mechanics, and analyse the regular and range of the stratum crack, and research the regular of heat transfer and validity heat radius, and it can get the coupling heat model by simulation and experiment, and it determine the frequency, temperature, pressure of impluse vapour of exploitaion parameter, and thus raise heat and energy effieicency during the gas hydrates exploitation, and supply the technology for gas hydrates exploitation in permaforst.

脉冲蒸汽法开采冻土区天然气水合物，通过控制井内地下水位实现水合物降压分解，特别是利用高温高压蒸汽脉冲压裂水合物目标地层，对水合物地层进行集中式激振往复加热。在加热的同时，实现对地层的压裂作用，从而增加地层的热扩散半径，提高有效开采范围，实现更有效的开采天然气水合物。由于脉冲蒸汽对地层不仅产生加热作用，还会引起压裂效果，地层在压裂和加热的双重作用下其传热机理较复杂，需要研究在此效应下地层的耦合传热机理，分析裂隙扩展规律和范围，研究地层传热、传质规律和有效加热半径，进行数学模拟，并结合模拟试验，分析研究物理和数学模型，最终得到地层的耦合传热模型，进而确定脉冲蒸汽的频率、温度和压力等关键开采参数，从而提高天然气水合物开采的热效率和能量效率，为冻土区天然气水合物开采提供进一步技术支撑。

我国具有良好的陆域天然气水合物成矿条件和找矿前景，并且已经钻获陆域冻土区水合物实物样品，初步预测储量巨大，开展冻土区水合物开发的研究工作势在必行，目前单一的水合物开采方法均存在一定的技术问题。本项目提出的脉冲蒸汽法开采冻土区水合物是结合热激发法和降压法的优点，通过控制井内地下水位实现水合物降压分解开采，特别是利用高温高压蒸汽脉冲压裂疏通水合物目标层，对水合物层进行集中激振往复加热，从而增加地层的热扩散半径，提高有效开采范围。本项目主要研究脉冲蒸汽作用水合物地层时，在加热和压裂双重作用下的地层耦合传热机理，分析裂隙扩展规律和范围，研究地层传热传质规律和有效加热半径，进而确定脉冲蒸汽的温度、压力和频率等关键开采工艺参数。通过本项目的理论研究、模拟分析和室内试验，证明高温高压脉冲蒸汽能够实现水合物目标层的“传导-对流”热力开采，提高了热扩散速度，扩大了有效开采半径，提高了产气量和能量利用率，能够实现降压法和热激发法的联合开采，有效促进了水合物的进一步分解；经过实验验证，还发现了岩心裂隙对CH4水合物的相平衡特性基本没有影响的重要结论，对于冻土裂隙型水合物的开采技术具有重要的理论指导意义；在分析流体动力学方程、质量守恒和能量守恒方程、以及流体连续性方程的基础上，利用数值传热方法进行推导，建立了水合物地层在蒸汽脉冲作用产生的压裂和加热双重耦合作用下的传热模型，并得到水合物的分解速率、产气率及热量利用率等；通过数值模拟与室内试验结合的方法，初步确定了脉冲蒸汽开采时地层水平影响半径为7.47m，而采用热水介质开采时的水平影响半径为6.75m，热蒸汽比热水的影响半径大0.72m；通过室内试验，并通过与模拟结果的对比分析，得到最佳的蒸汽功率为20 KW，以及有利于水合物分解的蒸汽出口开关压力为1.5 MPa、0.5 MPa。在此开闭条件下，蒸汽具有压差大、温度高、注热时间长和能量利用率高的优点，有利于水合物分解，增大了矿层的有效开采范围，以此得到了一套脉冲蒸汽法开采冻土区裂隙型天然气水合物的关键工艺参数。通过本项目的研究，为冻土区天然气水合物开采提供了进一步的理论和技术支撑。