水合物間壁換熱開采傳熱模型研究

肖啟圣　程亮　張鵬宇　黃長琦　易京霞

摘 要： 熱采水合物的溫度分布是水合物開采的重要指標(biāo)，引用無限長圓柱體換熱反應(yīng)釜概念，分析一維瞬態(tài)換熱過程傳熱模型，推導(dǎo)壁面換熱過程傳熱量和傳熱時(shí)間，可以為水合物熱采提供必要的溫度分布。本文基于非穩(wěn)態(tài)傳熱理論，并假設(shè)天然氣水合物熱物理性質(zhì)各向同性，建立了間壁換熱開采天然氣水合物的傳熱模型，該模型不考慮間壁換熱開采時(shí)的水合物相變，只考慮發(fā)生熱傳導(dǎo)，建立的傳熱模型可以計(jì)算水合物中任意位置的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，能判斷任意時(shí)刻，任意位置的水合物相態(tài)。

關(guān)鍵詞： 間壁換熱;天然氣水合物;傳熱模型

基金項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“間壁換熱開采天然氣水合物實(shí)驗(yàn)研究（2018323）”

1 引言

天然氣水合物，由天然氣中較小的分子量的氣體分子與水分子在低溫和高壓條件下形成的一種類冰狀籠形晶體結(jié)構(gòu)[1]，形成結(jié)構(gòu)I、結(jié)構(gòu)II和結(jié)構(gòu)H三種立體的晶體結(jié)構(gòu)[2]，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1m3天然氣水合物能儲(chǔ)存150～180 m3的天然氣水合物[3]。天然氣水合物的地質(zhì)儲(chǔ)量范圍為0.2×1015～3053×1015m3[4]，被認(rèn)為是未來石油天然氣的替代品[5]。目前理論可行的天然氣水合物開采方法主要有熱力學(xué)方法[6]、壓降開采方法[7]、抑制劑注入開采方法[8]、地面分解開采方法[9]等。

傳統(tǒng)注熱開采天然氣水合物過程中，注熱溫度等對(duì)最終產(chǎn)氣速率存在較大影響。后期發(fā)展為微波加熱和太陽能加熱的方式開采水合物藏，在熱采過程中水合物藏與外界僅是單純的能量交換，提高換熱過程中的能量利用效率。本文從間壁換熱實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，在水合物合成反應(yīng)釜體系的邊界加裝換熱盤管，通過循環(huán)熱水浴實(shí)現(xiàn)水合物的分解，并建立了間壁換熱傳熱模型。

2 間壁換熱傳熱模型建立

考慮到熱采水合物的過程中不與反應(yīng)釜體系發(fā)生物質(zhì)交換，通過換熱盤管循環(huán)熱水瞬時(shí)對(duì)反應(yīng)釜壁面進(jìn)行升溫處理，采用圓柱坐標(biāo)系描述導(dǎo)熱微分方程，不考慮對(duì)流換熱，默認(rèn)反應(yīng)釜上下壁面絕熱，即默認(rèn)為無限長圓柱體傳熱方式，有如下等式：

3 結(jié)論

基于非穩(wěn)態(tài)傳熱理論和天然氣水合物熱物理性質(zhì)的各向同性，建立了間壁換熱開采水合物的傳熱模型，該模型不考慮間壁換熱開采時(shí)的水合物相變，只考慮發(fā)生熱傳導(dǎo)，建立的傳熱模型可以計(jì)算水合物中任意位置的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，能判斷任意時(shí)刻，任意位置的水合物相態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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[9]竇斌，蔣國盛，吳翔，張凌，寧伏龍. 地面分解法開采海底天然氣水合物[J]. 天然氣工業(yè)，2008，（07）：123-125+147-148.

作者簡介：肖啟圣（1997-），男，湖北恩施人，本科在讀，海洋油氣工程專業(yè)