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冻土带可燃冰成因机理研究

作　者: 李彬彬
导　师: 宋维源
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 流体力学
关键词: 天然气水合物(“可燃冰”) 形成过程水合物开采方法注热分解数学模型
分类号: P744.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着世界上石油、天然气资源的日渐耗尽,人类在21世纪后期面临着油气资源枯渴的局面,因此寻求洁净高效的新能源成为科学界追求的目标。各国的科学家正在致力于寻找新的接替能源,并相继投入了大量的资金和人力开展新能源研究。“可燃冰”被称为21世纪具有商业开发前景的战略资源,正受到各国科学家和各国政府的重视。“可燃冰”具有埋藏浅、规模大、能量密度高、洁净等特点,因此它是一种优质高效的燃料。科学界普遍认为,“可燃冰”终将成为人类未来的极具潜势的洁净的能源资源。“可燃冰”研究不仅仅涉及到资源问题,而且更重要涉及到环境和全球气候变化、海底安全、天然气转输、固化以及国防安全等相关领域,因此,“可燃冰”研究已成为世界各国科学家们关注的热点和焦点。“可燃冰”矿藏的大量发现,将水合物的研究带入一个全新的阶段。世界各国的科学家对“可燃冰”的类型及物化性质、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及气水合物与全球变化和海洋地质灾害的关系等进行了广泛而卓有成效的研究并取得了显著的成果。本文通过大量的对“可燃冰”形成及分解相关资料的收集,从“可燃冰”的组成、结构及其特性出发,分析了“可燃冰”的结构、赋存特征,物理化学性质及水合物成因和地质构造模式,总结分析了“可燃冰”的开采技术问题及对环境的影响。从“可燃冰”相平衡条件出发,分析总结了目前天然气水合物开采所提出的三种基本开采方式:热激发法、降压法、注入抑制剂法,并分析各自优缺点,提出注热水分解方法的可行性。从热激发法的注入热水开采方式出发,将注热分解分为互相关联的三个阶段并作了详细的论述,在一定假设条件基础上,从水合物注热水分解区的质量传递、动量守恒角度对水合物分解前缘情况进行研究,建立相应的偏微分方程数学模型,并揭示水合物分解的动力学和热力学特征。在此基础上将“可燃冰”加热开采视为具有可移动边界的传热问题,建立了分解区和水合物区以及分界面温度场的热传导方程,即能量守恒方程,从而构成了在热力作用下分解过程的传热微分方程及边界条件和初始条件,并对一维问题求得了地层水合物分解过程中分解区、水合物区以及分解前沿的位置的解析解。并对注热开采天然气水合物过程中的分解区和水合物区进行了能量分析,得到了水合物分解速率的计算公式、分解前沿随时间的变化规律、以及天然气水合物注热开采的热效率及能量效率的计算公式,以便有助于对加热法开采天然气水合物不同参数选择的经济性进行评估。天然气水合物分解后,将在水合物气藏中形成水、气、水合物的多相渗流。本文从场论的角度建立了水合物加热分解为水、气、水合物的质量守恒方程(即渗流方程,渗流规律符合达西定律);及其他辅助方程,和初始条件及边界条件;从而建立了加热开采水合物的数学模型,并对有关问题进行了讨论。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-22
  1.1 “可燃冰”的研究背景  12-13
  1.2 研究“可燃冰”的目的和意义  13-15
  1.3 国内外研究现状  15-21
  1.4 本文研究的主要内容  21-22
2 “可燃冰”的组成、结构、特性及其开采技术对环境的影响  22-36
  2.1 “可燃冰”的组成及结构  22-23
  2.2 “可燃冰”的特性  23-33
    2.2.1 “可燃冰”的物理化学性质  23-28
    2.2.2 “可燃冰”成矿机理研究  28-33
      （1） “可燃冰”气体成因  28-29
      （2） “可燃冰”赋存地质条件  29-31
      （3） “可燃冰”成矿机理  31-32
      （4） “可燃冰”的形成过程  32-33
  2.3 “可燃冰”的开采技术问题及对环境的影响  33-35
  2.4 小结  35-36
3 “可燃冰”注热水分解开采理论  36-48
  3.1 “可燃冰”相平衡条件  36-37
  3.2 “可燃冰”常规开采方法的介绍  37-39
  3.3 “可燃冰”注热水分解方法优势  39-42
  3.4 “可燃冰”注热水分解  42-46
    3.4.1 注热水阶段  43-44
    3.4.2 分解阶段  44-45
    3.4.3 气体产出阶段  45-46
  3.5 小结  46-48
4 注热开采“可燃冰”温度场的数学模型  48-60
  4.1 基本假设  48-49
  4.2 热传导的温度场方程  49-52
  4.3 注热开采水合物过程中温度场的数学模型  52-56
  4.4 水合物开采注热效率及能量效率的分析  56-58
    4.4.1 热效率  56-58
    4.4.2 能量效率  58
  4.5 小结  58-60
5 注热开采“可燃冰”渗流场数学模型  60-75
  5.1 饱和度和相对渗流率  60-63
    5.1.1 饱和度  60-61
    5.1.2 相对渗流率  61-62
    5.1.3 流体界面上毛管力  62-63
  5.2 相对渗透率与饱和度的关系曲线  63-65
  5.3 水合物加热分解后渗流数学模型  65-70
  5.4 动力学方程  70-71
  5.5 “可燃冰”加热开采的数学模型  71-74
  5.6 小结  74-75
结论  75-76
参考文献  76-80
作者简历  80-82
学位论文数据集  82-83

冻土带可燃冰成因机理研究

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