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，引用無限長圓柱體換熱反應釜概念，分析一維瞬態換熱過程傳熱模型，推導壁面換熱過程傳熱量和傳熱時間，可以為水合物熱采提供必要的溫度分布。本文基于非穩態傳熱理論，并假設天然氣水合物熱物理性質各向同性，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的水合物相變，只考慮發生熱傳導，建立的傳熱模型可以計算水合物中任意位置的溫度隨時間的變化規律，能判斷任意時刻，任意位置的水合物相態。

關鍵詞： 間壁換熱;天然氣水合物;傳熱模型

基金項目：湖北省高等學校大學生創新創業訓練項目“間壁換熱開采天然氣水合物實驗研究（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構[1]，形成結構I、結構II和結構H三種立體的晶體結構[2]，在標準狀態下，1m3天然氣水合物能儲存150～180 m3的天然氣水合物[3]。天然氣水合物的地質儲量范圍為0.2×1015～3053×1015m3[4]，被認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。

傳統注熱開采天然氣水合物過程中，注熱溫度等對最終產氣速率存在較大影響。后期發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。本文從間壁換熱實驗的角度出發，在水合物合成反應釜體系的邊界加裝換熱盤管，通過循環熱水浴實現水合物的分解，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釜體系發生物質交換，通過換熱盤管循環熱水瞬時對反應釜壁面進行升溫處理，采用圓柱坐標系描述導熱微分方程，不考慮對流換熱，默認反應釜上下壁面絕熱，即默認為無限長圓柱體傳熱方式，有如下等式：

3 結論

基于非穩態傳熱理論和天然氣水合物熱物理性質的各向同性，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的水合物相變，只考慮發生熱傳導，建立的傳熱模型可以計算水合物中任意位置的溫度隨時間的變化規律，能判斷任意時刻，任意位置的水合物相態。

參考文獻

[1]胡春，裘俊紅.天然氣水合物的結構性質及應用[J].天然氣化工，2000，（04）：48-52.

[2]Towards a fundamental understanding of natural gas hydrates[J] 《Chemical Society Reviews》 ， 2002 ， 31 （3） ：157-167

[3]劉道平，潘云仙，周文鑄，胡漢華，徐新亞，楊群芳.噴霧制取天然氣水合物過程的特性[J].上海理工大學學報，2007，（02）：132-136.

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[8]Li G， Li B， Li X S，eta. Experimental and Numerical Studies on Gas Production from Methane Hydrate in Porous Media by Depressurization in Pilot-Scale Hydrate Simulator[J]. Energ Fuel，2012，26（10）：6300-6310.

[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，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