水合物间壁换热开采传热模型研究

肖启圣　程亮　张鹏宇　黄长琦　易京霞

摘 要： 热采水合物的温度分布是水合物开采的重要指标，引用无限长圆柱体换热反应釜概念，分析一维瞬态换热过程传热模型，推导壁面换热过程传热量和传热时间，可以为水合物热采提供必要的温度分布。本文基于非稳态传热理论，并假设天然气水合物热物理性质各向同性，建立了间壁换热开采天然气水合物的传热模型，该模型不考虑间壁换热开采时的水合物相变，只考虑发生热传导，建立的传热模型可以计算水合物中任意位置的温度随时间的变化规律，能判断任意时刻，任意位置的水合物相态。

关键词： 间壁换热;天然气水合物;传热模型

基金项目：湖北省高等学校大学生创新创业训练项目“间壁换热开采天然气水合物实验研究（2018323）”

1 引言

天然气水合物，由天然气中较小的分子量的气体分子与水分子在低温和高压条件下形成的一种类冰状笼形晶体结构[1]，形成结构I、结构II和结构H三种立体的晶体结构[2]，在标准状态下，1m3天然气水合物能储存150～180 m3的天然气水合物[3]。天然气水合物的地质储量范围为0.2×1015～3053×1015m3[4]，被认为是未來石油天然气的替代品[5]。目前理论可行的天然气水合物开采方法主要有热力学方法[6]、压降开采方法[7]、抑制剂注入开采方法[8]、地面分解开采方法[9]等。

传统注热开采天然气水合物过程中，注热温度等对最终产气速率存在较大影响。后期发展为微波加热和太阳能加热的方式开采水合物藏，在热采过程中水合物藏与外界仅是单纯的能量交换，提高换热过程中的能量利用效率。本文从间壁换热实验的角度出发，在水合物合成反应釜体系的边界加装换热盘管，通过循环热水浴实现水合物的分解，并建立了间壁换热传热模型。

2 间壁换热传热模型建立

考虑到热采水合物的过程中不与反应釜体系发生物质交换，通过换热盘管循环热水瞬时对反应釜壁面进行升温处理，采用圆柱坐标系描述导热微分方程，不考虑对流换热，默认反应釜上下壁面绝热，即默认为无限长圆柱体传热方式，有如下等式：

3 结论

基于非稳态传热理论和天然气水合物热物理性质的各向同性，建立了间壁换热开采水合物的传热模型，该模型不考虑间壁换热开采时的水合物相变，只考虑发生热传导，建立的传热模型可以计算水合物中任意位置的温度随时间的变化规律，能判断任意时刻，任意位置的水合物相态。

参考文献

[1]胡春，裘俊红.天然气水合物的结构性质及应用[J].天然气化工，2000，（04）：48-52.

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

[3]刘道平，潘云仙，周文铸，胡汉华，徐新亚，杨群芳.喷雾制取天然气水合物过程的特性[J].上海理工大学学报，2007，（02）：132-136.

[4]Jr E D S， Koh C A. Clathrate Hydrates of Natural Gases[J]. Crc Press， 2007.

[5]伍开松，贾同威，廉栋，严才秀，代茂林. 海底表层天然气水合物藏采掘工具设计研究[J]. 机械科学与技术，2017，（02）：225-231

[6]Mcguire P L. Methane hydrate gas production by thermal stimulation[J]. 1981.

[7]Holder G D， Angert P F. Simulation of Gas Production From a Reservoir Containing Both Gas Hydrates and Free Natural Gas[J]. Frontiers in Psychology， 1982， 3（42）：215.

[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]窦斌，蒋国盛，吴翔，张凌，宁伏龙. 地面分解法开采海底天然气水合物[J]. 天然气工业，2008，（07）：123-125+147-148.

作者简介：肖启圣（1997-），男，湖北恩施人，本科在读，海洋油气工程专业