天然氣水合物保溫保壓深孔取心系統(tǒng)研究.pdf

1、天然氣水合物俗稱可燃冰,主要成份是甲烷,遇熱迅速分解,可燃,具有巨大的能源潛力和環(huán)境效應(yīng),研究與開發(fā)天然氣水合物這種新能源不僅是國家建設(shè)的急需,也是前瞻性、戰(zhàn)略性的研究方向。天然氣水合物勘探和開發(fā)研究的關(guān)鍵之一是取心技術(shù),利用深水取心工程獲取巖心是深海天然氣水合物勘探開發(fā)取得突破的關(guān)鍵,同時也是計算儲量、制定開發(fā)方案的重要依據(jù)。
　　 本文對天然氣水合物的現(xiàn)狀,以及我國天然氣水合物蘊(yùn)藏最豐富的南海地區(qū)的地質(zhì)概況、海底沉積層性質(zhì)等

2、方面進(jìn)行了調(diào)研,弄清了南海海底沉積層主要成份為粘土,夾雜少量的細(xì)砂、粉砂,表層沉積物為淤泥質(zhì)粘土。針對國內(nèi)外水合物鉆探取心技術(shù)的研究情況進(jìn)行了綜述,分析了影響水合物鉆探取心的因素,針對沉積物和成巖地層及巖性特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析,初步摸清了影響水合物取心的主要原因,確定了研究適合天然氣水合物保溫保壓深孔取心系統(tǒng)的主攻方向。
　　 針對水合物、保溫筒及筒外環(huán)境構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的換熱,建立合理的傳熱模型,對傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬和溫度場分析

3、,得出保溫層和結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)溫度的影響規(guī)律。以此為依據(jù)設(shè)計了保溫筒的保溫結(jié)構(gòu),即通過雙層筒壁中間夾真空層以及筒體外壁噴涂氧化鋯的結(jié)構(gòu),并通過理論分析和實驗驗證優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)。提出了主動保溫的技術(shù)思路,利用半導(dǎo)體制冷的原理設(shè)計了主動保溫筒,在井下可實現(xiàn)冷凍,使巖樣處于低溫環(huán)境,并通過室內(nèi)實驗證明,通電后,保溫時間控制可有供電時間控制。設(shè)計的保溫保壓筒主要由保溫保壓管、球閥、取心管上端頭等組成。根據(jù)筒的結(jié)構(gòu),分為上部密封、中部密封和下部密封,這

4、樣從總體上實現(xiàn)該系統(tǒng)的保溫保壓功能。割心后采用預(yù)緊球閥自動密封保壓設(shè)計克服了傳統(tǒng)保壓取心工具的旋板閥受力不均,容易造成應(yīng)力集中的缺點(diǎn),同時利用齒輪齒條傳動行程控制球閥的關(guān)閉和開啟,安全平穩(wěn)。優(yōu)選了溫度和壓力傳感器,研發(fā)了溫度壓力采集系統(tǒng),實現(xiàn)了溫度壓力在井底的實時測量技術(shù)。
　　 把傳統(tǒng)繩索取心思路引入天然氣水合物取心系統(tǒng)設(shè)計中,設(shè)計了適合深海環(huán)境深孔取心的繩索保溫保壓取心系統(tǒng)。主要包括控制機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、保溫保壓筒組合及取心機(jī)

5、構(gòu)四部分組成,利用創(chuàng)新設(shè)計的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)實現(xiàn)深海水合物取心作業(yè),能夠?qū)崿F(xiàn)巖心管的快速提取,從而更大程度上滿足保溫保壓的需要,通過轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和取心鉆頭、鉆頭塞,可以實現(xiàn)在全面鉆進(jìn)和取心鉆進(jìn)之間隨時轉(zhuǎn)換;利用PRO/E軟件對取心系統(tǒng)鎖緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)行了仿真研究,確定了鎖緊機(jī)構(gòu)的相對運(yùn)動位置及相對速度,并解決了鎖緊機(jī)構(gòu)及取心系統(tǒng)的全局干涉問題,得到取心系統(tǒng)鎖緊機(jī)構(gòu)的初級參數(shù)尺寸;運(yùn)用數(shù)值分析方法,從整個系統(tǒng)出發(fā)分析在各種受載狀況下鎖緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變