基于超临界二氧化碳射流的天然气水合物分解破碎机理与实验研究

It is of strategic significance to develop and utilize of natural gas hydrate resources. This study combines supercritical carbon dioxide jet technology with natural gas hydrate extraction technology, and proposes a new method of using supercritical carbon dioxide jets to break natural gas hydrates. This method combines the impact crushing of carbon dioxide high-pressure jets with the action of thermal fields and is expected to achieve safe and efficient extraction of natural gas hydrates. We do numerical simulation and experimental study about the impact flow field of supercritical carbon dioxide jets in the wellbore submerged environment, and obtain distribution characteristics of non-uniform temperature pressure field of natural gas hydrate surface. We conduct an experiment to research dynamic breaking process of natural gas hydrate under impact of supercritical carbon dioxide jet and thermal field. And we also do numerical simulation and experimental study about the law of energy release during the decomposition of natural gas hydrate. Through the research mentioned above, the results will be able to reveal the mechanism of natural gas hydrate breaking under the impact of carbon dioxide jet and thermal field, and expand the energy release law in this process. We also do the parameters optimization of using supercritical carbon dioxide jets to extract natural gas hydrates. This work could provide a theoretical basis for natural gas hydrate exploitation.

安全高效的开采天然气水合物资源对改善我国能源结构具有重大战略意义。本研究将二氧化碳射流技术与已有的天然气水合物开采技术相结合，提出一种利用超临界二氧化碳射流破碎天然气水合物的新思路。该方法将超临界二氧化碳高压射流冲击破碎与热力场作用相结合，有望实现天然气水合物的安全高效开采。拟开展以下研究：数值模拟和实验研究井底淹没环境中超临界二氧化碳射流的冲击流场，得到天然气水合物表面非均匀温度场和冲击压力场分布特征；实验研究超临界二氧化碳射流冲击与热力场作用下天然气水合物的动态损伤破碎过程；实验研究不同性质天然气水合物的分解破碎门限温度和压力；数值模拟和实验研究在天然气水合物分解破碎过程中的能量释放规律。该方法旨在揭示天然气水合物在超临界二氧化碳射流冲击和热力场作用下分解和破碎的机理与该过程中的能力释放规律，探索利用超临界二氧化碳射流开采天然气水合物的可行性，为形成天然气水合物钻采新方法提供理论依据。

我国天然气水合物资源丰富，在海洋方面，东海、台湾海峡、南海都具有储量丰富、分布广泛的天然气水合物。而对于陆地方面，我国是世界上第三大冻土国，多年冻土面积多达215×104km2，占国土总面积的22.4%。根据初步的地质调查成果显示，羌塘盆地、祁连山、风火山和黑龙江漠河盆地等具有较好的天然气水合物找矿前景。本课题结合高压水射流破岩的思想以及天然气水合物开采方法中的注热法和二氧化碳置换法，提出利用超临界二氧化碳射流开采天然气水合物储层的新思路，即在钻进至天然气水合物储层后更换超临界二氧化碳流体利用高压射流方法进行钻进，实现天然气水合物在超临界二氧化碳射流冲击和热力场耦合作用下的分解破碎，达到安全高效开采天然气水合物的目的。该方法有望实现天然气水合物的高效分解破碎同时防止环空中水合物重生，可为天然气水合物的安全高效开采提供一种新思路。.主要开展了超临界二氧化碳射流冲蚀天然气水合物研究，通过数值模拟与实验研究进行超临界二氧化碳射流流场特性、超临界二氧化碳射流参数对于天然气水合物冲蚀效果的分析。研究结果表明：射流参数对于天然气水合物的冲蚀效果有个重要影响，天然气水合物冲蚀深度随着射流速度、射流压力、射流时间增大而增大。在实验过程中发现射流温度对于天然气水合物的冲蚀破碎有较大影响。通过测量实验过程中天然气水合物样品环境温度，发现在天然气水合物破碎过程中，环境温度升高，说明此过程中伴随着能量释放。本研究的研究成果有望为形成天然气水合物钻采新方法提供理论依据。