天然氣水合物孔底冷凍取樣器室內(nèi)冷凍試驗能量計算與分析

趙建國,孫友宏,王海亮

(吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026)

天然氣水合物孔底冷凍取樣器室內(nèi)冷凍試驗能量計算與分析

趙建國,孫友宏,王海亮

(吉林大學建設工程學院,吉林長春 130026)

針對以干冰作為冷凍劑、酒精作為載冷劑的天然氣水合物孔底冷凍取樣方法,提出干冰與酒精用量的計算方法。計算出在干冰雙層保冷的方式下,干冰與酒精的用量。通過實驗與計算機模擬分析,驗證該計算方法的可行性。針對試驗過程中出現(xiàn)的問題,提出對試驗裝置的改進,為取樣器的設計提供參考。

天然氣水合物;干冰;冷量計算;冷凍試驗;計算機模擬

0 引言

FCS型天然氣水合物孔底冷凍取樣器,是利用外部冷源 (干冰)在孔底降低水合物巖心溫度,采用主動式降溫的方法降低水合物的臨界分解壓力,達到被動式降壓來抑制水合物的分解,以此來獲得高保真的水合物樣品。

取樣器冷源——干冰的保冷采用雙層保冷的方法,保冷層內(nèi)層為硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料,外層為聚氨酯泡沫塑料。按照允許最大冷損失量的原則,設計內(nèi)層保冷層的厚度為 15 mm,外層保冷層厚度為 3 mm。通過對比試驗,可知采用聚氨酯泡沫塑料與硬質(zhì)聚氨酯塑料的雙層保冷方法可以大幅度提高干冰在井下的保存時間。但該保冷層厚度是在最大允許冷損失量的前提下設計的,干冰必定會有所損耗。

在孔內(nèi),只有巖心冷凍到一定的溫度,才能實現(xiàn)被動式降壓的效果。因此,在考慮最大冷損失量的前提下,必須對干冰的冷量進行進一步的分析計算。

利用干冰的低溫特性 (-7815℃)和升華時強大的制冷能力 (636 kJ/kg),為試樣的冷凍提供冷源。利用酒精的大的導熱系數(shù)〔01185 W/(m·K)〕和低的凝固點 (-114℃)的特性,作為載冷劑。

如圖 1所示,鉆進過程中,酒精腔體 2下部閥體關閉?；卮谓Y(jié)束后,投球,沖洗液改變流向,將酒精腔體 2下部閥體打開,推動活塞 1,將酒精壓入到干冰腔體 4中。由于酒精的催化作用,干冰 6迅速升華吸熱,酒精被迅速降到極低的溫度。隨著反應的進行,被降溫后的酒精沿著酒精通道 8進入到冷凍腔體 9中,通過銅質(zhì)巖心管與巖心發(fā)生冷交換,最終將巖心冷凍到一定的溫度。

2 干冰冷凍能量計算

2.1 理想狀態(tài)干冰能量計算

根據(jù)能量守恒原理,設計的干冰量能夠提供的冷量為將巖心、巖心管以及酒精冷凍一定溫度的冷量。

圖 1 取樣器冷凍方式原理示意圖

根據(jù)這一原理,首先不考慮保冷結(jié)構(gòu)表面換熱系數(shù),忽略最大允許干冰冷損失量,計算出在理想狀態(tài)下所需干冰用量。

干冰升華吸熱總量等于將巖心、巖心管以及酒精冷卻到一定溫度所需冷量之和,即:

式中:V巖心、V巖心管、V冷凍腔——分別為巖心、巖心管和冷凍腔的體積;C巖心、C巖心管、C酒精——分別為巖心、巖心管和酒精的體積比熱;qv——干冰體積升華熱,按密度ρ=600 kg/m3計算,取 3181×108J/m3;K——巖心冷凍溫度差。

干冰物理性質(zhì)為:升華點 -7815℃,密度 600 kg/m3,升華熱 6135×105J/kg,體積升華熱 3181×108J/m3。

實驗設計取心直徑為 0105 m,取心長度 012 m,巖心管外徑 0106 m,冷凍腔內(nèi)徑為 01074 m,冷凍溫差 K取 30℃,巖心、巖心管和酒精物理性質(zhì)以及冷凍腔體積見表 1。

表 1 巖心、巖心管和酒精物理性質(zhì)以及冷凍腔體體積

將以上數(shù)據(jù)帶入式 (3),經(jīng)計算得所需干冰體積為 V=0117×10-3m3,也就是 0110 kg。

2.2 最大允許冷損失量計算

最大允許冷損失量是指以每平方米保冷層外表面積為單位的冷損失量,其單位為 W/m2。在實際井下鉆進過程中,冷損失的主要原因為流動的沖洗液與保冷結(jié)構(gòu)外表面存在著冷交換,因此,計算冷損失量首先需要確定保冷結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)α,α的取值按照下式計算:

式中:v——保冷結(jié)構(gòu)表面流體流速,對于金剛石鉆進,取最大上返流速 016 m/s。

最大允許冷損失量為:

經(jīng)計算,允許最大冷損失量為 7617 W/m2。

2.3 冷凍過程中損失量計算

冷凍腔內(nèi)部為 3 mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫絕熱層對低溫酒精進行保冷,但仍會有部分冷量的散失,需要對這部分散失的冷量進行計算。根據(jù)《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》(GB/T 50264-97),圓筒形單層絕熱結(jié)構(gòu)冷損失量應按下式計算:

式中:Q——以每平方米絕熱層外表面積表示的熱損失量,W/m2;T0-Tα——溫度差 K,取 50 ℃;D1——保冷層外徑 ,取 01079 m;D0——保冷層內(nèi)徑,取 01073 m;λ——硬質(zhì)聚氨酯導熱系數(shù),取01025 W/(m·K);α——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),按式 (4)計算 ,v取 0 m/s。

將已知量代入式(6)中可算得冷凍腔體內(nèi)冷損失量為 143 W/m2。

2.4 考慮冷損失量后干冰量計算

以 600 m深鉆孔為例,考慮下鉆時間 1 h,鉆進時間 015 h,提鉆時間也為 1 h,則冷凍介質(zhì)干冰需保存時間為 115 h。設計所需干冰冷量為最大允許損失冷量、理論計算需干冰冷量之與冷凍過程中冷損失量之和,即:

式中:D0——保冷層內(nèi)徑 ,01049 m;D1——干冰腔保冷層外徑,01079 m;D2——冷凍腔保冷層外徑;t1——干冰保存時間,1×3600 s;t1——提鉆時間,1×3600 s;Q1——干冰腔保冷層外表面單位面積冷損失量,7617 W/m2;Q2——冷凍腔保冷層外表面單位面積冷損失量,143 W/m2;H2——冷凍腔高度;qv——干冰體積升華熱 ,3181 ×108J/m3;V理論——理論干冰計算量,0117×10-3m3。

將以上數(shù)據(jù)代入式 (12)可算出干冰腔體高度H1=0154 m。

五是，致歉者對自己的錯誤行為說出一些補救措施，以減少對雙方的不良影響。例如，“我打爛了你媽媽的盆栽，真是對不住，我會賠償?shù)摹！?/p>

實際所需要干冰體積為:

將 D0與 H代入 (11)可以算出 V實際=110×10-3m3,即 016 kg。

3 室內(nèi)冷凍試驗

3.1 實驗裝置結(jié)構(gòu)原理

室內(nèi)冷凍試驗采用圖 2所示冷凍裝置。整個試驗裝置主要由酒精腔、干冰腔上接手、干冰腔、干冰腔下接手、冷凍腔組成。干冰被放置在巖心管上方的雙層保溫干冰腔內(nèi)。實驗開始后,向干冰腔倒入酒精。酒精與干冰熱交換后,成為低溫液體,沿著接手通道流入冷凍腔中,即巖心管和襯管環(huán)狀間隙。然后通過巖心管向內(nèi)部模擬巖心傳遞冷量,最后完成對巖心的冷凍。

圖 2 冷凍試驗裝置結(jié)構(gòu)圖

天然氣水合物主要賦存于泥質(zhì)砂巖、細砂巖、粉砂巖、石灰?guī)r等沉積層中,以細脈狀充填于沉積物或巖石的裂隙中。天然氣水合物與冰有明顯的相似性,其性質(zhì)比較見表 2。因此,可以通過冷凍含冰的沉積層樣品來模擬實際天然氣水合物地層。試驗所用冷凍樣品為砂土樣。

表 2 天然氣水合物和冰的性質(zhì)比較

經(jīng)過前面冷凍能量計算可知,要使模擬巖心達到 50℃的溫降,需要干冰 016 kg,酒精 114 L。試驗開始之前首先測量巖心樣品的初始溫度為 1615℃,酒精的初始溫度為 1118℃。試驗中每隔 2 min記錄一次溫度數(shù)據(jù),待樣品溫度恢復至零度時停止記錄數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結(jié)果與分析

圖 3 巖樣和酒精溫度變化曲線圖

圖 4 冷凍巖樣實物照片

由圖 3分析可知,酒精在 36 min的時候溫度降至最低為 -2617℃左右,因而確定酒精與干冰充分反應的時間為 36 min。而模擬巖心在這段時間內(nèi)降溫速度最快,由 1615℃降到 -413℃,平均溫降約為 016℃/min。之后溫降逐漸趨于緩慢,大約 60 min的時候降到最低的 -14182℃,然后溫度開始上升。巖心的溫度降幅為 3018℃。

同時可以看到,巖心的降溫曲線出現(xiàn)輕微的波動,這是由于實際實驗過程中,酒精的注入速率會影響干冰升華的劇烈程度,從而導致酒精溫度變化的波動,而酒精溫度的變化直接影響到巖心冷凍的速率。

模擬巖心在 60 min以后升溫過程中,溫度要低于載冷劑酒精 3～4℃,這是因為載冷劑酒精與模擬巖心溫度達到平衡之后,停止向巖心傳遞冷量。但由于受外界環(huán)境的影響,使低溫酒精通過冷凍腔外壁大量散失冷量,而此時模擬巖心由于周圍低溫酒精的保冷作用,冷量的散失要相對滯后,所以載冷劑酒精的溫度在 60 min后高于土樣溫度。

4 冷凍試驗有限元模擬分析

4.1 模型的建立

首先對于模擬巖心的傳冷是軸對稱的,徑向的溫度梯度遠遠大于軸向的溫度梯度,所以我們將實際的三維巖心簡化為二維的模型;其次銅質(zhì)的巖心管導熱率與模擬巖心和酒精相比要大得多,其對實驗結(jié)果的影響非常微小,所以在模擬過程中忽略巖心管對傳熱的影響。

4.2 降溫過程模擬分析

計算結(jié)果可用溫度分布云圖和具體溫度值顯示,我們分析所得凍結(jié) 60 min之后的溫度梯度圖見圖 5,溫度變化曲線圖見圖 6。

圖 5 降溫過程溫度分布圖

圖 6 降溫過程溫度變化曲線圖

由圖 6分析可知,巖心的溫度在前 20 min降低很快,降溫幅度達到了 22℃,后 40 min溫度降低較慢,降溫幅度為 10℃。巖心中心點在冷凍至第 12 min時溫度降至 0℃,巖樣計時結(jié)束時的溫度為 -141633℃。

4.3 升溫過程的模擬分析

計算結(jié)果可用溫度分布云圖和具體溫度值顯示,我們模擬得溫度升到 0℃的溫度梯度圖見圖 7,溫度變化曲線圖見圖 8。

由圖 8分析可知,巖心升溫過程的溫度曲線較平緩,接近于直線,說明在升溫過程中巖心向外散熱比較均勻,且?guī)r心周圍的低溫酒精對巖心也有一定的保冷作用。

5 結(jié)論與改進

(1)通過模擬分析與試驗結(jié)果對比可知,模擬巖心體積中心點溫度變化基本一致。說明建立的二維巖心模型可以真實地反映巖心冷凍溫度的變化。從最后獲得的冷凍樣品可以看出,采用該冷凍方法可以成功地獲取冷凍巖心。

(2)實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果存在很大誤差,理論計算的巖心溫降為 50℃,而實驗過程中模擬巖心溫度只降到 -1418℃,其溫度降與理論計算相差近 20℃。經(jīng)過分析可能存在以下幾點原因:

圖 7 升溫過程溫度分布圖

圖 8 升溫過程溫度分布圖

①酒精注入干冰腔后,與干冰反應。與此同時,一部分酒精還未來得及與干冰充分反應便通過干冰腔下接手的酒精通道進入干冰腔內(nèi)部,等到干冰充分反應升華之后,冷凍腔內(nèi)已充滿酒精。與干冰充分反應的酒精則留在干冰腔體內(nèi)部,無法進入冷凍腔。

②由于受到尺寸的限制,酒精通道直徑只有 10 mm,大大限制了干冰腔體與冷凍腔體內(nèi)酒精的冷傳遞速度,導致沒有持續(xù)的冷源補給冷凍腔體內(nèi)酒精,這樣也就無法對巖心持續(xù)冷凍。

所以,在今后的試驗中,需要對實驗裝置進一步改進,首先在酒精進入冷凍腔之前,使其能夠與干冰充分反應,其次在干冰腔與冷凍腔之間增加類似于熱管的傳熱裝置,加快干冰腔與冷凍腔之間的熱傳導,保證對冷凍腔冷源的持續(xù)補給。

[1]郭威,孫友宏.天然氣水合物孔底冷凍取樣方法的室內(nèi)試驗研究[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(5).

[2] 郭威,孫友宏,等.干冰升華式孔底冷凍取樣器冷源保冷方法的實驗研究[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(9).

[3]王海亮.FCS-108型天然氣水合物空地冷凍取樣器的研制及實驗研究[D].吉林大學,2009.

[4] GB/T 50264-97,工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范[S].

Energy Calculation and Analysis on Laboratory Freezing Exper iment of Freezing Sampler for Gas Hydrate

Z HAO Jian-guo,SUN You-hong,WANG Hai-liang(College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun Jilin 130026,China)

According to freezing sampling method of gas hydrate with dry ice as refrigerant and alcohol as cooling agent,calculation was given for dry ice and alcohol consumption,and the consumption of dry ice and alcoholwith the double-layer insulation were calculated out.The feasibility of the calculationmethodwas verified through experiments and computer sim- ulations.Considering the problems in the exper iment,some improvementwas suggested to the experimental device to pro-vide a reference to sampler design.

gas hydrate;dry ice;cold calculation;freezing experiment;computer simulation

1 取樣器冷凍方式原理

P634.5

A

1672-7428(2010)01-0008-05

2009-11-16

科技部國際合作與交流專項“天然氣水合物孔底冷凍取樣方法及取樣器的研究”(項目編號:2007DFR60100);中國地質(zhì)調(diào)查局項目“青藏高原凍土帶天然氣水合物調(diào)查評價”(項目編號:1212010818055)

趙建國 (1983-),男 (漢族),河南孟州人,吉林大學碩士研究生,地質(zhì)工程專業(yè),從事天然氣水合物勘探技術的研究,吉林省長春市西民主大街 6號,,jgzhao07@mails.jlu.edu.cn。