深水气井测试中天然气水合物堵塞监测装置及方法与流程

本发明属于海洋深水油气勘探开发领域，具体地，涉及一种深水气井测试中天然气水合物堵塞监测装置及方法。

背景技术：

随着陆上油气资源的逐渐枯竭，勘探开发活动逐步转向深水领域，深水领域的新增油气探明储量对全球范围内总体新增油气探明储量的贡献持续上升。党的十八大报告明确提出建设“海洋强国”战略，加强海洋油气资源的开发，对于建设海洋强国具有重要意义。深水油气钻探作业中会遇到很多技术挑战，其中低温高压条件下，天然气水合物生成就会给深水钻完井作业、测试作业、油气集输等带来诸多方面的挑战。

深水气井测试是认识油气藏、评估储层潜力的重要作业环节。目前国内外常用的深水气井测试系统如图1所示，主要部件为深水气井测试管柱101以及安装于测试管柱上的相关辅助设备，相关辅助设备主要包括水下测试树102、防喷阀103和流动控制头104，水下测试树102安装在海底井口，防喷阀103位于水下测试树上部的测试管柱内，流动控制头104安装于水上井口(深水气井测试管柱101的顶端)，与测试平台上的出流管线相接，井口温度计105和井口压力计106对地层流体温度压力参数进行监测，地层流体经过放喷油嘴107和井口流量计108后作进一步处理(如气液分离、燃烧等)，这些辅助设备用于控制地层流体的流出，对测试管柱内压力进行控制，防止井喷事故的发生，并对流体的温度压力及流量进行计量。

在正常测试作业过程中，地层产出流体进入测试管柱，通过测试管柱向上流动至测试平台，在平台上对流出的流体进行气液分离处理，分离出的气体通过火炬进行燃烧，分离出的液体储存到平台上相应的储罐中。

然而由于深水低温高压条件的存在，在测试过程中，测试管柱内往往会生成天然气水合物，堵塞管柱，影响测试作业的正常进行。现有的技术依据水合物生成相平衡理论，仅能够简单初步地判断测试管柱系统中哪些位置能够满足水合物生成的温度压力条件，但是无法判断何时何处会造成水合物堵塞，以及发生水合物堵塞的严重程度。WANG Zhi-yuan等提出依据水合物生成相平衡理论，结合井筒温压场计算，来确定深水气井测试过程中水合物生成区域(Journal of Hydrodynamics.2014,26(4):840-847)。专利CN104088623A依据水合物生成相平衡理论，确定测试管柱内水合物生成区域，并据此给出了水合物防治方法，但是该专利不能用于监测和分析测试管柱内何时何处会造成水合物堵塞，以及发生水合物堵塞的严重程度。专利CN104343416A公开了一种深水气井测试系统和测试方法，提出依据水合物生成相平衡理论，确定测试管柱内水合物生成区域，进而采用井下节流法防治水合物，该专利也不能用于监测和分析测试管柱内何时何处会造成水合物堵塞，以及发生水合物堵塞的严重程度。专利CN104895560A公开了一种深水测试井筒压力、温度场模拟及水合物预测方法，该专利仅能判断测试井筒中何处满足水合物生成的温压条件，没有涉及到水合物生成速率、水合物沉积堵塞等问题，不能用于监测和分析测试管柱内何时何处会造成水合物堵塞，以及堵塞的严重程度。

技术实现要素：

为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种深水气井测试中天然气水合物堵塞监测装置及方法。通过实时监测井下温压数据，结合本发明所提出的水合物堵塞预测方法，确定测试管柱内水合物堵塞发生的位置，判断水合物堵塞严重程度，计算发生完全堵塞所需的时间，发出预警信号，自动向测试管柱内注入水合物抑制剂，确保深水气井测试作业安全高效进行。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

深水气井测试中天然气水合物堵塞监测装置，包括：井下数据采集传输系统、平台控制系统和水合物抑制剂自动注入系统。井下数据采集传输系统实时监测测试管柱内流体的温度、压力数据，并将监测到的温度、压力数据传输到平台控制系统；平台控制系统对测试管柱内天然气水合物堵塞严重程度、管柱被完全堵塞所需时间以及最先发生完全堵塞的位置进行计算评估，发出相应的预警信号，并根据管柱堵塞状况发出注入水合物抑制剂的指令；水合物抑制剂自动注入系统根据平台控制系统发出的指令，启动相应的水合物抑制剂注入泵，通过水合物抑制剂注入管线和水合物抑制剂注入接头，向测试管柱内注入水合物抑制剂。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：在深水气井测试水合物预测与防治方面，现有技术仅能够依据水合物生成相平衡理论，预测管柱内何处会存在有利于水合物生成的温压条件，而不能判断会不会形成水合物堵塞，以及水合物堵塞发生的位置和时间，而本发明通过对井下温度压力数据的监测，结合本发明所提出的水合物堵塞判断方法，可以对深水气井测试作业中，测试管柱内水合物堵塞发生的位置、水合物堵塞严重程度、发生完全堵塞所需的时间进行计算，并能够指导水合物防治措施的制定，包括是否注入水合物抑制剂以及水合物抑制剂注入位置的确定等。

附图说明

图1是现有技术中深水气井测试系统示意图。

图2是深水气井测试中天然气水合物堵塞监测装置示意图。

图3是深水气井测试中天然气水合物堵塞监测方法示意图。

图中：101、深水气井测试管柱；102、水下测试树；103、防喷阀；104、流动控制头；105、井口温度计；106、井口压力计；107、放喷油嘴；108、井口流量计；201a、第一温压传感器组；201b、第二温压传感器组；201c、第三温压传感器组；202、光缆；301、光纤接口；302、光电解调器；303、计算机；304、报警器；305、水合物抑制剂储罐；306、信号执行机构；307a、第一水合物抑制剂注入泵；307b、第二水合物抑制剂注入泵；307c、第三水合物抑制剂注入泵；308a、第一水合物抑制剂注入管线；308b、第二水合物抑制剂注入管线；308c、第三水合物抑制剂注入管线；309a、第一水合物抑制剂注入接头；309b、第二水合物抑制剂注入接头。

具体实施方式

如图2所示，深水气井测试中天然气水合物堵塞监测装置，包括：井下数据采集传输系统、平台控制系统和水合物抑制剂自动注入系统。井下数据采集传输系统实时监测测试管柱内流体的温度、压力数据，并将监测到的温度、压力数据传输到平台控制系统；平台控制系统对测试管柱内天然气水合物堵塞严重程度、管柱被完全堵塞所需时间以及最先发生完全堵塞的位置进行计算评估，发出相应的预警信号，并根据管柱堵塞状况发出注入水合物抑制剂的指令；水合物抑制剂自动注入系统根据平台控制系统发出的指令，启动相应的水合物抑制剂注入泵，通过水合物抑制剂注入管线和水合物抑制剂注入接头，向测试管柱内注入水合物抑制剂。

井下数据采集传输系统，包括：第一温压传感器组201a、第二温压传感器组201b、第三温压传感器组201c和光缆202。第一温压传感器组201a安装于测试层位上方，第二温压传感器组201b安装于水下测试树102下方，间距10米，第三温压传感器组201c安装于距海面以下400米处；第一温压传感器组201a、第二温压传感器组201b和第三温压传感器组201c用于监测所处位置深水气井测试管柱101的温度和压力数据，监测到的温度、压力数据通过光缆202传输到平台控制系统。

平台控制系统，包括：光纤接口301、光电解调器302、计算机303和报警器304。光纤接口301与光缆202相连接，光电解调器302通过光纤与光纤接口301连接，光电解调器302与计算机303相连，计算机与报警器304相连；井下数据采集传输系统采集到的井下温度压力数据通过光缆202和光纤接口301传输至光电解调器302，光电解调器302将光信号转换为电信号，电信号传输给计算机303，计算机303根据井下数据采集传输系统监测到的井下数据，对深水气井测试管柱101内天然气水合物堵塞状况进行计算分析，判断水合物堵塞发生的位置，堵塞危险级别，计算距离发生完全堵塞所需时间，发出报警指令以及水合物抑制剂注入指令，报警器304接收到报警指令后，发出相应级别的预警信号，提示作业人员深水气井测试管柱101内水合物堵塞严重程度以及距离管柱被水合物完全堵塞还剩余的时间。

预警信号等级划分如下：水合物在深水气井测试管柱101内壁上沉积附着，造成管柱有效内径减小，如图3所示，用测试管柱有效内径减小程度表征深水气井测试管柱101内水合物堵塞严重程度，将预警信号分为四个等级。若水合物沉积附着造成测试管柱有效管径(d_e)减小为：0.7d_ti≤d_e<0.9d_ti，则进行一级报警，报警器304发出一级预警信号，其中d_ti为深水气井测试管柱101的初始内径；若0.6d_ti≤d_e<0.7d_ti，则进行二级报警，报警器304发出二级预警信号；若0.4d_ti≤d_e<0.6d_ti，则进行三级报警，报警器304发出三级预警信号；若d_e<0.4d_ti，则进行四级报警，报警器304发出四级预警信号。

水合物抑制剂自动注入系统，包括：水合物抑制剂储罐305、第一水合物抑制剂注入泵307a、第二水合物抑制剂注入泵307b、第三水合物抑制剂注入泵307c、第一水合物抑制剂注入管线308a、第二水合物抑制剂注入管线308b和第三水合物抑制剂注入管线308c。水合物抑制剂储罐305安装在测试平台上，用于储存水合物抑制剂，如甲醇、乙二醇等；水合物抑制剂储罐305分别通过管线与第一水合物抑制剂注入泵307a、第二水合物抑制剂注入泵307b和第三水合物抑制剂注入泵307c相连，向第一水合物抑制剂注入泵307a、第二水合物抑制剂注入泵307b和第三水合物抑制剂注入泵307c提供水合物抑制剂；信号执行机构306与平台控制系统的计算机303相连接，根据平台控制系统发出的指令，对第一水合物抑制剂注入泵307a、第二水合物抑制剂注入泵307b和第三水合物抑制剂注入泵307c进行操作，包括启泵与停泵；第一水合物抑制剂注入接头309a安装于泥线以下600米处的深水气井测试管柱101上；第二水合物抑制剂注入接头309b安装于海面以下300米处的深水气井测试管柱101上；第一水合物抑制剂注入管线308a连接第一水合物抑制剂注入泵307a和第一水合物抑制剂注入接头309a，第二水合物抑制剂注入管线308b连接第二水合物抑制剂注入泵307b和水下测试树102，第三水合物抑制剂注入管线308c连接第三水合物抑制剂注入泵307c和第二水合物抑制剂注入接头309b。

第一水合物抑制剂注入泵307a、第二水合物抑制剂注入泵307b和第三水合物抑制剂注入泵307c独立工作，可同时进行启动或停泵，并作如下具体规定。

若深水气井测试管柱101内水合物堵塞严重程度达到三级及以上级别(出现三级预警信号和四级预警信号)，则启动相应的水合物抑制剂注入泵，向深水气井测试管柱101内注入水合物抑制剂，具体流程如下。

①若深水气井测试管柱101有效内径减小最快的位置位于水下测试树102的下方，则启动第一水合物抑制剂注入泵307a，通过第一水合物抑制剂注入接头309a向深水气井测试管柱101中注入水合物抑制剂。

②若测试管柱有效内径减小最快的位置位于水下测试树102和第二水合物抑制剂注入接头309b之间，则启动第二水合物抑制剂注入泵307b，通过水下测试树102向深水气井测试管柱101中注入水合物抑制剂。

③若测试管柱有效内径减小最快的位置位于第二水合物抑制剂注入接头309b以上，则启动第三水合物抑制剂注入泵307c，通过第二水合物抑制剂注入接头309b向深水气井测试管柱101中注入水合物抑制剂。

深水气井测试中天然气水合物堵塞监测方法，采用上述深水气井测试中天然气水合物堵塞监测装置，步骤如下：

①通过井口流量计108计量产气量Q_g和产水量Q_w，通过井口温度计105计量井口流体温度T_wh，通过井口压力计106计量井口流体压力p_wh。

②利用第一温压传感器组201a、第二温压传感器组201b和第三温压传感器组201c分别测量相应深度处深水气井测试管柱101内流体温度T1、T2、T3和压力p1、p2、p3。

③计算深水气井测试管柱内流体温度压力分布。根据步骤①和②测量得到的数据以及测试管柱参数、地温梯度、水深、井深、井身结构参数，由式(1)计算深水气井测试管柱101中压力分布。

$-\frac{dp}{ds}=\frac{\&part;}{\&part;t}\left({\mathrm{A\&rho;}}_m{v}_m\right)+\frac{\&part;}{\&part;s}\left({\mathrm{A\&rho;}}_m{v}_m^2\right)+{\mathrm{Ag\&rho;}}_{m}cos\mathrm{\&alpha;}+\left|f_F\frac{{\mathrm{\&rho;}}_m{v}_m^2}{2d_e}\right|---\left(1\right)$

式中，p为测试管柱内压力分布；s为到测试层位的距离；t为时间；A为测试管柱有效过流面积；ρ_m为测试管柱内流体混合物平均密度；v_m为流体混合物平均流速；f_F为摩阻系数；d_e为测试管柱有效内径。

由公式(2)计算深水气井测试管柱101中流体温度分布。

$\frac{{\mathrm{dT}}_f}{ds}=\frac{2{\mathrm{\&pi;r}}_{to}{U}_{to}{k}_e}{w_m{C}_m(k_e+r_{to}{T}_D{U}_{to})}(T_f-T_{ei})+\frac{r_{hf}\mathrm{\&Delta;}h}{w_m{C}_m{M}_h}---\left(2\right)$

式中，T_f为测试管柱内流体温度；C_m为流体混合物平均热容；r_to为测试管柱外径；U_to为井筒总传热系数；k_e为地层导热系数；w_m为流体混合物质量流量；T_D为无因次温度；T_ei为地层原始温度；Δh为天然气水合物生成热；r_hf为天然气水合物生成速率；M_h为天然气水合物摩尔质量。

④确定深水气井测试管柱内天然气水合物生成区域。根据天然气水合物生成相平衡理论，计算不同深度处水合物生成温度，当流体温度低于水合物生成温度时，测试管柱内会生成水合物，由此确定深水气井测试管柱内天然气水合物的生成区域。

⑤计算深水气井测试管柱内不同深度处天然气水合物的生成速率。在步骤④所述天然气水合物生成区域内会有水合物生成，但所生成的天然气水合物造成测试管柱堵塞需要一定的时间，利用如下公式计算深水气井测试管柱101内不同深度处天然气水合物的生成速率。

$r_{hf}={\mathrm{uA}}_s{k}_1\exp (-\frac{k_2}{T_f})\left({\mathrm{\&Delta;T}}_{sub}\right)---\left(3\right)$

式中，u为系数；A_s为气液接触面积；k₁和k₂为反应常数；ΔT_sub为过冷度。

⑥计算深水气井测试管柱的有效内径。生成的天然气水合物有一部分会沉积附着到测试管柱内壁上，形成不断生长的水合物层，使得深水气井测试管柱101的有效内径不断减小，水合物层厚度由式(4)进行计算，深水气井测试管柱101的有效内径由式(5)进行计算。

${\mathrm{\&delta;}}_h={\&Integral;}_0^t\frac{{\mathrm{uk}}_1{\mathrm{\&Delta;T}}_{sub}}{{\mathrm{\&rho;}}_h}{e}^{-k_2/T_f}dt---\left(4\right)$

$d_e=d_{ti}-2{\mathrm{\&delta;}}_h=d_{ti}-2{\&Integral;}_0^t\frac{{\mathrm{uk}}_1{\mathrm{\&Delta;T}}_{sub}}{{\mathrm{\&rho;}}_h}{e}^{-k_2/T_f}dt---\left(5\right)$

式中，δ_h为水合物层厚度；ρ_h为水合物密度；d_ti为测试管柱原始内径。

⑦判断测试管柱中水合物堵塞严重程度，确定最先发生水合物堵塞的位置，计算测试管柱被水合物完全堵塞所需时间。由步骤①-⑥得到不同深度处深水气井测试管柱101的有效内径随时间的变化情况，如图3所示，可以看出随着管柱内壁上水合物层上不断生长，管柱有效内径不断减小。用测试管柱有效内径变化情况来表征深水气井测试管柱101被水合物堵塞的严重程度，则根据图3可以判断测试管柱中水合物堵塞严重程度、最先发生水合物堵塞的位置、以及测试管柱被水合物完全堵塞所需要的时间。如图3所示，距海面150米深度处的测试管柱有效内径减小最快，如曲线A所示，表示该处水合物堵塞状况最严重，在28h时会达到三级堵塞，报警器将发出三级预警信号，由于管柱有效内径减小最快的位置(150米深处)位于第二水合物抑制剂注入接头309b以上，因此启动第三水合物抑制剂注入泵307c，从第二水合物抑制剂注入接头309b注入水合物抑制剂。从图3中还可以看出，若不向深水气井测试管柱101中注入水合物抑制剂，则需要约45小时的时间，使得测试管柱被水合物完全堵塞，且最先被水合物完全堵塞的位置发生在150米深度处(最先发生堵塞的位置及所需时间与产气量、水深等多种因素有关)。

⑧根据步骤⑥和⑦的计算分析结果，平台控制系统发出相应的报警指令，使报警器304发出相应的预警信号。根据测试管柱被水合物堵塞的严重程度，将预警信号分为四个等级，如图3所示。若水合物沉积附着造成测试管柱有效管径(d_e)减小为：0.7d_ti≤d_e<0.9d_ti，则报警器发出一级预警信号；若0.6d_ti≤d_e<0.7d_ti，则报警器发出二级预警信号；若0.4d_ti≤d_e<0.6d_ti，则报警器发出三级预警信号；若d_e<0.4d_ti，则报警器发出四级预警信号。

⑨根据测试管柱内水合物堵塞预警信号级别，水合物抑制剂自动注入系统进行响应。若出现三级或四级预警信号，则平台控制系统发出水合物抑制剂注入指令，启动水合物抑制剂注入泵，向深水气井测试管柱101内注入水合物抑制剂。

若深水气井测试管柱101有效内径减小最快的位置位于水下测试树102的下方，则启动第一水合物抑制剂注入泵307a，通过第一水合物抑制剂注入接头309a向深水气井测试管柱101中注入水合物抑制剂。

若测试管柱有效内径减小最快的位置位于水下测试树102和第二水合物抑制剂注入接头309b之间，则启动第二水合物抑制剂注入泵307b，通过水下测试树102向深水气井测试管柱101中注入水合物抑制剂。

若测试管柱有效内径减小最快的位置位于第二水合物抑制剂注入接头309b以上，则启动第三水合物抑制剂注入泵307c，通过第二水合物抑制剂注入接头309b向深水气井测试管柱101中注入水合物抑制剂。