深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置及方法与流程

本发明属于海洋油气开发
技术领域：
，具体地，涉及一种深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置及方法。
背景技术：
：随着我国南海深水油气勘探开发的不断深入，一批深水油气田逐渐进入生产开发阶段，为此需要安装大量由水下生产系统、海底管道及立管系统等组成的生产管路，为油气开采提供通道。图1为典型的深水气井生产系统，主要由井筒(油管)101、水下采油树103、水下管汇104、海底管线107、立管110和油气处理平台(FPSO)112组成。井筒101通过水下采油树103与水下管汇104相连接，水下管汇与海底管线107相连接，海底管线107与立管110相连接，立管110连接到油气处理平台112上。在气井生产过程中，地层产出流体进入井筒101后，向上流动到达井口，借助水下采油树103提供的流动通道汇集到水下管汇104，经由海底管线入口105流入海底管线107，从海底管线出口109流出后到达立管110，最后通过立管出口111输送到油气处理平台(FPSO)112进行油气分离处理，合格的原油储存在FPSO上的油舱中，并由穿梭游轮将原油送至陆上。由于水深较大，在生产管路中存在低温高压环境，若生产管路中含有自由水或处于水蒸气过饱和状态，则在管路中容易生成水合物，造成管路堵塞，降低管路的输送能力，甚至停产，危害生产作业的安全进行。现有的应对生产管路中水合物堵塞的方法大体可分为两类。一类是依据水合物生成相平衡理论，通过理论计算来确定管路系统中何处满足水合物生成的温度压力条件，并采用注入大量水合物抑制剂的办法来降低水合物生成温度，使得管路系统不存在水合物生成区域。这种方法对水合物问题的严重程度估计过于保守，理论研究和生产实践已经表明，少量水合物生成未必就能造成管路堵塞，若在确保不发生堵塞的前提下，允许少量水合物生成，则能降低所需的水合物抑制剂浓度，减少水合物抑制剂用量，减少对环境的危害，降低生产成本。另外一类应对管路中水合物堵塞的方法是在发生水合物堵塞后，关井停产，下入检测工具来确定发生水合物堵塞的位置，进而采取一定的措施来进行解堵。这种方法需要频繁关井停产，影响正常生产作业。技术实现要素：针对上述问题，本发明提出了一种深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置及方法，对生产管路中水合物堵塞位置及堵塞严重程度进行早期监测，为现场人员提供充足的时间来采取处理措施，从而避免更严重的堵塞状况的发生。为实现上述目的，本发明采用下述方案：深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，包括：数据采集传输系统、数据分析处理系统和水合物抑制剂自动注入系统；数据采集传输系统实时监测生产管路内温度压力数据，并将监测数据传输到数据分析处理系统；数据分析处理系统对监测数据进行存储、分析和处理，对生产管路内天然气水合物堵塞状况进行计算分析，并发出预警信号和水合物抑制剂注入指令；水合物抑制剂自动注入系统安装在平台上，根据数据分析处理系统发出的指令，向生产管路中注入水合物抑制剂。相对于现有技术，本发明的有益效果如下：能够对生产管路中水合物堵塞状况进行早期监测，及早预警水合物堵塞状况，为现场人员提供充足的时间来采取注入水合物抑制剂的措施，从而避免更严重的堵塞状况的发生。和依据水合物生成相平衡理论而完全抑制管道内水合物生成的技术相比，本发明可以在确保不发生水合物堵塞的情况下，减少水合物抑制剂用量，减少对环境的危害，降低生产成本。附图说明图1是深水气井生产系统示意图；图2是深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置示意图；图中：101、井筒；102、第一水合物抑制剂注入接头；103、水下采油树；104、水下管汇；105、海底管线入口；106、第二水合物抑制剂注入接头；107、海底管线；108、第三水合物抑制剂注入接头；109、海底管线出口；110、立管；111、立管出口；112、油气处理平台(FPSO)；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；201d、分布式光纤传感器；202、光缆；301、光纤接口；302、光-电解调器；303、计算机；401、报警器；501、水合物抑制剂储罐；502、信号执行机构；503a、第一水合物抑制剂注入泵；503b、第二水合物抑制剂注入泵；；503c、第三水合物抑制剂注入泵；504a、第一水合物抑制剂注入管线；504b、第二水合物抑制剂注入管线；504c、第三水合物抑制剂注入管线。具体实施方式如图2所示，深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，包括：数据采集传输系统、数据分析处理系统和水合物抑制剂自动注入系统。数据采集传输系统实时监测生产管路内温压参数，并将监测数据传输到数据分析处理系统；数据分析处理系统对监测数据进行存储、分析和处理，对生产管路内水合物堵塞状况进行计算分析，并发出预警信号和水合物抑制剂注入指令；水合物抑制剂自动注入系统安装在平台上，根据数据分析处理系统发出的指令，向生产管路中注入水合物抑制剂。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、分布式光纤传感器201d和光缆202。第一温压传感器组201a安装在水下采油树103下方10m处，监测水下采油树103下方附近井筒内流体温压参数；第二温压传感器组201b安装在海底管线107的入口105处，监测海底管线107入口处管线内流体温压参数；第三温压传感器组201c安装在海底管线107的出口109处，监测海底管线107出口处管线内流体温压参数；分布式光纤传感器201d沿立管110铺设，监测立管110内流体温压参数；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和分布式光纤传感器201d所监测数据通过光缆202传输到数据分析处理系统。对数据采集传输系统的布置，作如下进一步说明：对井筒101，采用分立式温压传感器监测井筒101中，水下采油树103下方附近的流体温压参数，所用温压传感器为第一温压传感器组201a。对于海底管线107，由于其长度往往较大，且温度压力分布规律性较强，能够应用理论模型较为准确地预测，因此采用两组分立式温压传感器组(第二温压传感器组201b和第三温压传感器组201c)来分别监测海底管线107入口105和出口109处的温压参数，并以此为边界条件，采用本发明提供的方法来计算海底管线其它各处的温度压力分布。立管110中有时会出现严重段塞流，温压参数变化较为复杂，采用理论模型难以准确预测，因此本发明采用沿立管110安装分布式光纤传感器201d，来实时监测立管110中流体温度和压力变化情况。上述监测到的温压参数通过光缆202传输到数据分析处理系统。数据分析处理系统，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压数据通过光缆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，电信号传输至计算机303，计算机303依据监测数据，对生产管路101-111中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，确定堵塞状况危险级别，计算距离发生完全堵塞所需时间，发出预警指令以及水合物抑制剂注入指令。报警器401根据数据分析处理系统发出的报警指令，发出相应级别的预警信号，提示作业人员生产管路101-111中水合物堵塞严重程度以及距离管路被水合物完全堵塞还剩余的时间。预警信号根据生产管路被水合物堵塞的严重程度分为四个等级。若水合物沉积附着造成生产管路有效管径de减小为0.7di≤de<0.9di，则发出一级预警信号，其中di为原始管径；若0.6di≤de<0.7di，则发出二级预警信号；若0.4di≤de<0.6di，则发出三级预警信号；若de<0.4di，则发出四级预警信号。水合物抑制剂自动注入系统，包括水合物抑制剂储罐501、信号执行机构502、第一水合物抑制剂注入泵503a、第二水合物抑制剂注入泵503b、第三水合物抑制剂注入泵503c、第一水合物抑制剂注入管线504a、第二水合物抑制剂注入管线504b和第三水合物抑制剂注入管线504c。水合物抑制剂储罐501安装在生产平台上，用于储存水合物抑制剂，分别通过管线与第一水合物抑制剂注入泵503a、第二水合物抑制剂注入泵503b和第三水合物抑制剂注入泵503c相连，向第一水合物抑制剂注入泵503a、第二水合物抑制剂注入泵503b、第三水合物抑制剂注入泵503c提供水合物抑制剂；信号执行机构502与计算机303相连接，根据计算机303发出的指令，对第一水合物抑制剂注入泵503a、第二水合物抑制剂注入泵503b和第三水合物抑制剂注入泵503c进行操作，包括启泵与停泵；第一水合物抑制剂注入接头102安装在第一温压传感器组201a的上方5m，第二水合物抑制剂注入接头106安装在海底管线107入口处(第二温压传感器组201b下游)，第三水合物抑制剂注入接头108安装在海底管线107出口处(第三温压传感器组201c的下游)；第一水合物抑制剂注入管线504a连接第一水合物抑制剂注入泵503a和第一水合物抑制剂注入接头102；第二水合物抑制剂注入管线504b连接第二水合物抑制剂注入泵503b和第二水合物抑制剂注入接头106；第三水合物抑制剂注入管线504c连接第三水合物抑制剂注入泵503c和第三水合物抑制剂注入接头108。根据数据分析处理系统发出的指令，当出现三级及以上预警信号时，数据分析处理系统发出注入水合物抑制剂的指令，若管路有效内径减小最快的位置位于海底管线入口105上游，则启动第一水合物抑制剂注入泵503a，通过第一水合物抑制剂注入接头102向生产管路中注入水合物抑制剂；若生产管路有效内径减小最快的位置位于海底管线107中，则启动第二水合物抑制剂注入泵503b，通过第二水合物抑制剂注入接头106向生产管路中注入水合物抑制剂；若管路有效内径减小最快的位置位于立管110中，则启动第三水合物抑制剂注入泵503c，通过第三水合物抑制剂注入接头108向生产管路中注入水合物抑制剂。深水气井生产管路水合物堵塞早期监测方法，利用上述深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，具体实施步骤如下：(1)采集基础数据。通过井口流量计量装置计量单井产气量Qg和产水量Qw，通过温度计和压力计获得平台井口温度Twh和压力pwh。利用第一温压传感器组201a、第二温压传感器组201b、第三温压传感器组201c、分布式光纤传感器201d监测所在位置处生产管路内流体温度(T1，T2，T3，T4)和压力(p1，p2，p3，p4)，监测数据通过光缆202传输到数据分析处理系统。(2)确定生产管路中温度压力分布。数据分析处理系统依据(1)所得到的基础数据，计算分析生产管路101-111中温度和压力分布，具体如下。①确定井筒101内温度压力分布。由于井筒中只在水下井口附近布设了第一温压传感器201a，不能监测每一点的温压参数，需要通过理论计算来确定井筒内的温度压力分布。以p1为边界条件，由(1)计算井筒101中压力分布。-dpds=∂∂t(Aρmvm)+∂∂s(Aρmvm2)+Aρmg+|fFρmvm22de|---(1)]]>式中，p为井筒油管内压力；s为与井底的距离；t为时间；A为井筒油管有效过流面积；ρm为油管内流体混合物平均密度；vm为流体混合物平均流速；fF为摩阻系数；de为油管有效内径。考虑水合物相变热，以T1为边界条件，由式(2)计算井筒101中流体温度分布。dTfds=2πrtoUtokewmCm(ke+rtoTDUto)(Tf-Tei)+rhfΔhwmCmMh---(2)]]>式中，Tf为油管内流体温度；Cm为流体混合物平均热容；rto为油管外径；Uto为井筒总传热系数；ke为地层导热系数；wm为流体混合物质量流量；TD为无因次温度；Tei为地层原始温度；Δh为天然气水合物相变热；rhf为天然气水合物生成速率；Mh为天然气水合物摩尔质量。②确定海底管线107中流体温度压力分布。由于海底管线107往往较长，采用分布式传感器监测每一点处温压参数成本较高，且数据处理量巨大，故采用第二温压传感器组201b和第三温压传感器组201c来分别监测海底管线107入口105和出口109处的温度压力参数(T2，T3，p2，p3)，并以此为边界条件，采用公式(3)计算海底管线107中的压力分布。-dpds=∂∂t(Aρmvm)+∂∂s(Aρmvm2)+Agρmsinα+|fFρmvm22de|---(3)]]>式中，α为管道倾角，de为海底管线有效内径。考虑水合物相变热及焦耳汤姆逊效应，由式(4)计算海底管线107中的温度分布。dTfds=2πrtoUtokewmCm(ke+rtoTDUto)(Tf-Te)-1Cm(gsinα+vmdvmds)+CJdpds+rhΔhwmCmMh---(4)]]>③确定立管110中温度压力分布。由于立管110中有可能出现严重段塞流，温度压力变化较为复杂，难以采用理论方法进行准确计算，本发明采用分布式光纤传感器201d监测立管110中每一点处的温度压力参数(T4，p4)。(3)确定生产管路中水合物生成区域。根据天然气水合物生成相平衡理论，计算生产管路101-111内不同位置处水合物生成温度，当流体温度低于水合物生成温度时，会有水合物生成，由此确定生产管路中水合物生成区域。(4)计算水合物生成速率。在步骤(3)所述水合物生成区域内，会有水合物生成，所生成的水合物需要一定的时间使生产管路被完全堵塞，所需时间的长短与管路中水合物生成速率有关，由式(5)计算生产管路101-111内不同位置水合物生成速率。rhf=uAsk1exp(-k2Tf)(ΔTsub)---(5)]]>式中，u为系数；As为气液接触面面积；k1和k2为反应常数；ΔTsub为过冷度。(5)计算生产管路有效内径。生成的天然气水合物有一部分会沉积附着到管路内壁上，形成不断生长的水合物层，使管路有效内径不断减小，水合物层厚度采由式(6)进行计算，管路有效内径由式(7)进行计算。δh=∫0tuk1ΔTsubρhe-k2/Tfdt---(6)]]>de=di-2δh=di-2∫0tuk1ΔTsubρhe-k2/Tfdt---(7)]]>式中，δh为水合物层厚度；ρh为天然气水合物密度；di为管路原始内径。(6)评估生产管路内水合物堵塞状况。用生产管路有效内径变化情况表征管路被水合物堵塞的严重程度，确定生产管路101-111中最先发生水合物堵塞的位置(管路有效内径减小最快的位置)，判断生产管路内水合物堵塞严重程度，计算水合物完全堵塞管路所需要的时间。(7)发出相应的预警信号。根据步骤(6)所得到的生产管路内水合物堵塞状况分析结果，数据分析处理系统发出相应的报警指令，使报警器401发出相应的预警信号。预警信号根据生产管路被水合物堵塞的严重程度分为四个等级：若水合物沉积附着造成生产管路有效管径de减小为0.7di≤de<0.9di，则发出一级预警信号，其中di为原始管径；若0.6di≤de<0.7di，则发出二级预警信号；若0.4di≤de<0.6di，则发出三级预警信号；若de<0.4di，则发出四级预警信号。(8)采取水合物抑制剂注入措施。当出现三级及以上预警信号时，则数据分析处理系统向水合物抑制剂自动注入系统发出指令，启动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，向生产管路中注入水合物抑制剂。①若管路有效内径减小最快位置位于海底管线入口105上游，则启动第一水合物抑制剂注入泵503a，通过第一水合物抑制剂注入接头102向生产管路中注入水合物抑制剂。②若生产管路有效内径减小最快位置位于海底管线107中，则启动第二水合物抑制剂注入泵503b，通过第二水合物抑制剂注入接头106向生产管路中注入水合物抑制剂。③若管路有效内径减小最快位置位于立管110中，则启动第三水合物抑制剂注入泵503c，通过第三水合物抑制剂注入接头108向生产管路中注入水合物抑制剂。当前第1页1 2 3