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

技术特征：

1.一种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；其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，其特征在于：数据采集传输系统，包括：第一温压传感器组、第二温压传感器组、第三温压传感器组、分布式光纤传感器和光缆；第一温压传感器组安装在水下采油树下方，用于监测水下采油树下方附近井筒内的流体温压参数；第二温压传感器组安装在海底管线的入口处，用于监测海底管线入口处管线内流体温压参数；第三温压传感器组安装在海底管线的出口处，用于监测海底管线出口处管线内流体温压参数；分布式光纤传感器沿立管铺设，用于监测立管内每一点处流体温压参数；第一温压传感器组、第二温压传感器组、第三温压传感器组和分布式光纤传感器监测的温压参数通过光缆传输到数据分析处理系统。

3.根据权利要求1-2所述的深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，其特征在于：数据分析处理系统，包括：光纤接口、光-电解调器、计算机和报警器；光纤接口与光缆相连接，光电解调器通过光纤与光纤接口连接，光电解调器与计算机相连，计算机与报警器相连；井下数据采集传输系统采集到的井下温压数据通过光缆和光纤接口传输至光-电解调器，光-电解调器将光信号转换为电信号，电信号通过电线传输给计算机，计算机根据井下数据采集传输系统监测到的井下数据，对生产管路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。

4.根据权利要求1-3所述的深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，其特征在于：根据生产管路被水合物堵塞的严重程度，将预警信号分为四个等级：若水合物沉积附着造成生产管路有效管径d_e减小为0.7d_i≤d_e<0.9d_i，则发出一级预警信号，其中d_i为原始管径；若0.6d_i≤d_e<0.7d_i，则发出二级预警信号；若0.4d_i≤d_e<0.6d_i，则发出三级预警信号；若d_e<0.4d_i，则发出四级预警信号。

5.根据权利要求1-4所述的深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，其特征在于：水合物抑制剂自动注入系统，包括水合物抑制剂储罐、信号执行机构、第一水合物抑制剂注入泵、第二水合物抑制剂注入泵、第三水合物抑制剂注入泵、第一水合物抑制剂注入管线、第二水合物抑制剂注入管线和第三水合物抑制剂注入管线；水合物抑制剂储罐安装在生产平台上，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、第二水合物抑制剂注入泵、第三水合物抑制剂注入泵相连，向第一水合物抑制剂注入泵、第二水合物抑制剂注入泵、第三水合物抑制剂注入泵提供水合物抑制剂；信号执行机构与计算机相连接，根据计算机发出的指令，对第一水合物抑制剂注入泵、第二水合物抑制剂注入泵和第三水合物抑制剂注入泵进行操作，包括启泵与停泵；第一水合物抑制剂注入接头安装在第一温压传感器组的上方5m，第二水合物抑制剂注入接头安装在海底管线的入口处，即第二温压传感器组的下游，第三水合物抑制剂注入接头安装在海底管线的出口处，即第三温压传感器组的下游；第一水合物抑制剂注入管线连接第一水合物抑制剂注入泵和第一水合物抑制剂注入接头；第二水合物抑制剂注入管线连接第二水合物抑制剂注入泵和第二水合物抑制剂注入接头；第三水合物抑制剂注入管线连接第三水合物抑制剂注入泵和第三水合物抑制剂注入接头。

6.根据权利要求1-5所述的深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，其特征在于：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上游，则启动第一水合物抑制剂注入泵，通过第一水合物抑制剂注入接头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中，则启动第二水合物抑制剂注入泵，通过第二水合物抑制剂注入接头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中，则启动第三水合物抑制剂注入泵，通过第三水合物抑制剂注入接头向生产管路中注入水合物抑制剂。

7.一种深水气井生产管路水合物堵塞早期监测方法，利用权利要求1-6之一所述的深水气井生产管路水合物堵塞早期监测装置，其特征在于，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Q_g和产水量Q_w，通过温度计和压力计获得平台井口温度T_wh和压力p_wh；利用第一温压传感器组、第二温压传感器组、第三温压传感器组和分布式光纤传感器监测生产管路不同位置处流体温度T1，T2，T3，T4和压力p1，p2，p3，p4，监测数据通过光缆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，数据分析处理系统的计算机依据(1)所得到的基础数据，计算分析生产管路中温度和压力分布；

①计算井筒内温度压力分布，以p1为边界条件，利用式(1)计算井筒中压力分布

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

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；ρ_m为油管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)计算井筒内流体温度分布

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

式中，T_f为油管内流体温度；C_m为流体混合物平均热容；r_to为油管外径；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为天然气水合物相变热；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；

②计算海底管线中流体温度压力分布，采用第二温压传感器组和第三温压传感器组分别监测海底管线入口和出口处的温度压力参数T2、p2，T3、p3，以此为边界条件，由式(3)计算海底管线中的压力分布

$-\frac{dp}{ds}=\frac{\&part;}{\&part;t}\left({\mathrm{A\&rho;}}_m{v}_m\right)+\frac{\&part;}{\&part;s}\left({\mathrm{A\&rho;}}_m{v}_m^2\right)+{\mathrm{Ag\&rho;}}_{m}sin\mathrm{\&alpha;}+\left|f_F\frac{{\mathrm{\&rho;}}_m{v}_m^2}{2d_e}\right|---\left(3\right)$

式中，α为管道倾角，d_e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)计算海底管线内流体温度分布

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dT}}_f}{ds}=\frac{2{\mathrm{\&pi;r}}_{to}{U}_{to}{k}_e}{w_m{C}_m(k_e+r_{to}{T}_D{U}_{to})}(T_f-T_e)\\ -\frac{1}{C_m}(g\sin \mathrm{\&alpha;}+v_m\frac{{\mathrm{dv}}_m}{ds})+C_J\frac{dp}{ds}+\frac{r_{hf}\mathrm{\&Delta;}h}{w_m{C}_m{M}_h}\end{array}---\left(4\right)$

③确定立管中温度压力分布，采用分布式光纤传感器监测立管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(3)所述水合物生成区域内，温度压力满足水合物生成条件，但是所生成的水合物要堵塞管路，则需要一定的时间，这个时间的长短与管路中水合物生成速率有关，由式(5)计算生产管路内不同位置处水合物的生成速率

$r_{hf}={\mathrm{uA}}_s{k}_1\exp (-\frac{k_2}{T_f})\left({\mathrm{\&Delta;T}}_{sub}\right)---\left(5\right)$

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；

(5)计算管路有效内径，生成的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，使管路有效过流面积不断较小，管路有效内径不断减小，水合物层厚度用式(6)计算，管路有效内径用式(7)进行计算

${\mathrm{\&delta;}}_h={\&Integral;}_0^t\frac{{\mathrm{uk}}_1{\mathrm{\&Delta;T}}_{sub}}{{\mathrm{\&rho;}}_h}{e}^{-k_2/T_f}dt---\left(6\right)$

$d_e=d_i-2{\mathrm{\&delta;}}_h=d_i-2{\&Integral;}_0^t\frac{{\mathrm{uk}}_1{\mathrm{\&Delta;T}}_{sub}}{{\mathrm{\&rho;}}_h}{e}^{-k_2/T_f}dt---\left(7\right)$

式中，δ_h为水合物层厚度；ρ_h为天然气水合物密度；d_i为管路原始内径；

(6)分析生产管路内水合物堵塞状况，由步骤(1)-(5)得到不同位置处生产管路有效内径随时间的变化情况，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，确定生产管路中最先发生水合物堵塞的位置，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)发出水合物堵塞预警信号，根据步骤(6)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，使报警器发出预警信号。预警信号根据生产管路被水合物堵塞严重程度分为四个等级：若0.7d_i≤d_e<0.9d_i，则发出一级预警信号；若0.6d_i≤d_e<0.7d_i，则发出二级预警信号；若0.4d_i≤d_e<0.6d_i，则发出三级预警信号；若d_e<0.4d_i，则发出四级预警信号；

(8)采取水合物抑制剂注入措施，出现三级及以上预警信号时，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若生产管路有效内径减小最快位置位于海底管线入口上游，则启动第一水合物抑制剂注入泵，通过第一水合物抑制剂注入管线向生产管路注入水合物抑制剂；

②若生产管路有效内径减小最快位置位于海底管线中，则启动第二水合物抑制剂注入泵，通过第二水合物抑制剂注入管线向生产管路注入水合物抑制剂；

③若生产管路有效内径减小最快位置位于立管中，则启动第三水合物抑制剂注入泵，通过第三水合物抑制剂注入管线向生产管路注入水合物抑制剂。