利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置及方法与流程

本发明属于天然气水合物勘探开发领域，具体地，涉及一种利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置及方法。

背景技术：

天然气水合物是一种燃烧能量高的清洁能源，被各国视为石油天然气的替代能源，主要分布于深海沉积物和陆地永久冻土中。我国的天然气水合物储量十分丰富，特别是南海海域存在大量天然气水合物。我国的天然气水合物开发走在世界前沿，目前已经在南海北部的神狐海域和青海祁连山地区取得了天然气水合物样品，并即将在南海海域开展天然气水合物试采工程。

现有的天然气水合物开采方法主要有热激法、降压法、注化学药剂法和二氧化碳置换法等。在开采天然气水合物的过程中，采用这几种开采方法均会不可避免地导致出砂和出水问题，由此在很大程度上限制了天然气水合物进一步的商业开采。在天然气水合物开采过程中，天然气水合物会分解为天然气和水，导致储层中砂粒间的胶结力减小，使得大量细小砂粒脱离原始状态，并随分解产生的气体和水进入生产管柱，因此造成生产管柱中发生出砂和出水情况。当进入到生产管柱中的砂粒和水达到一定量时就会影响天然气产量，严重时甚至可能堵塞生产管柱，造成停产。

出水和出砂问题也是常规油气开采面临的重要问题。针对井底出水问题，一种应用广泛的解决方法是气举排水采气法，气举排水采气就是通过在地面向井筒注入适量气体以达到气体携带液体的最低流量，然后通过气体对水的携带作用将井底积水携带出生产管柱。针对井底出砂问题，现在有多种比较成熟的防砂方法，如：防砂管柱挡砂、充填防砂、胶固地层、人工井壁、砂拱防砂等，但经过这些防砂措施，并不能完全阻挡细小砂粒进入生产管柱，生产管柱中还是会不可避免地发生出砂现象。对于进入到生产管柱中的砂粒，同样可以利用气体的携带作用将其携带出生产管柱，只要气体流量达到了携带砂粒的最低流量，砂粒就会随气体运动而被携带出生产管柱。

在天然气水合物开采过程中，可以借鉴常规油气开发中采用的携水和携砂方法，利用气体对水和细小砂粒的携带作用清除生产管柱中的出砂和出水，以此避免天然气水合物开发过程中发生生产管柱堵塞的情况。当天然气水合物储层下方存在天然气藏时，可以将此天然气藏作为携水和携砂的气体来源。利用天然气藏产出的天然气清除生产管柱中的出水和出砂，可以实现同时开采天然气水合物储层和底部的天然气藏，可以提高天然气产量，确保天然气水合物开采的长期安全高效地进行。

技术实现要素：

针对天然气水合物储层下方存在天然气藏的情况，本发明提供了一种利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置及方法；根据天然气水合物开采过程中的出砂速率和出水速率，结合本发明所提出的利用底层产气清除水合物井中出砂出水的方法，可以分别对携带井底出砂和出水所需的最小气流量进行计算。通过调节底层天然气藏产出的天然气速率，利用气体的携带作用，可以将天然气水合物开采过程中进入到生产管柱中的砂粒和水携带出生产管柱，以此达到清除天然气水合物开采过程中出砂和出水的目的，确保天然气水合物储层安全高效地开发。

为了实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：

利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置，包括：数据监测传输系统、数据分析处理系统和自动反应调节系统；数据监测传输系统实时监测井下和井口的温度、压力及流量数据，并将监测到的数据传输到数据分析处理系统；数据分析处理系统通过分析数据监测传输系统得到的数据，对携带井底出砂和出水所需的气体流量及抑制水合物在生产管柱中生成所需的水合物抑制剂的量进行计算评估，并发出相应的井下流量控制阀调节指令和水合物抑制剂注入指令；自动反应调节系统根据数据分析处理系统发出的指令，一方面调节井下流量控制阀，控制天然气藏产出天然气的流量，另一方面启动水合物抑制剂注入泵，向套管环空注入适量的水合物抑制剂。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：能同时开采天然气水合物储层和底部的天然气藏，并能利用天然气藏产出的天然气及时清除天然气水合物开采过程中进入到生产管柱中的细小砂粒和水，防止大量出砂和出水聚集在生产管柱底部发生堵塞，既可以实现天然气水合物储层的安全高效开发，又可以提高天然气产量。

附图说明

图1是利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置示意图；

图2是利用底层产气清除水合物井中出砂出水的方法示意图；

图3是生产管柱内径优选流程图；

图4是井下流量控制阀调节流程图；

图5是水合物抑制剂注入流程图；

图中：11、套管；12、生产管柱；13、向下单流阀14、封隔器；15、向上单流阀；16、挡砂网；17、带孔管；18、气动控制阀；19、出流管线；21、第一温压传感器组；22、第二温压传感器组；23、第一光缆；24、第一光纤接口；25、第一光电解调器；26、井口温度计；27、井口压力计；28、井口流量计；29、计算机；31、第一信号执行机构；32、水合物抑制剂储罐；33、水合物抑制剂注入泵；34、水合物抑制剂注入管线；35、注入接头；41、第二信号执行机构；42、第二光电解调器；43、第二光纤接口；44、第二光缆；45、井下流量控制阀。

具体实施方式

如图1所示，天然气水合物开采过程中，管柱系统由套管11和生产管柱12组成，套管环空(套管11和生产管柱12之间的空腔)和生产管柱均为流体提供流动通道；在天然气水合物开采位置上部的套管环空中安装有向下单流阀13，在下部的套管环空中安装有封隔器14，在下部的生产管柱中安装有向上单流阀15；在向上单流阀15上端安装有挡砂网16和带孔管17，挡砂网16的作用是阻止天然气水合物开采过程中进入到生产管柱中的砂粒沉入生产管柱底部，带孔管17为流体提供从环空进入生产管柱的通道；井口注入流体通过套管环空、向下单流阀13与天然气水合物储层产出流体混合，一起流经带孔管17进入生产管柱12；在生产管柱底部安装有井下流量控制阀45，底层天然气藏产出的天然气通过井下流量控制阀45和向上单流阀15与天然气水合物储层产出流体及井口注入流体混合，一起通过生产管柱12到达井口；井口安装有气动控制阀18，起到控制井口产量的作用；井口连接出流管线19，井口产出流体经由出流管线19到达分离设备。

如图1所示，利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置，包括：数据监测传输系统、数据分析处理系统和自动反应调节系统；数据监测传输系统实时监测井下和井口的温度、压力及流量数据，并将监测到的数据传输到数据分析处理系统；数据分析处理系统通过分析数据监测传输系统得到的数据，对携带井底出砂和出水所需的气体流量及抑制水合物在生产管柱中生成所需的水合物抑制剂的量进行计算评估，并发出相应的井下流量控制阀调节指令和水合物抑制剂注入指令；自动反应调节系统根据数据分析处理系统发出的指令，一方面调节井下流量控制阀，控制天然气藏产出天然气的流量，另一方面启动水合物抑制剂注入泵，向套管环空注入适量的水合物抑制剂。

数据监测传输系统，包括：井下监测传输装置和井口监测传输装置；井下监测传输装置，包括：第一温压传感器组21、第二温压传感器组22、第一光缆23、第一光纤接口24和第一光电解调器25；第一温压传感器组21安装于生产管柱底部，主要用于监测井底的温度和压力，第二温压传感器组22安装于生产管柱中部，主要用于监测处于天然气水合物储层段的生产管柱中的温度和压力，第一温压传感器组21和第二温压传感器组22监测到的数据均通过第一光缆23和第一光纤接口24传输到光电解调器25，光电解调器25将光信号转换为电信号传输给数据分析处理系统；井口监测传输装置，包括：井口温度计26、井口压力计27及井口流量计28，分别监测井口产出流体的温度、压力及流量(包括气体流量和液体流量)，井口温度计26、井口压力计27及井口流量计28监测到的数据直接传输给数据分析处理系统。

数据分析处理系统，包括：计算机29；计算机29接收数据监测传输系统获得的数据，通过计算得到抑制水合物在生产管柱中生成所需的水合物抑制剂注入量，并计算分析携带井底出砂及出水所需的最小气流量，确定是否需要打开井下节流阀及打开程度，据此向自动反应调节系统发出相应的水合物抑制剂注入指令和井下流量控制阀调节指令。

自动反应调节系统，包括：水合物抑制剂自动注入装置和井下流量控制阀自动调节装置；水合物抑制剂自动注入装置，包括：第一信号执行机构31、水合物抑制剂储罐32、水合物抑制剂注入泵33、水合物抑制剂注入管线34及注入接头35；第一信号执行机构31与计算机29相连，接收计算机29发出的指令，对水合物抑制剂注入泵33进行操作，包括启泵和停泵；水合物抑制剂储罐32与水合物抑制剂注入泵33相连，用于存储水合物抑制剂(如：甲醇、乙二醇)；水合物抑制剂注入泵33与水合物抑制剂注入管线34相连，通过位于井口的注入接头35将水合物抑制剂注入套管环空，注入的水合物抑制剂通过向下单流阀13、带孔管17进入生产管柱，主要是起到防止水合物在生产管柱中再次生成的作用；井下流量控制阀自动调节装置，包括：第二信号执行机构41、第二光电解调器42、第二光纤接口43、第二光缆44和井下流量控制阀45；第二信号执行机构41与计算机29相连，接收计算机29发出的井下流量控制阀调节指令；第二光电解调器42与第二信号执行机构41相连，将井下流量控制阀调节指令由电信号转换为光信号，并通过第二光纤接口43及第二光缆44传输给安装于井底的井下流量控制阀45，调节井下流量控制阀的闭合程度，控制天然气藏产出天然气的流量；当携砂和携水所需的临界气体流量大于天然气水合物储层开采的产气量时，井下流量控制阀45打开，天然气藏产出的天然气与天然气水合物储层产出的天然气相混合，通过气体携带作用将天然气水合物开采过程中的出砂和出水携带出生产管柱12。

利用底层产气清除水合物井中出砂出水的方法，采用上述利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置，步骤(如图2所示)如下：

(1)生产管柱内径优选

在天然气水合物开发设计阶段，根据预测的天然气水合物井的产能及生产管柱内径设定值，通过计算携带井底出砂和出水所需的临界携砂流量和临界携液流量，优选生产管柱内径。下面对优选生产管柱内径的具体步骤进行详细叙述(如图3所示)：

①计算临界携砂流量

临界携砂流量是将井底砂粒携带出生产管柱所需的最小气体流量，借鉴欠平衡钻井中的最小速度法携岩机理，可以得到天然气水合物储层开采过程中的临界携砂流量的计算公式为：

式中，Q_sc1为临界携砂流量，m³/s；D_t为生产管柱内径，m；v_sc1为临界携砂流速，m/s。

临界携砂流速等于砂粒终了沉降速度与砂粒输送速度之和；砂粒的终了沉降速度受其形状、尺寸、密度和气体密度、粘度及流动形态的影响，球状砂粒的终了沉降速度可以由下式求得：

式中，v_c为砂粒的终了沉降速度，m/s；g为重力加速度，m/s²；D_s为砂粒当量直径，m；ρ_s为砂粒密度，kg/m³；ρ_g为生产管柱中气体密度，kg/m³；C_t为砂粒滑脱系数(0.85)，无因次；ψ为砂粒球形度，无因次。

砂粒输送速度可由砂粒输送流量与井底出砂流量间的关系决定，如下是所示：

式中，v_s为砂粒的输送速度，m/s；Q_cs为天然气水合物开采过程中的井底出砂流量，m³/s；C_s为生产管柱中砂粒的体积浓度，m³/m³；A为生产管柱横截面积，m²。

综合式(2)和(3)可得，天然气水合物开采过程中的临界携砂流速为：

②计算临界携液流量

临界携液流量是指在井筒中气体携带液体所需达到的最小气体流量，天然气水合物开采过程中的临界携液流量计算可以借鉴常规气井开采中排水采气理论的临界携液流量计算方法，可以由下式计算：

其中

式中，Q_sc2为临界携液流量，m³/s；P为压力，Pa；v_sc2为临界携液流速，m/s；Z为气体偏差因子，无因次；T为温度，K；σ为气液表面张力，N/m；ρ_l为液体密度，kg/m³；C_D为拖曳力系数，无因次。

③确定临界气体流量

在计算得到临界携液流量和临界携砂流量的基础上，可以得到将井底出砂和出水均携带出生产管柱所需的临界气体流量为：

Q_sc＝a·max{Q_sc1,Q_sc2} (7)

式中，Q_sc为将井底出砂和出水均携带出生产管柱所需的临界气体流量，m³/s；a为无因次系数。

④计算井下压力

在确定临界气体流量的基础上，计算天然气水合物开采位置处的压力；在计算天然气水合物开采位置处的压力时，应考综合考虑井口压力、气体自重、气体摩擦阻力的影响，可以由下式计算：

式中，P_kc为天然气水合物开采位置处的压力，Pa；P_jk为井口压力，Pa；ρ_gav为生产管柱中气体的平均密度，kg/m³；H为天然气水合物开采位置处井深，m；f_gav为生产管柱中气体的平均摩阻系数，无因次；v_g为生产管柱中气体的平均流速，m/s；d_i为生产管柱内径，m。

⑤确定生产管柱内径

在生产过程中，必须满足天然气水合物开采位置处的压力小于天然气水合物平衡压力，才能保证天然气水合物的正常开采；当由临界气体流量计算得到的天然气水合物开采位置处的压力大于天然气水合物平衡压力时，说明在此生产管柱条件下无法满足天然气水合物的正常开采，需要改变生产管柱内径设定值，并重复步骤①-④，直至满足天然气水合物正常开采的条件，以此确定生产管柱内径。

(2)基础数据采集

在天然气水合物开采过程中，数据监测传输系统实时监测各项数据变化：

①在井下流量控制阀45关闭的前提下，通过安装于生产管柱底部的第一温压传感器组21监测井底的温度和压力，通过安装于生产管柱中部的第二温压传感器组22监测天然气水合物开采位置处生产管柱中的温度和压力，并将第一温压传感器组21和第二温压传感器组22监测到的数据通过第一光缆23、第一光纤接口24和第一光电解调器25传输到分析处理系统；

②在井下流量控制阀45关闭的前提下，通过井口温度计26测量井口温度，通过井口压力计27测量井口压力，通过井口流量计28测量井口气体流量Q_g1和液体流量，井口温度计26、井口压力计27和井口流量计28监测到的数据直接传输给数据分析处理系统；

③根据测得的井口和井下温度、压力数据以及已知的井深、地温梯度、生产管柱参数，将井口的气体流量Q_g1转换为天然气水合物开采位置处生产管柱中的气体流量Q_g2。

(3)确定井下流量控制阀调节范围

调节井下流量控制阀的目的是控制天然气藏的产量，保证天然气水合物开采过程中的出砂和出水被完全携带出生产管柱；下面对确定井下流量控制阀调节范围的具体步骤进行详细叙述(如图4所示)：

①计算临界气体流量

在数据监测传输系统监测到的数据的基础上，数据分析处理系统分别计算携带井底出砂和出水所需的临界携砂流量和临界携液流量，确定携砂和携水所需的临界气体流量，具体计算步骤与(1)相同；

②确定天然气藏最小产量

确定临界气体流量Q_sc后，通过与天然气水合物开采的天然气产量Q_g2进行比较可以确定天然气藏最小产量；当临界气体流量Q_sc小于天然气水合物开采的产气量Q_g2时，说明天然气水合物开采的产气量Q_g2足以将生产管柱中的出砂和出水携带出生产管柱，井下流量控制阀45可以不用打开；当临界气体流量Q_sc大于天然气水合物开采的产气量Q_g2时，说明天然气水合物开采的产气量Q_g2不足以将生产管柱中的出砂和出水携带出生产管柱，需要打开井下流量控制阀45，且天然气藏最小产量可以由Q_sc与Q_g2的差值得到；

③确定井下流量控制阀调节范围

在确定天然气藏最小产量的基础上，可以得到井下流量控制阀45调节的最小允许值；通过式(8)的计算，当天然气水合物开采位置处的压力等于天然气水合物平衡压力P_eq时，计算得到的气体流量是满足天然气水合物开采的最大气体流量，此时的井下流量控制阀45达到允许调节的最大值；

④调节井下流量控制阀

综上可得，当调节井下流量控制阀45时，其调节范围应保持在最小允许值和最大允许值范围之间，以此保证天然气水合物的高效安全开发；同时，通过第二温压传感器组22监测到的天然气水合物开采位置处的压力可以作为控制井下流量控制阀45调节的参考标准。

(4)计算水合物抑制剂注入量

根据井口流量计28监测到的井口液体流量，数据分析处理系统计算防止水合物在生产管柱中再次生成所需的水合物抑制剂注入量，水合物抑制剂在游离水中的最低浓度可以由Hammerschmidt公式确定：

式中，X为液态水相中水合物抑制剂重量百分数；ΔT为水合物形成的温降，K；M为水合物抑制剂的摩尔分子质量(甲醇＝32，乙二醇＝62)，g/mol；K_i为常数(甲醇＝1297，乙二醇＝2220)。

通过水合物抑制剂浓度与自由水量相乘就可以得到水合物抑制剂注入量。

(5)自动注入水合物抑制剂及调节井下流量控制阀

根据数据监测传输系统获得的数据计算得到井下流量控制阀45的调节值和水合物抑制剂注入量后，数据分析处理系统向自动反应调节系统发出指令信号，第一信号执行机构31和第二信号执行机构41分别控制水合物抑制剂的注入和井下流量控制阀45的调节，分别如图4和图5所示。

①自动注入水合物抑制剂

第一信号执行机构31控制水合物抑制剂注入泵33的启泵和停泵，当水合物抑制剂注入泵33起泵后，水合物抑制剂储罐32中储存的水合物抑制剂通过水合物抑制剂注入泵33、水合物抑制剂注入管线34和注入接头35被注入套管环空，通过套管环空、向下单流阀13和带孔管17进入生产管柱12，防止水合物在生产管柱12中再次生成；

②自动调节井下流量控制阀

计算机29将井下流量控制阀45的调节指令传输给第二信号执行机构41，第二光电解调器42与第二信号执行机构41相连，将井下流量控制阀调节指令由电信号转换为光信号，并通过第二光纤接口43和第二光缆44传输给安装于井底的井下流量控制阀45，通过调节井下流量控制阀45的闭合程度，控制天然气藏产出天然气的流量；天然气藏产出的天然气与天然气水合物开采产出的天然气混合，通过气体对砂粒和水的携带作用将生产管柱中的出砂和出水携带出生产管柱。

(6)自动改变水合物抑制剂注入量及井下流量控制阀调节程度

在天然气水合物开采过程中，天然气产量会随着时间发生变化，且生产管柱中的出砂和出水速率也会随着时间发生变化。届时，根据井口监测传输装置和井下监测传输装置获得的数据变化，数据分析处理系统会自动计算水合物抑制剂注入量和井下流量控制阀调节程度，并给自动反应调节系统实时发送水合物抑制剂注入指令和井下流量控制阀调节指令，以此实现根据不同产气量、出砂速率及出水速率实时改变水合物抑制剂注入量和井下流量控制阀调节程度。