天然气水合物开采过程中除砂除水装置及方法与流程

本发明属于天然气水合物勘探开发领域，具体地，涉及一种天然气水合物开采过程中除砂除水装置及方法。

背景技术：

天然气水合物主要分布于深海沉积物和陆地永久冻土中，储量丰富，具有燃烧能量高且无污染的优点。由于常规石油天然气资源消耗巨大，世界各国都将天然气水合物视为未来石油天然气的替代能源，并相继投入巨资开展天然气水合物开发的研究。进入二十一世纪，我国加快了天然气水合物勘探与开发的进程，在南海北部神狐海域和青海祁连山地区均取得了天然气水合物样品，并即将开展天然气水合物试采计划。

目前提出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。热激法是通过加热天然气水合物储层，使其温度超过平衡温度，促使天然气水合物分解为气体和水。降压法是通过降低天然气水合物所处的压力，使其低于平衡压力，促使天然气水合物分解。注化学药剂法是通过注入化学药剂改变天然气水合物的相平衡条件，促使天然气水合物分解。二氧化碳置换法是通过注入二氧化碳与天然气水合物分解产生的水生成二氧化碳水合物，以此来置换天然气水合物中包含的天然气。

在开采天然气水合物的过程中，采用以上各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。天然气水合物开采过程中的出砂和出水均是由天然气水合物分解造成的，开采过程中天然气水合物会分解为天然气和水，且天然气水合物的分解造成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，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。

出砂和出水问题是天然气水合物开采面临的首要问题，很多学者对此进行了相关研究。针对井底出水问题，目前最成熟且应用最广的是气举排水采气方法。针对井底出砂问题，现有研究大多是采取防砂工艺，比较缺乏关于生产管柱中的除砂研究。李彦龙提出天然气水合物开采防砂可以借鉴常规疏松砂岩油藏开发中的适度防砂技术(海洋地质前沿.2016,32(7):36-43)，但此技术是一个十分复杂的系统工程，尚需大量的基础理论研究。专利CN105781499公开了一种天然气水合物开采的多级防砂方法，此方法通过粗砂带、管外充填层、管内充填层和内部防砂筛网等形成四级挡砂屏障，可在井底充填带形成有效“砂桥”，提高天然气水合物开采产能，但此方法并不能解决进入到生产管柱中细砂粒聚集问题。专利CN103967473A公开了一种天然气水合物开采除砂的装置及方法，提出利用砾石充填组阻挡较大砂粒进入生产管柱，通过旋流方法在生产管柱底部分离气、水中含有的细砂，并在离心力作用下沉积在集砂箱中，但这种方法只适用于短时间的天然气水合物开采，当集砂箱装满砂粒时同样会导致生产管柱堵塞。由此可见，有必要采取有效的装置和方法清除进入到生产管柱中的砂粒及水，确保天然气水合物开采的长期正常进行。

技术实现要素：

针对天然气水合物开采过程中常见的出砂和出水问题，本发明提供了一种天然气水合物开采过程中除砂除水装置及方法。根据天然气水合物开采过程中的出砂速率和出水速率，结合本发明提出的天然气水合物开采过程中除砂除水方法，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，得到自动注入调节系统需要向井内注入气体的流量。通过气体的携带作用，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：

天然气水合物开采过程中除砂除水装置，包括：数据监测传输系统、数据分析处理系统和自动注入调节系统；其中，数据监测传输系统实时监测井底和井口的温度、压力及流量数据，并将监测到的数据传输给数据分析处理系统；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，并发出相应的气体注入和水合物抑制剂注入指令；自动注入调节系统根据数据分析处理系统发出的指令，启动相应的气体注入泵和水合物抑制剂注入泵，向套管环空注入适量氮气和水合物抑制剂，通过气体携带作用将井底出砂和出水携带出生产管柱，通过水合物抑制剂防止生产管柱中再次生成水合物。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：能在不影响正常生产的情况下清除天然气水合物开采过程中进入到生产管柱中的砂量和水量，防止大量出砂和出水聚集在生产管柱底部发生堵塞，可以实现天然气水合物的安全高效开发，提高生产效益。

附图说明

图1是天然气水合物开采过程中除砂除水装置示意图；

图2是天然气水合物开采过程中除砂除水方法示意图；

图3是生产管柱内径优选流程图；

图4是氮气注入流程图；

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、单流阀；14、气动控制阀；15、出流管线；16、第一井口压力计；17、第二井口压力计；18、井口温度计；19、井口流量计；21、井下温压传感器；22、光缆；23、光纤接口；24、光电解调器；25、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、制氮设备；43、氮气注入泵；44、氮气注入管线。

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12均为流体提供流动通道；在套管环空底部安装有单流阀13，单流阀13允许井口注入流体在套管环空中向下流动，阻止地层产出流体通过套管环空向上流动；井口注入流体流经套管环空和单流阀13进入生产管柱12，并随地层产出流体一起通过生产管柱12到达井口；井口安装有气动控制阀14，起到控制井口产量的作用；井口连接出流管线15，井口产出流体经由出流管线15到达分离设备。

如图1所示，天然气水合物开采过程中除砂除水装置，包括：数据监测传输系统、数据分析处理系统和自动注入调节系统；数据监测传输系统实时监测井底和井口的温度、压力及流量数据，并将监测到的数据传输给数据分析处理系统；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，并发出相应的气体注入和水合物抑制剂注入指令；自动注入调节系统根据数据分析处理系统发出的指令，启动相应的气体注入泵和水合物抑制剂注入泵，向套管环空注入适量氮气和水合物抑制剂，通过气体携带作用将井底出砂和出水携带出生产管柱，通过水合物抑制剂防止生产管柱中再次生成水合物。

数据监测传输系统，包括：井口监测传输装置和井下监测传输装置；井口监测传输装置，包括：第一井口压力计16、第二井口压力计17、井口温度计18及井口流量计19；第一井口压力计16安装在井口，测量井口套管环空压力；第二井口压力计17、井口温度计18和井口流量计19均安装在出流管线15上，分别测量井口产出流体的压力、温度和流量(包括气体流量和液体流量)数据；第一井口压力计16、第二井口压力计17、井口温度计18及井口流量计19监测到的数据均传输到数据分析处理系统；井下监测传输装置，包括：井下温压传感器21、光缆22、光纤接口23和光电解调器24；井下温压传感器21安装于生产管柱底部，实时监测井底的温度和压力，并将监测到的数据通过光缆22和光纤接口23传输到光电解调器24，光电解调器24将光信号转换为电信号传输给数据分析处理系统。

数据分析处理系统，包括：计算机25；计算机25根据数据监测传输系统获得的数据，计算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，并计算分析井底产气量是否足以携带井底出砂及出水，确定是否需要向井底注入氮气，以及需要注气时所需的注气量，据此向自动注入调节系统发出相应的水合物抑制剂注入指令和氮气注入指令。

自动注入调节系统，包括：水合物抑制剂自动注入装置和气体自动注入装置；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；气体自动注入装置，包括：第二信号执行机构41、制氮设备42、氮气注入泵43、气体注入管线44；第一信号执行机构31和第二信号执行机构41分别与计算机25相连，接收计算机25发出的指令，分别对水合物抑制剂注入泵33和气体注入泵43进行操作，包括启泵和停泵；水合物抑制剂储罐32和制氮设备42分别与水合物抑制剂注入泵33和氮气注入泵43相连，分别是水合物抑制剂(如：甲醇、乙二醇)和氮气的注入来源；水合物抑制剂注入泵33和氮气注入泵43分别通过水合物抑制剂注入管线34和气体注入管线44与注入接头35相连，通过位于井口的注入接头35将水合物抑制剂和氮气注入套管环空；注入的水合物抑制剂通过套管环空和单流阀13进入生产管柱12，起到防止水合物在生产管柱12中再次生成的作用；注入的氮气经由套管环空和单流阀13到达井底与天然气水合物储层产出的天然气混合，通过气体携带作用将井底出砂和出水携带出生产管柱12，以此提高天然气水合物开采效益。

天然气水合物开采过程中除砂除水方法，采用上述天然气水合物开采过程中除砂除水装置，步骤(如图2所示)如下：

①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，计算携带井底出水和出砂所需的临界携液流量和临界携砂流量，确定携水和携砂所需的临界气体流量。

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为临界携砂气流量，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，如下式所示：

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：

临界携液流量是将井底液体携带出生产管柱所需的最小气流量，天然气水合物开采过程中的临界携液流量可以由下式计算：

其中

式中，Q_sc2为临界携液气流量，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。

通过计算临界携砂流量和临界携液流量，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井底气流量为：

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井底气流量，m³/s；a为无因次系数。

②在确定临界气体流量的基础上，计算井底压力；在计算井底压力时，应考综合考虑井口套压、环空气体自重、气体摩擦阻力的影响，可以由下式计算：

式中，P_jd为井底压力，Pa；P_ty为井口套压，Pa；ρ_gav为环空中气体的平均密度，kg/m³；H为井深，m；f_gav为环空中气体的平均摩阻系数，无因次；v_g为环空中气体的流速，m/s；d_ti为套管内径，m；d_tu为生产管柱外径，m。

在生产过程中，必须满足井底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井底压力仍大于水合物平衡压力时，说明此生产管柱条件无法满足天然气水合物开采，应改变生产管柱内径设定值，并重复步骤①-②，直至满足天然气水合物正常开采的条件，以此确定最佳生产管柱内径，如图3所示；

③在天然气水合物开采过程中，通过安装于井底的温压传感器21监测井底的温度压力状况，并将监测到的数据通过光缆22、光纤接口23及光电解调器24传输到数据分析处理系统；通过第一井口压力计16测量井口套压P_ty，通过第二井口压力计17测量井口产出流体的压力，通过井口温度计18测量井口产出流体的温度，通过井口流量计19测量井口气流量Q_g1和液体流量，并将监测到的数据传输到数据分析处理系统；根据测得的井口和井底温度、压力数据以及已知的井深、地温梯度、生产管柱参数，将井口的气流量Q_g1转换为井底的气流量Q_g2；

④根据数据监测传输系统监测到的数据，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(计算步骤同①)，分析天然气水合物开采过程中的井底产气量是否足以将井底出砂和出水携带出生产管柱，确定是否需要向井底注入气体，以及需要注入气体时所需的注气量；

确定临界井底气流量Q_sc后，通过与天然气水合物开采的天然气产量Q_g2进行比较确定是否需要向井底注入气体，以及需要注入气体时的注入流量。当临界井底气流量Q_sc小于井底产气量Q_g2时，说明井底产气量Q_g2足以将井底出砂和出水携带出生产管柱，不需要在地面向井底注入气体；当临界井底气流量Q_sc大于井底产气量Q_g2时，说明井底产气量Q_g2不足以将井底出砂和出水携带出生产管柱，需要在地面向井底注入气体，且气体注入流量的最小值可以由Q_sc与Q_g2的差值得到；

⑤通过式(8)的计算，当井底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水合物储层开采的最大气体流量，此时的气体注入流量达到最大允许值；结合③得到的最小气体注入流量，当向井底注入气体时，气体注入流量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，通过温压传感器21监测得到的井底压力可以作为气体注入的参考标准。

⑥同时，根据井口流量计19监测到的液体流量，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流量，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)。

将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。

⑦确定水合物抑制剂注入量和气体注入量后，数据分析处理系统向自动注入调节系统发出指令信号，信号执行机构31和41据此分别控制水合物抑制剂注入泵33和气体注入泵43的启泵和停泵，以此控制水合物抑制剂和气体的注入，分别如图4和图5所示；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，防止水合物在生产管柱中再次生成。当气体注入泵43启泵后，制氮设备42中的氮气通过气体注入泵43、气体注入管线44和注入接头35被注入套管环空，氮气到达井底后，与井底产出的气体混合，一起将井底出砂和出水携带出生产管柱；

⑧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气体注入量，并给自动注入调节系统实时发送水合物抑制剂注入指令和气体注入指令，以此实现根据不同产气量、出水速率及出砂速率实时调整水合物抑制剂注入量和气体注入量。