[發明專利]深水氣井測試中天然氣水合物堵塞監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201610735694.2
• 申請日: 2016-08-26
• 公開（公告）號: CN106194165B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 王志遠;趙陽;孫寶江;關利軍;張劍波;楊彩鳳;張振楠;王雪瑞
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00
• 代理公司: 北京思格頌知識產權代理有限公司11635
• 代理人: 潘珺

1.一種深水氣井測試中天然氣水合物堵塞監測裝置，其特征在于：

該裝置包括：井下數據采集傳輸系統、平臺控制系統和水合物抑制劑自動注入系統；井下數據采集傳輸系統實時監測測試管柱內流體的溫度、壓力數據，并將監測到的溫度、壓力數據傳輸到平臺控制系統；平臺控制系統對測試管柱內天然氣水合物堵塞嚴重程度、管柱被完全堵塞所需時間以及最先發生完全堵塞的位置進行計算評估，發出相應的預警信號，并根據管柱堵塞狀況發出注入水合物抑制劑的指令；水合物抑制劑自動注入系統根據平臺控制系統發出的指令，啟動相應的水合物抑制劑注入泵，通過水合物抑制劑注入管線和水合物抑制劑注入接頭，向測試管柱內注入水合物抑制劑；

井下數據采集傳輸系統，包括：第一溫壓傳感器組、第二溫壓傳感器組、第三溫壓傳感器組和光纜；第一溫壓傳感器組安裝于測試層位上方，第二溫壓傳感器組安裝于水下測試樹下方，間距10m，第三溫壓傳感器組安裝于距海面以下400m處；第一溫壓傳感器組、第二溫壓傳感器組和第三溫壓傳感器組用于監測所處位置深水氣井測試管柱的溫度和壓力數據，監測到的溫度、壓力數據通過光纜傳輸到平臺控制系統；

平臺控制系統，包括：光纖接口、光電解調器、計算機和報警器；光纖接口與光纜相連接，光電解調器通過光纖與光纖接口連接，光電解調器與計算機相連，計算機與報警器相連；井下數據采集傳輸系統采集到的井下溫度、壓力數據通過光纜和光纖接口傳輸至光電解調器，光電解調器將光信號轉換為電信號，電信號傳輸給計算機，計算機根據井下數據采集傳輸系統監測到的井下數據，對深水氣井測試管柱內天然氣水合物堵塞狀況進行計算分析，判斷水合物堵塞發生的位置，堵塞危險級別，計算距離發生完全堵塞所需時間，發出報警指令以及水合物抑制劑注入指令，報警器接收到報警指令后，發出相應級別的預警信號，提示作業人員深水氣井測試管柱內水合物堵塞嚴重程度以及距離管柱被水合物完全堵塞還剩余的時間；

水合物抑制劑自動注入系統，包括：水合物抑制劑儲罐、第一水合物抑制劑注入泵、第二水合物抑制劑注入泵、第三水合物抑制劑注入泵、第一水合物抑制劑注入管線、第二水合物抑制劑注入管線和第三水合物抑制劑注入管線；水合物抑制劑儲罐安裝在測試平臺上，用于儲存水合物抑制劑，水合物抑制劑儲罐分別通過管線與第一水合物抑制劑注入泵、第二水合物抑制劑注入泵和第三水合物抑制劑注入泵相連，向第一水合物抑制劑注入泵、第二水合物抑制劑注入泵和第三水合物抑制劑注入泵提供水合物抑制劑；根據平臺控制系統發出的指令，第一水合物抑制劑注入泵、第二水合物抑制劑注入泵和第三水合物抑制劑注入泵執行相應的操作，包括啟泵與停泵；第一水合物抑制劑注入接頭安裝于泥線以下600m處的深水氣井測試管柱上；第二水合物抑制劑注入接頭安裝于海面以下300m處的深水氣井測試管柱上；第一水合物抑制劑注入管線連接第一水合物抑制劑注入泵和第一水合物抑制劑注入接頭，第二水合物抑制劑注入管線連接第二水合物抑制劑注入泵和水下測試樹，第三水合物抑制劑注入管線連接第三水合物抑制劑注入泵和第二水合物抑制劑注入接頭；

第一水合物抑制劑注入泵、第二水合物抑制劑注入泵和第三水合物抑制劑注入泵獨立工作，可同時進行啟動或停泵；

深水氣井測試管柱內水合物堵塞嚴重程度達到三級預警信號和四級預警信號，則啟動相應的水合物抑制劑注入泵，向深水氣井測試管柱內注入水合物抑制劑；

若深水氣井測試管柱有效內徑減小最快的位置位于水下測試樹的下方，則啟動第一水合物抑制劑注入泵，通過第一水合物抑制劑注入接頭向深水氣井測試管柱中注入水合物抑制劑；若測試管柱有效內徑減小最快的位置位于水下測試樹和第二水合物抑制劑注入接頭之間，則啟動第二水合物抑制劑注入泵，通過水下測試樹向深水氣井測試管柱中注入水合物抑制劑；若測試管柱有效內徑減小最快的位置位于第二水合物抑制劑注入接頭以上，則啟動第三水合物抑制劑注入泵，通過第二水合物抑制劑注入接頭向深水氣井測試管柱中注入水合物抑制劑。

2.一種深水氣井測試中天然氣水合物堵塞監測方法，采用權利要求1所述的深水氣井測試中天然氣水合物堵塞監測裝置，其特征在于，所述的深水氣井測試中天然氣水合物堵塞監測方法的步驟如下：

①通過井口流量計測量產氣量Q_g和產水量Q_w，通過井口溫度計計量井口流體溫度T_wh，通過井口壓力計計量井口流體壓力p_wh；

②利用第一溫壓傳感器組、第二溫壓傳感器組和第三溫壓傳感器組分別測量相應深度處深水氣井測試管柱內流體溫度T1、T2、T3和壓力p1、p2、p3；

③計算深水氣井測試管柱內流體溫度壓力分布，根據步驟①和②測量得到的數據以及測試管柱參數、地溫梯度、水深、井深、井身結構參數，由式(1)計算深水氣井測試管柱中壓力分布；

-dpds=∂∂t(Aρmvm)+∂∂s(Aρmvm2)+Agρmcosα+|fFρmvm22de|---(1)]]>

式中，p為測試管柱內壓力分布；s為到測試層位的距離；t為時間；A為測試管柱有效過流面積；ρ_m為測試管柱內流體混合物平均密度；v_m為流體混合物平均流速；f_F為摩阻系數；d_e為測試管柱有效內徑；

由式(2)計算深水氣井測試管柱中流體溫度分布；

dTfds=2πrtoUtokewmCm(ke+rtoTDUto)(Tf-Tei)+rhfΔhwmCmMh---(2)]]>

式中，T_f為測試管柱內流體溫度；C_m為流體混合物平均熱容；r_to為測試管柱外徑；U_to為井筒總傳熱系數；k_e為地層導熱系數；w_m為流體混合物質量流量；T_D為無因次溫度；T_ei為地層原始溫度；Δh為天然氣水合物生成熱；r_hf為天然氣水合物生成速率；M_h為天然氣水合物摩爾質量；

④確定深水氣井測試管柱內天然氣水合物生成區域；根據天然氣水合物生成相平衡理論，計算不同深度處水合物生成溫度，當流體溫度低于水合物生成溫度時，測試管柱內會生成水合物，由此確定深水氣井測試管柱內天然氣水合物的生成區域；

⑤計算深水氣井測試管柱內不同深度處天然氣水合物的生成速率；在④所述天然氣水合物生成區域內，會有水合物生成，但是所生成的水合物造成測試管柱堵塞需要一定的時間，利用如下公式計算深水氣井測試管柱內不同深度處天然氣水合物的生成速率；

rhf=uAsk1exp(-k2Tf)(ΔTsub)---(3)]]>

式中，u為系數；A_s為氣液接觸面積；k₁和k₂為反應常數；ΔT_sub為過冷度；

⑥計算深水氣井測試管柱的有效內徑；生成的水合物有一部分會沉積附著到測試管柱內壁上，形成不斷生長的水合物層，使得深水氣井測試管柱的有效內徑不斷減小，水合物層厚度由式(4)計算，深水氣井測試管柱的有效內徑由式(5)計算；

δh=∫0tuk1ΔTsubρhe-k2/Tfdt---(5)]]>

de=dti-2δh=dti-2∫0tuk1ΔTsubρhe-k2/Tfdt---(5)]]>

式中，δ_h為水合物層厚度；ρ_h為水合物密度；d_ti為測試管柱原始內徑；

⑦判斷測試管柱中水合物堵塞嚴重程度，確定最先發生水合物堵塞的位置，計算測試管柱被水合物完全堵塞所需時間；

⑧根據測試管柱內水合物堵塞嚴重程度，確定預警信號級別，使報警器發出相應的預警信號；根據測試管柱被水合物堵塞的嚴重程度，將預警信號分為四個等級，若0.7d_ti≤d_e<0.9d_ti，則報警器發出一級預警信號；若0.6d_ti≤d_e<0.7d_ti，則報警器發出二級預警信號；若0.4d_ti≤d_e<0.6d_ti，則報警器發出三級預警信號；若d_e<0.4d_ti，則報警器發出四級預警信號；

⑨根據測試管柱內水合物堵塞預警信號級別，水合物抑制劑自動注入系統進行響應；若出現三級或四級預警信號，則平臺控制系統發出水合物抑制劑注入指令，啟動水合物抑制劑注入泵，向深水氣井測試管柱內注入水合物抑制劑；

若深水氣井測試管柱有效內徑減小最快的位置位于水下測試樹的下方，則啟動第一水合物抑制劑注入泵，通過第一水合物抑制劑注入接頭向深水氣井測試管柱中注入水合物抑制劑；

若測試管柱有效內徑減小最快的位置位于水下測試樹和第二水合物抑制劑注入接頭之間，則啟動第二水合物抑制劑注入泵，通過水下測試樹向深水氣井測試管柱中注入水合物抑制劑；

若測試管柱有效內徑減小最快的位置位于第二水合物抑制劑注入接頭以上，則啟動第三水合物抑制劑注入泵，通過第二水合物抑制劑注入接頭向深水氣井測試管柱中注入水合物抑制劑。