[發明專利]利用底層產氣清除水合物井中出砂出水的裝置及方法

有效

• 申請號: 201710095548.2
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106869871B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 王志遠;張劍波;孫寶江;趙陽;潘少偉;付瑋琪
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: E21B43/01
• 分類號: E21B43/01;E21B43/12;E21B43/02;E21B47/06;E21B47/07;E21B34/04
• 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

1.一種利用底層產氣清除水合物井中出砂出水的裝置，包括：數據監測傳輸系統、數據分析處理系統和自動反應調節系統；數據監測傳輸系統實時監測井下和井口的溫度、壓力及流量數據，并將監測到的數據傳輸到數據分析處理系統；數據分析處理系統通過分析數據監測傳輸系統得到的數據，對攜帶井底出砂和出水所需的氣體流量及抑制水合物在生產管柱中生成所需的水合物抑制劑的量進行計算評估，并發出相應的井下流量控制閥調節指令和水合物抑制劑注入指令；自動反應調節系統根據數據分析處理系統發出的指令，一方面調節井下流量控制閥，控制天然氣藏產出天然氣的流量，另一方面啟動水合物抑制劑注入泵，向套管環空注入適量的水合物抑制劑；

數據監測傳輸系統，包括：井下監測傳輸裝置和井口監測傳輸裝置；井下監測傳輸裝置，包括：第一溫壓傳感器組、第二溫壓傳感器組、第一光纜、第一光纖接口和第一光電解調器；第一溫壓傳感器組安裝于生產管柱底部，主要用于監測井底的溫度和壓力，第二溫壓傳感器組安裝于生產管柱中部，主要用于監測處于天然氣水合物儲層段的生產管柱中的溫度和壓力，第一溫壓傳感器組和第二溫壓傳感器組監測到的數據均通過第一光纜和第一光纖接口傳輸到光電解調器，光電解調器將光信號轉換為電信號傳輸給數據分析處理系統；井口監測傳輸裝置，包括：井口溫度計、井口壓力計及井口流量計，分別監測井口產出流體的溫度、壓力及氣體流量和液體流量，井口溫度計、井口壓力計及井口流量計監測到的數據直接傳輸給數據分析處理系統；

數據分析處理系統，包括：計算機；計算機接收數據監測傳輸系統獲得的數據，通過計算得到抑制水合物在生產管柱中生成所需的水合物抑制劑注入量，并計算分析攜帶井底出砂及出水所需的最小氣流量，確定是否需要打開井下節流閥及打開程度，據此向自動反應調節系統發出相應的水合物抑制劑注入指令和井下流量控制閥調節指令；

自動反應調節系統，包括：水合物抑制劑自動注入裝置和井下流量控制閥自動調節裝置；

水合物抑制劑自動注入裝置，包括：第一信號執行機構、水合物抑制劑儲罐、水合物抑制劑注入泵、水合物抑制劑注入管線及注入接頭；第一信號執行機構與計算機相連，接收計算機發出的指令，對水合物抑制劑注入泵進行操作，包括啟泵和停泵；水合物抑制劑儲罐與水合物抑制劑注入泵相連，用于存儲水合物抑制劑；水合物抑制劑注入泵與水合物抑制劑注入管線相連，通過位于井口的注入接頭將水合物抑制劑注入套管環空，注入的水合物抑制劑通過單流閥、帶孔管進入生產管柱；

井下流量控制閥自動調節裝置，包括：第二信號執行機構、第二光電解調器、第二光纖接口、第二光纜和井下流量控制閥；第二信號執行機構與計算機相連，接收計算機發出的井下流量控制閥調節指令；第二光電解調器與第二信號執行機構相連，將井下流量控制閥調節指令由電信號轉換為光信號，并通過第二光纖接口及第二光纜傳輸給安裝于井底的井下流量控制閥，調節井下流量控制閥的閉合程度，控制天然氣藏產出天然氣的流量；當攜砂和攜水所需的臨界井底氣流量大于天然氣水合物儲層開采的產氣量時，井下流量控制閥打開，天然氣藏產出的天然氣與天然氣水合物儲層產出的天然氣相混合，通過氣體攜帶作用將天然氣水合物開采過程中的出砂和出水攜帶出生產管柱。

2.根據權利要求1所述的利用底層產氣清除水合物井中出砂出水的裝置，其特征在于：水合物抑制劑為甲醇或者乙二醇。

3.利用底層產氣清除水合物井中出砂出水的方法，采用權利要求1-2之一所述的利用底層產氣清除水合物井中出砂出水的裝置，其特征在于，步驟如下：

(1)生產管柱內徑優選

在天然氣水合物開發設計階段，根據預測的天然氣水合物井的產能及生產管柱內徑設定值，通過計算攜帶井底出砂和出水所需的臨界攜砂流量和臨界攜液流量，優選生產管柱內徑；優選生產管柱內徑的具體步驟如下：

①計算臨界攜砂流量

臨界攜砂流量是將井底砂粒攜帶出生產管柱所需的最小氣體流量，借鑒欠平衡鉆井中的最小速度法攜巖機理，得到天然氣水合物儲層開采過程中的臨界攜砂流量的計算公式為：

式中，Q_sc1為臨界攜砂流量，m³/s；D_t為生產管柱內徑，m；v_sc1為臨界攜砂流速，m/s；

臨界攜砂流速等于砂粒終了沉降速度與砂粒輸送速度之和；砂粒的終了沉降速度受其形狀、尺寸、密度和氣體密度、粘度及流動形態的影響，球狀砂粒的終了沉降速度由下式求得：

式中，v_c為砂粒的終了沉降速度，m/s；g為重力加速度，m/s²；D_s為砂粒當量直徑，m；ρ_s為砂粒密度，kg/m³；ρ_g為生產管柱中氣體密度，kg/m³；C_t為砂粒滑脫系數0.85，無因次；ψ為砂粒球形度，無因次；

砂粒輸送速度由砂粒輸送流量與井底出砂流量間的關系決定，如下式所示：

式中，v_s為砂粒的輸送速度，m/s；Q_cs為天然氣水合物開采過程中的井底出砂流量，m³/s；C_s為生產管柱中砂粒的體積濃度，m³/m³；A為生產管柱橫截面積，m²；

綜合式(2)和(3)可得，天然氣水合物開采過程中的臨界攜砂流速為：

②計算臨界攜液流量

臨界攜液流量是指在井筒中氣體攜帶液體所需達到的最小氣體流量，天然氣水合物開采過程中的臨界攜液流量計算借鑒常規氣井開采中排水采氣理論的臨界攜液流量計算方法，由下式計算：

其中

式中，Q_sc2為臨界攜液流量，m³/s；P為壓力，Pa；v_sc2為臨界攜液流速，m/s；Z為氣體偏差因子，無因次；T為溫度，K；σ為氣液表面張力，N/m；ρ_l為液體密度，kg/m³；C_D為拖曳力系數，無因次；

③確定臨界氣體流量

在計算得到臨界攜液流量和臨界攜砂流量的基礎上，得到將井底出砂和出水均攜帶出生產管柱所需的臨界氣體流量為：

Q_sc＝a·max{Q_sc1,Q_sc2} (7)

式中，Q_sc為將井底出砂和出水均攜帶出生產管柱所需的臨界氣體流量，m³/s；a為無因次系數；

④計算井下壓力

在確定臨界氣體流量的基礎上，計算天然氣水合物開采位置處的壓力；在計算天然氣水合物開采位置處的壓力時，應考綜合考慮井口壓力、氣體自重、氣體摩擦阻力的影響，由下式計算：

式中，P_kc為天然氣水合物開采位置處的壓力，Pa；P_jk為井口壓力，Pa；ρ_gav為生產管柱中氣體的平均密度，kg/m³；H為天然氣水合物開采位置處井深，m；f_gav為生產管柱中氣體的平均摩阻系數，無因次；v_g為生產管柱中氣體的平均流速，m/s；d_i為生產管柱內徑，m；

⑤確定生產管柱內徑

在生產過程中，必須滿足天然氣水合物開采位置處的壓力小于天然氣水合物平衡壓力，才能保證天然氣水合物的正常開采；當由臨界氣體流量計算得到的天然氣水合物開采位置處的壓力大于天然氣水合物平衡壓力時，說明在此生產管柱條件下無法滿足天然氣水合物的正常開采，需要改變生產管柱內徑設定值，并重新進行步驟①-④，直至滿足天然氣水合物正常開采的條件，以此確定生產管柱內徑；

(2)基礎數據采集

在天然氣水合物開采過程中，數據監測傳輸系統實時監測各項數據變化：

①在井下流量控制閥關閉的前提下，通過安裝于生產管柱底部的第一溫壓傳感器組監測井底的溫度和壓力，通過安裝于生產管柱中部的第二溫壓傳感器組監測天然氣水合物開采位置處生產管柱中的溫度和壓力，并將第一溫壓傳感器組和第二溫壓傳感器組監測到的數據通過第一光纜、第一光纖接口和第一光電解調器傳輸到分析處理系統；

②在井下流量控制閥關閉的前提下，通過井口溫度計測量井口溫度，通過井口壓力計測量井口壓力，通過井口流量計測量井口氣體流量Q_g1和液體流量，井口溫度計、井口壓力計和井口流量計監測到的數據直接傳輸給數據分析處理系統；

③根據測得的井口和井下溫度、壓力數據以及已知的井深、地溫梯度、生產管柱參數，將井口的氣體流量Q_g1轉換為天然氣水合物開采位置處生產管柱中的氣體流量Q_g2；

(3)確定井下流量控制閥調節范圍

調節井下流量控制閥的目的是控制天然氣藏的產量，保證天然氣水合物開采過程中的出砂和出水被完全攜帶出生產管柱；確定井下流量控制閥調節范圍的具體步驟如下：

①計算臨界氣體流量

在數據監測傳輸系統監測到的數據的基礎上，數據分析處理系統分別計算攜帶井底出砂和出水所需的臨界攜砂流量和臨界攜液流量，確定攜砂和攜水所需的臨界氣體流量，具體計算步驟與步驟(1)相同；

②確定天然氣藏最小產量

確定臨界氣體流量Q_sc后，通過與天然氣水合物開采的天然氣產量Q_g2進行比較確定天然氣藏最小產量；當臨界氣體流量Q_sc小于天然氣水合物開采的產氣量Q_g2時，說明天然氣水合物開采的產氣量Q_g2足以將生產管柱中的出砂和出水攜帶出生產管柱，井下流量控制閥不用打開；當臨界氣體流量Q_sc大于天然氣水合物開采的產氣量Q_g2時，說明天然氣水合物開采的產氣量Q_g2不足以將生產管柱中的出砂和出水攜帶出生產管柱，需要打開井下流量控制閥，且天然氣藏最小產量由Q_sc與Q_g2的差值得到；

③確定井下流量控制閥調節范圍

在確定天然氣藏最小產量的基礎上，得到井下流量控制閥調節的最小允許值；通過式(8)的計算，當天然氣水合物開采位置處的壓力等于天然氣水合物平衡壓力P_eq時，計算得到的氣體流量是滿足天然氣水合物開采的最大氣體流量，此時的井下流量控制閥達到允許調節的最大值；

④調節井下流量控制閥

綜上可得，當調節井下流量控制閥時，其調節范圍應保持在最小允許值和最大允許值范圍之間，以此保證天然氣水合物的高效安全開發；同時，通過第二溫壓傳感器組監測到的天然氣水合物開采位置處的壓力可以作為控制井下流量控制閥調節的參考標準；

(4)計算水合物抑制劑注入量

根據井口流量計監測到的井口液體流量，數據分析處理系統計算防止水合物在生產管柱中再次生成所需的水合物抑制劑注入量，水合物抑制劑在游離水中的最低濃度由Hammerschmidt公式確定：

式中，X為液態水相中水合物抑制劑重量百分數；ΔT為水合物形成的溫降，K；M為水合物抑制劑的摩爾分子質量，甲醇＝32，乙二醇＝62，g/mol；K_i為常數，甲醇＝1297，乙二醇＝2220；

通過水合物抑制劑濃度與自由水量相乘就得到水合物抑制劑注入量；

(5)自動注入水合物抑制劑及調節井下流量控制閥

根據數據監測傳輸系統獲得的數據計算得到井下流量控制閥的調節值和水合物抑制劑注入量后，數據分析處理系統向自動反應調節系統發出指令信號，第一信號執行機構和第二信號執行機構分別控制水合物抑制劑的注入和井下流量控制閥的調節；

①自動注入水合物抑制劑

第一信號執行機構控制水合物抑制劑注入泵的啟泵和停泵，當水合物抑制劑注入泵起泵后，水合物抑制劑儲罐中儲存的水合物抑制劑通過水合物抑制劑注入泵、水合物抑制劑注入管線和注入接頭被注入套管環空，通過套管環空、向下單流閥和帶孔管進入生產管柱，防止水合物在生產管柱中再次生成；

②自動調節井下流量控制閥

計算機將井下流量控制閥的調節指令傳輸給第二信號執行機構，第二光電解調器與第二信號執行機構相連，將井下流量控制閥調節指令由電信號轉換為光信號，并通過第二光纖接口和第二光纜傳輸給安裝于井底的井下流量控制閥，通過調節井下流量控制閥的閉合程度，控制天然氣藏產出天然氣的流量；天然氣藏產出的天然氣與天然氣水合物開采產出的天然氣混合，通過氣體對砂粒和水的攜帶作用將生產管柱中的出砂和出水攜帶出生產管柱；

(6)自動改變水合物抑制劑注入量及井下流量控制閥調節程度

在天然氣水合物開采過程中，天然氣產量會隨著時間發生變化，且生產管柱中的出砂和出水速率也會隨著時間發生變化；屆時，根據井口監測傳輸裝置和井下監測傳輸裝置獲得的數據變化，數據分析處理系統會自動計算水合物抑制劑注入量和井下流量控制閥調節程度，并給自動反應調節系統實時發送水合物抑制劑注入指令和井下流量控制閥調節指令，以此實現根據不同產氣量、出砂速率及出水速率實時改變水合物抑制劑注入量和井下流量控制閥調節程度。