CN104133021A - 钻进过程中天然气水合物形成的监测方法及监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是钻进过程中天然气水合物形成的监测方法及监测装置，其中钻进过程中天然气水合物形成的监测方法为：一、确定所需监测的目标气体；二、通过第一气相色谱仪观察气相中目标气体的浓度变化，同时通过第二气相色谱仪观察水相中释放的目标气体的浓度变化；三、当第一气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机判定天然气水合物生成并报警；第二气相色谱仪继续检测，当第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机计算天然气水合物生成的位置；或第一气相色谱仪处于允许的浓度变化区间内，而第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机判定天然气水合物生成。本发明克服了电阻法中抽样液体的化学和物理污染问题，大大降低了能耗。

Description

钻进过程中天然气水合物形成的监测方法及监测装置

技术领域

本发明涉及深水油气钻探作业采油工程、采气工程以及天然气运输和处理等领域的天然气水合物监测和预防，具体涉及钻进过程中天然气水合物形成的监测方法及监测装置。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate)是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观象冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。天然气水合物结构特殊，水分子间形成笼状结构，笼状结构中的空穴有气体分子填充。笼状结构由水分子间的氢键作用结合，而气体分子与水分子之间由范德华力作用结合。从晶体化学和结构化学观察，天然气水合物是天然气和水结合形成的笼形结构物。其中，水分子依靠氢键形成主体结晶网络，网络中的空穴内充满着天然气小分子。通常将天然气水合物中的水分子称为主体分子，天然气小分子称为客体分子。若条件发生变化(如压力降低或温度升高)，天然气水合物分解成气相和液相。天然气水合物结构一般可分为如Ⅰ型、Ⅱ型，形成哪种结构取决于温度，压力和碳氢化合物的条件。Ⅰ型天然气水合物为立方晶体结构，水分子形成的网络空穴中能容纳CH4、C2H6、N2、CO2、H2S、O2等小气体分子。Ⅱ型天然气水合物为菱型晶体结构，其网络空穴不仅可以容纳CH4、C2H6、N2、CO2、H2S、O2等小气体分子，还可以容纳C3H8、iso-C4H10等体积稍大的烃类分子。水合物的形成是深水钻探的潜在危险之一。

随着深水油气田开发的不断深入，由于高压低温的环境条件，钻遇天然气水合物几乎成了深水油气钻采过程中不可避免的问题。天然气水合物的形成主要给深水钻探带来两大问题：1）天然气水合物可能在钻具或装置中造成堵塞，水合物堵塞管道会严重威胁设备和人身安全；2）天然气水合物颗粒聚集成体积较大的水合物团，在管道中的高速运动，可能造成管道破裂。

抑制水合物形成方法的具体思路是改变天然气水合物形成所需条件如温度和压力。抑制天然气水合物形成的方法有：伴热保温、乙二醇脱水、降低操作压力或化学方法如添加抑制剂。虽然这些措施可以抑制水合物的形成，但同时也大大增加了钻探作业成本。尽管有上述抑制水合物形成的技术，但是在一定条件下水合物还是可能会形式，比如系统环境发生变化、抑制剂注入泵故障、所需添加的抑制剂不足等。

目前在实验室中用于探测水合物形成的方法主要有电阻法和超声波法，其中电阻法使用的较多。电阻法对抽样液体的化学和物理污染高度敏感，比如抽样液体中存在“微泡沫”、抑制剂或其他化学添加剂可能导致错误结果，影响了它的可行性和可靠性，阻碍了现场应用。海底沉积物中天然气水合物发生的相变过程可以看作是孔隙度发生改变的过程，超声波法主要用于描述多孔介质中天然气水合物沉积物情况。

在实际钻探作业中，目前还没有用于天然气水合物形成的监测和预警的方法或装置，在钻探作业开始时，即采取伴热保温或添加抑制剂的化学方法进行抑制水合物的生成，但水合物的生成并不是伴随着整个钻进过程，可能是钻进某一段地层时才产生的，没钻到该地层时不会产生，但钻进开始即采取伴热保温或添加抑制剂的化学方法进行抑制水合物的生成，使抑制水合物生成措施伴随钻进整个过程中，这样，造成了极大的浪费，因为在很多不能产生水合物的钻进过程中也进行抑制水合物的生成，是不必要的，是浪费。

发明内容

本发明的目的是提供钻进过程中天然气水合物形成的监测方法，这种钻进过程中天然气水合物形成的监测方法用于解决目前电阻法探测水合物形成时抽样液体的化学和物理污染问题。本发明的另一个目的是提供这种钻进过程中天然气水合物形成的监测方法使用的监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种钻进过程中天然气水合物形成的监测方法为：

一、确定所需监测的目标气体，目标气体至少选择甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，同时测量出各目标气体的基准浓度，基准浓度是初始未出现天然气水合物时各目标气体的浓度；

二、通过第一气相色谱仪观察气相中步骤一所选择的目标气体的浓度变化，同时通过第二气相色谱仪观察水相中释放的步骤一所选择的目标气体的浓度变化；

三、当第一气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机将自动判定井下有天然气水合物生成，报警器发出警报，此时立即采取抑制天然气水合物生成的措施，同时通过计算机记录和保存结果；第二气相色谱仪继续检测，当第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，此时计算机计算天然气水合物生成的位置；

或第一气相色谱仪处于允许的浓度变化区间内，而第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机自动判定井下有天然气水合物生成，报警器发出警报，此时立即采取抑制天然气水合物生成的措施，同时通过计算机记录和保存结果；

四、对于第一气相色谱仪、第二气相色谱仪均检测到浓度变化超过允许值的情况，计算机计算天然气水合物生成的位置时，采取                                                计算出天然气水合物生成位置与井口之间的距离，式中，L为天然气水合物生成位置与井口之间的距离，单位m；v _g为气体运行的平均速度，单位m/s；v _l为液体运行的平均速度，单位m/s；为第二气相色谱仪检测到浓度变化超过允许的浓度变化时的时间值与第一气相色谱仪检测到浓度变化超过允许浓度变化时的时间值之差。

上述钻进过程中天然气水合物形成的监测方法使用的监测装置，它包括井口、油气水分离装置、第一气相色谱仪、脱气装置、第二气相色谱仪、计算机、报警器，井口通过管线与油气水分离装置连接，油气水分离装置连接第一气相色谱仪，油气水分离装置还连接脱气装置，脱气装置连接第二气相色谱仪，第一气相色谱仪和第二气相色谱仪分别连接到计算机，计算机连接报警器，计算机内安装有信号转化和接收装置，计算机内还安装有分析处理器。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出通过探测气体浓度变化确定水合物是否形成，克服了电阻法中抽样液体的化学和物理污染问题。

2、本发明可以在天然气水合物形成初期就被探测并向技术员发出预警，可以实现在预警后才开始伴热保温或调高伴热温度，这样就减少了不必要的伴热保温的时间和伴热系统的能量消耗，或可以在预警后开始向井筒内泵入天然气水合物抑制剂或增加抑制剂的添加量，从而减少了不必要的化学抑制剂的使用，实现天然气水合物生成阶段与采用措施抑制水合物生成阶段是一一对应的，因此可以降低钻探作业成本，提高深水钻探和生产过程中作业工人和设备的安全。

3、本发明在监测出天然气水合物形成时，还可以同时计算水合物生成的位置，这样，可以采取伴热保温的抑制措施，并将伴热管线直接铺设到水合物生成的位置处，无需铺设到整个井下，可以进一步降低能耗。

附图说明

图1是本发明钻进过程中天然气水合物形成的监测方法的简单原理图；

图2是本发明钻进过程中天然气水合物形成的监测装置的示意图。 

图中：1井口；2油气水分离装置；3储油罐；4脱气装置；5储水池；6第一气相色谱仪；7第二气相色谱仪；8有害气体处理装置；9计算机；10报警器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，这种钻进过程中天然气水合物形成的监测方法为：

一、确定所需监测的目标气体，至少选择甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，同时测量出各目标气体的基准浓度，基准浓度是初始未出现水合物时各目标气体的浓度。

二、通过第一气相色谱仪观察气相中步骤一所选择的目标气体的浓度变化，同时通过第二气相色谱仪观察水相中释放的步骤一所选择的目标气体的浓度变化。

在进行深水钻探作业时，一般井筒环空中上返的混合流体包含油气水三相，加上深水钻探高压低温的环境，水合物极有可能会在钻具和设备中形成。气相包括组成水合物的烃类（甲烷、丙烷、丁烷等）、CO₂、N₂等。监测的目标气体来源一方面是来自独立的气相，另一方面是来自水相释放的溶解气（通过降压和加热的方式）。

钻进过程中，目标气体实时测量的浓度，并与“基准浓度”比较。任何超出“基准浓度”偏差范围的浓度变化或浓度比值变化都表明水合物生成，例如，对于气相混合物：

气相中小分子气体组分（如甲烷）的减少意味着型水合物形成。

气相中大分子气体组分（如丁烷、丙烷）的减少意味着型水合物形成。

三、当第一气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机上对测量信息进行处理计算和分析对比，将最新目标气体的浓度值或目标气体之间的浓度比值与基准值对比，因前后对比偏差超过容许的偏差区间，则计算机将自动判定井下有天然气水合物生成，报警器发出警报，此时立即采取抑制水合物生成的措施，同时通过计算机记录和保存结果，方便技术员查看检查；第二气相色谱仪继续检测，当第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，此时计算机计算水合物生成的位置，此为第一种情况；

或第一气相色谱仪处于允许的浓度变化区间内，而第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机自动判定井下有天然气水和物生成，报警器发出警报，此时立即采取抑制水合物生成的措施，同时通过计算机记录和保存结果，此为第二种情况。

在监测过程中可能出现第一种情况，也可能出现第二种情况。第一种情况为：当混合流体中存在大量的组成天然气水合物的气体（如CH₄、C₂H₆、 C₃H₈、NH₃等）和水时，并在一定温度和压力条件下天然气水合物会大量形成，气相中这些组成水合物的气体浓度变化明显，可以直接分析气相中的气体浓度变化来预测水合物是否形成；第二种情况为：当井筒内天然气水合物少量形成时（如温度和压力不达到理想条件，混合物中水相比重较小），通过测量水相中释放的溶解气体预测水合物是否形成。

在一定温度条件下，不同密度的烃类混合物中天然气水合物的形成压力不同。含有5%乙烷和2%丙烷的天然气形成水合物的平衡压力可以比甲烷降低约1.15MPa。由于烃类混合物都有丙烷和丁烷，因此其形成水合物相对比甲烷容易得多。另外其他气体的存在，如硫化氢(H₂S)也有利于水合物的形成。因此钻探过程中，井筒中形成的水合物一般是型天然气水合物。水合物优先圈闭较大分子气体如丙烷、异丁烷及其同系物等，结果导致气相中这些的气体浓度减小。另一方面，水合物的分解(由于系统温度的增加和/或压力的减小)结果导致在水相中这些较大分子的气体浓度暂时增加。利用这个原理，我们可以通过测量气相（水相释放的气体）中气体浓度变化或小分子气体与形成水合物的大分子气体的浓度比值变化，来判断水合物是否生成。这种方法可以用于监测水合物生成，并对水合物可能造成的危害做出早期预警。

四、对于第一气相色谱仪、第二气相色谱仪均检测到浓度变化超过允许值的情况，计算机计算水合物生成的位置时，采取计算出水合物生成位置与井口之间的距离，式中，L为水合物生成位置与井口之间的距离，单位m；v _g为气体运行的平均速度，单位m/s；v _l为液体运行的平均速度，单位m/s；为第二气相色谱仪检测到浓度变化超过允许的浓度变化时的时间值与第一气相色谱仪检测到浓度变化超过允许浓度变化时的时间值之差。

如图2所示，上述钻进过程中天然气水合物形成的监测方法使用的监测装置包括井口1、油气水分离装置2、第一气相色谱仪6、脱气装置4、第二气相色谱仪7、计算机9、报警器10，井口1通过管线与油气水分离装置2连接，油气水分离装置2连接第一气相色谱仪6，油气水分离装置2还连接脱气装置4，脱气装置4连接第二气相色谱仪7，第一气相色谱仪6和第二气相色谱仪7分别连接到计算机9，计算机9连接报警器10，计算机9内安装有信号转化和接收装置，计算机9内还安装有分析处理器。

气相色谱分析仪是一种对混合气体中各组成分进行分析检测的仪器，除用于定量和定性分析外，还能测定样品在固定相上的分配系数、活度系数、分子量和比表面积等物理化学常数。利用气相色谱分析仪可以区分气相混合物中的各种气体组分，确定和记录气相不同组分的浓度信息。

实施例1：

上述监测装置对钻进过程中天然气水合物形成的监测实施例1如下：

在钻井作业过程中，井筒内流体是油气水三相混合流体且处于高压环境下，当混合流体中存在大量的组成天然气水合物的气体（如CH₄、C₂H₆、 C₃H₈、NH₃等）和水时，并在一定温度和压力条件下天然气水合物会大量形成，气相中这些组成水合物的气体浓度变化明显，可以直接分析气相中的气体浓度变化来预测水合物是否形成，油气水分离装置2对从井口1返出的油气水三相混合流体进行初步的分离，初步分离成单相油流、单相气流和单相水流，分离出来的油进入储油罐3，然后在采样点采集气体样品，由于混合气相中可能含有有害气体（如H₂S等），最好经过有害气体处理装置8，多余的气体经过无害处理后直接排放到大气中。利用第一气相色谱仪6对气体样品进行分析，第一气相色谱仪6将测量到的气体信息传给计算机9。计算机9带有气相色谱仪信号转化和接收装置，计算机9记录、分析气体信息，进行必要的计算（如浓度比值计算），并将当前测量结果与预设的“基准浓度”进行比较分析，若比较结果出现变化且超过容许值，表明井筒内有水合物开始形成，则计算机9控制报警器10发出警报。提醒技术员采取措施抑制或消除水合物。

第二气相色谱仪7继续检测，当第二气相色谱仪7检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，此时计算机10计算水合物生成的位置。

气体和液体在井筒环空中运动速度不同，这取决于它们的密度、粘度、井身结构、钻具组合等，因此它们到达采样点的时间也不一样。当水合物开始形成，根据气/液相速度和时间差可用来估算水合物生成位置。

在钻井作业中，假设井筒内混合流体中存在大量的组成天然气水合物的气体和水，假设气相平均速度是15m/s，液相平均速度是2m/s。对气相和从水相中释放的气体进行连续监测分析，由于气体速度快，首先在气相的目标气体中探测到水合物形成的迹象。由于水相速度慢，经过一定的时间，在水相中释放的气体探测到水合物形成的迹象。假设两种探测结果的时间相差5分钟，可以估算水合物生成位置：

天然气水合物形成位置大概在井下距离采样点3900m处。

实施例2：

上述监测装置对钻进过程中天然气水合物形成的监测实施例2如下：

当井筒内天然气水合物少量形成时（如温度和压力不达到理想条件，混合物中水相比重较小），第一气相色谱仪6处于允许的浓度变化区间内，无法测量气相中气体组成变化，而可通过第二气相色谱仪7测量水相中释放的溶解气体。经过的油气水分离装置2初步分离出的单相水流里面还含有大量的溶解气，所以再利用脱气装置4对水相进行脱气处理，脱气后的水通过输液管线流入到储水池5中，释放的溶解气通过输气管线流向有害气体处理装置8，并在输气管线合适的采样点采集气体样品。利用第二气相色谱仪7对气体样品进行分析，第二气相色谱仪7将测量到的气体信息传给计算机9。计算机9带有气相色谱仪信号转化和接收装置，计算机9记录、分析气体信息，进行必要的计算（如浓度比值计算），并将当前测量结果与预设的“基准浓度”进行比较分析，若比较结果出现变化且超过容许值，表明井筒内有水合物开始形成，则计算机控制报警器10发出警报。提醒技术员采取措施抑制或消除水合物。

Claims (2)

1.一种钻进过程中天然气水合物形成的监测方法，其特征在于：这种钻进过程中天然气水合物形成的监测方法为：

一、确定所需监测的目标气体，目标气体至少选择甲烷、乙烷、丙烷、丁烷，同时测量出各目标气体的基准浓度，基准浓度是初始未出现天然气水合物时各目标气体的浓度；

二、通过第一气相色谱仪观察气相中步骤一所选择的目标气体的浓度变化，同时通过第二气相色谱仪观察水相中释放的步骤一所选择的目标气体的浓度变化；

三、当第一气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机将自动判定井下有天然气水合物生成，报警器发出警报，此时立即采取抑制天然气水合物生成的措施，同时通过计算机记录和保存结果；第二气相色谱仪继续检测，当第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，此时计算机计算天然气水合物生成的位置；

或第一气相色谱仪处于允许的浓度变化区间内，而第二气相色谱仪检测到的浓度变化超过允许的浓度变化区间时，计算机自动判定井下有天然气水合物生成，报警器发出警报，此时立即采取抑制天然气水合物生成的措施，同时通过计算机记录和保存结果；

四、对于第一气相色谱仪、第二气相色谱仪均检测到浓度变化超过允许值的情况，计算机计算天然气水合物生成的位置时，采取                                                计算出天然气水合物生成位置与井口之间的距离，式中，L为天然气水合物生成位置与井口之间的距离，单位m；v _g为气体运行的平均速度，单位m/s；v _l为液体运行的平均速度，单位m/s；为第二气相色谱仪检测到浓度变化超过允许的浓度变化时的时间值与第一气相色谱仪检测到浓度变化超过允许浓度变化时的时间值之差。

2.一种权利要求1所述的钻进过程中天然气水合物形成的监测方法使用的监测装置，其特征在于：它包括井口（1）、油气水分离装置（2）、第一气相色谱仪（6）、脱气装置（4）、第二气相色谱仪（7）、计算机（9）、报警器（10），井口（1）通过管线与油气水分离装置（2）连接，油气水分离装置（2）连接第一气相色谱仪（6），油气水分离装置（2）还连接脱气装置（4），脱气装置（4）连接第二气相色谱仪（7），第一气相色谱仪（6）和第二气相色谱仪（7）分别连接到计算机（9），计算机（9）连接报警器（10），计算机（9）内安装有信号转化和接收装置，计算机（9）内还安装有分析处理器。