CN104343416B - 井下节流阀、深水气井测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水气井测试系统及测试方法，井下节流阀的深水气井测试系统包括海洋平台、海底油井控制系统、上部井下测试管柱、井下节流阀、上部井下测试管柱；海洋平台上设有平台控制系统，海洋平台上设有井口油嘴，井口油嘴连接海底油井控制系统；海底油井控制系统位于泥线以上；上井下测试管柱、井下节流阀、下井下测试管柱位于井筒内，上井下测试管柱的顶端连接海底油井控制系统、底端连接井下节流阀的上端，井下节流阀的下端连接下部测试管柱；井下节流阀在井筒深部产层以上200m的位置。本发明设备简单、操作方便，省去了加热法的复杂过程，没有给井筒内添加杂质，避免了向产出气体中添加杂质；同时降低了井口和地面管线的压力。

Description

井下节流阀、深水气井测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于海洋油气开发领域，具体地，涉及一种深水气井测试系统及测试方法。

背景技术

近年来，我国油气开发逐渐走向海洋，而海洋油气绝大多数聚集在深水区域。目前，深水油气开发过程中有诸多尚未克服的难题，在深水气井测试过程中当井筒内气体达到一定的温度、压力条件就有可能生成水合物，堵塞流通通道，从而引发安全事故。因此，如何抑制水合物的生成是深水测试期间的一项技术难题，目前抑制水合物生成的方法主要有加热法和添加抑制剂法。

加热法是通过对气体进行加热使其温度高于水合物的生成温度从而消除水合物，但是加热法的设备一般都比较复杂，给测试过程带来了诸多不便。

添加抑制剂法是将抑制剂加入到井筒内，抑制剂可以改变生成水合物的临界温度和临界压力，从而使得原本有水合物生成的区域不再生成水合物，但是添加抑制剂法将醇类、盐类等物质添加到了气体当中使得产出的气体中含有杂质。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种深水气井测试系统及测试方法；利用下入井筒内一定尺寸的井下节流阀，对井筒内气体进行节流压降，从而使得井筒内生不成水合物。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

井下节流阀的深水气井测试系统，包括：海洋平台、海底油井控制系统、上部井下测试管柱、井下节流阀、上部井下测试管柱；其中：海洋平台上设有平台控制系统，海洋平台上设有井口油嘴，井口油嘴连接海底油井控制系统；海底油井控制系统位于泥线以上；上井下测试管柱、井下节流阀、下井下测试管柱位于井筒内，上井下测试管柱的顶端连接海底油井控制系统、底端连接井下节流阀的上端，井下节流阀的下端连接下部测试管柱；井下节流阀在井筒深部产层以上200m的位置。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明设备简单、操作方便，省去了加热法的复杂过程，只需一个井下节流阀即可完成；

(2)、本发明没有给井筒内添加杂质，省去了向井筒内添加抑制剂的步骤，避免了向产出气体中添加杂质；

(3)、本发明同时降低了井口和地面管线的压力，使得井口跟地面设备承压变小，生产过程安全性增加。

附图说明

图1为深水气井测试系统的结构示意图；

图2a为井下节流阀剖面示意图；

图2b为图2a中A-A剖面示意图；

图3为深水气井测试系统的设计方法流程示意图；

图4为井筒内水合物生成区域示意图；

图中：1、井口油嘴；2、平台控制系统；3、海洋平台；4、海底油井控制系统；5、泥线；6、上部测试管柱；7、井下节流阀；8、下部测试管柱；9、射孔枪；10、产层；11、液压管线；71、入口管道；72、出口管道；73、底座；74、液压缸；75、密封盖；76、弹簧；77、出气孔；78、螺纹联结。

具体实施方式

如图1、图2所示，井下节流阀7，包括：入口管道71、出口管道72、底座73、液压缸74、密封盖75、弹簧76，其中：入口管道71上部为小直径的圆柱壳体、下部为大直径的圆柱壳体，上部的圆柱壳体与下部的圆柱壳体通过水平的圆环相连接，形成整体；上部小直径的圆柱壳体顶端封闭、侧面设有若干出气孔77，出气孔77用于给气体提供流通通道；大直径的圆柱壳体上部的外侧设有外螺纹，用于与出口管道72内壁的内螺纹连结；大直径的圆柱壳体下部的内壁设有内螺纹，内螺纹用于与下部测试管柱8上端的外螺纹联结。

出口管道72上部为小直径的圆柱壳体、下部为大直径的圆柱壳体，上部小直径的圆柱壳体与下部大直径的圆柱壳体通过锥形环连接，形成整体；下部大直径的圆柱壳体内径与入口管道71的下部大直径的圆柱壳体外径相等，下部大直径的圆柱壳体内部设有内螺纹，内螺纹用于与入口管道71下部大直径的圆柱壳体的外螺纹连结，形成螺纹联结78；出口管道72上端的内壁设有内螺纹，内螺纹用于与上部测试管柱6的下端螺纹联结。

出口管道72小直径的圆柱壳体上端的内部设有底座73，底座73水平设置，底座73为圆形平板，底座73的直径小于出口管道72上部小直径的圆柱壳体的内径，底座73与出口管道72上部小直径的圆柱壳体通过两处加强肋固定连接，底座73与出口管道72之间形成环空，以方便气体从环空中流出。

底座73的底面上固定有液压缸74，液压缸74为上端封闭的圆柱壳体，液压缸74的外径与底座73的直径相等，液压缸74的开口朝向入口管道71，液压管线79穿过底座、出口管道72将液压缸74与平台控制系统2相连。

密封盖75为顶端封闭的圆柱壳体，密封盖75外径与液压缸74的内径相同、内径与入口管道71上部小直径的圆柱壳体的外径相同；密封盖75上部套入液压缸74内，液压缸74推动密封盖75向下运动，密封盖75向下移动可封闭入口管道71上部小直径的圆柱壳体外侧的出气孔77；密封盖75运动到顶端时，入口管道71上部小直径的圆柱壳体侧面的出气孔77全部露出，并且入口管道71上部小直径的圆柱壳体不会从密封盖75中脱出；当密封盖75运动到底端时，入口管道71上部小直径的圆柱壳体侧面的出气孔全部遮住。

弹簧76套设在入口管道71上部小直径的圆柱壳体上，弹簧的底端抵靠在入口管道71的水平圆环上、顶端抵靠在密封盖75的下端面上；弹簧76对密封盖75提供向上的作用力，与液压缸74对密封盖75的向下的作用力共同调节密封盖75的位置，密封盖75遮挡部分出气孔77使气体只能从另一部分出气孔77中通过从而调节节流阀7的开度；从入口进入的气体通过出气孔77进入出口管道72。

弹簧76的直径略大于入口管道71上部小直径圆柱壳体直径，介于密封盖75外径与内径之间；底座73与入口管道71水平圆环的距离等于弹簧76自然的长度加上液压缸74的高度。

如图1所示，深水气井测试系统，包括：海洋平台3、海底油井控制系统4、上部井下测试管柱6、井下节流阀7、下部井下测试管柱8；

海洋平台3上设有平台控制系统2，海洋平台3为测试提供生产和生活设施，平台控制系统2用于及时采集、记录和存储深水气井测试系统的信息，并提供控制信号，同时控制井下节流阀7的开度；海洋平台3上设有井口油嘴1，油气从井口油嘴1离开井筒进入油气集输管道，井口油嘴1连接海底油井控制系统4。

海底油井控制系统4位于泥线5以上，提供井下隔离屏障、能在试井或完井作业期间进行开关井、具备紧急解脱的能力并且具备剪切功能，从而保证整个测试过程的安全。

上井下测试管柱6、井下节流阀7、下井下测试管柱8位于井筒内，上井下测试管柱6的顶端连接海底油井控制系统4、底端连接井下节流阀7的上端，井下节流阀7的下端连接下部测试管柱8；井下节流阀7在井筒深部产层9以上200m的位置。

节流阀的工作原理如下：液压缸74对密封盖75没有作用力的时候弹簧76将密封盖75上推到最高点，此时所有的出气孔77都没有被密封盖75遮挡即井下节流阀7的开度达到最大；平台控制系统2通过液压管线79来控制液压缸79，液压缸74可以推动密封盖向下运动，随着密封盖75向下移动，部分出气孔77开始被密封盖75遮挡；密封盖75位置越靠下，被遮挡的出气孔77越多，即井下节流阀7的开度越小；根据对井下节流阀7开度的需要，由平台控制系统2通过液压管线79来控制液压缸74达到所要求的开度。

深水气井测试方法，采用上述深水气井测试系统，包括如下步骤：

1、获取当前井的基础数据

根据当前井的实际情况，获取当前井的基础数据，当前井的基础数据包括：井身结构、油管柱结构、测试液的组成、产层压力、地层的温度梯度、海水表面温度、海水深度、气层深度；

2、初步选定井下节流阀的开度

初步先依据经验选定井下节流阀的开度，利用平台控制系统2通过液压管线79来控制液压缸74，进而调节节流阀到选定的开度。

3、获取在该节流阀开度条件下水合物生成区域

(1)、根据产出天然气的成分，计算水合物生成的相平衡条件

根据以下公式计算出水合物生成的相平衡条件：

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Δ\μ}}_0}{{\mathrm{RT}}_0}-{\∫}_{T_0}^{T_H}\frac{{\mathrm{\ΔH}}_0+{\mathrm{\ΔC}}_k(T_H-T_H)}{{\mathrm{RT}}_H^2}{\mathrm{dT}}_H+{\∫}_{p_0}^{p_H}\frac{\mathrm{\Δ}V}{{\mathrm{RT}}_H}{\mathrm{dp}}_H=\ln \left(\frac{f_w}{f_{wr}}\right)-{\Σ}_{i=1}^l{M}_i\ln (1-{\Σ}_{j=1}^L{\mathrm{\θ}}_{ij})\\ (i=1,\mathrm{2...}l);(j=1,\mathrm{2...}L)\end{array}---\left(1\right)$

ln(f_w/f_wr)＝ln x_w (2)

式中，

Δμ₀：水在完全空的水合物晶格与参考状态下纯水之间的化学位差，J/mol；

R：气体常数，8.314J/(mol·K)；

T₀-273.15K；

T_H-水合物生成温度，K；

ΔH₀-水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的摩尔比焓差J/kg；

ΔC_k-水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的比热容差,J/(kg·K)；

p_H-水合物生成压力，Pa；

ΔV-水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的摩尔体积差,m³/kg；

f_w-溶液当中水的逸度，Pa；

f_wr-参考状态(T_H,p_H)下水的逸度；

l-水合物种类数量；

M_i-i型空穴数与水合物相中水分子数的比值；

L-总气体种类；

θ_ij-i型空穴被j类气体分子占据的概率；

x_w-水的摩尔浓度；

y_w-溶液中水的活度系数；

(2)、根据地面关井工况计算井筒内的温度和压力分布曲线

利用下面的方程求解井筒内的温度分布曲线：

$\frac{d(\mathrm{\ρ}H+\mathrm{\ρ}gz\sin \mathrm{\θ}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2+\frac{{\mathrm{\λ\ρv}}^2}{2d})}{dz}-\frac{2}{{\mathrm{vr}}_{ti}^2}\left(\frac{r_{to}{U}_{to}{k}_e}{k_e+T_D{r}_{to}{U}_{to}}\right)(T_{ei}-T_f)=0---\left(3\right)$

式中，

H是气体的焓，J；

ρ-密度，kg/m³；

g-重力加速度，m/s²；

θ-井筒轴线与水平面的夹角,°；

v-气体的流度，m/s；

λ-摩阻系数，无量纲；

d-流体所在井筒的内径，m；

z-井深，m；

w-质量流量，kg/m³；

r_to-油管外半径，m；

r_ti-油管内半径，m；

U_to-以油管外表面为基准面的总传热系数，W/(m²·K)；

k_e-地层导热系数W/(m·K)；

T_D-无量纲温度；

T_ei-地层温度，K；

T_f-油管内温度，K；

利用下面的方程求解出井筒内压力分布曲线：

$(-dp)\×{10}^6=C_1^2{C}_{2}dI+\frac{C_{2}gsin\mathrm{\θ}}{I}dz+\frac{{\mathrm{\λC}}_1^2{C}_{2}I}{2d}dz---\left(4\right)$

其中：C₂＝3484.48γ，I＝ZT/p

式中：

Z-距离井底的高度，m；

ρ-密度，kg/m³；

v-流速，m/s；

γ-相对密度

g-重力加速度，m/s²；

θ-井筒轴线与水平面的夹角，°；

λ-摩阻系数，无量纲；

d-流体所在井筒的内径，m；

q_sc-标准状态下的气体流量，m³/d；

p-压力，MPa；

Z-压缩因子，无量纲；

T-温度，K；

(3)、根据水合物生成的相平衡条件、井筒的温度和压力分布，得到井筒内的水合物相平衡曲线

根据水合物生成的相平衡条件，计算出各深度对应压力下的水合物生成临界温度，得到井筒内的水合物相平衡曲线；水合物相态曲线如图3所示。

(4)、获取水合物生成区域

在同一坐标系中画出井筒内温度分布曲线和井筒内水合物相平衡曲线。若在某一深度处，井筒温度低于对应位置处的水合物生成临界温度，则此处有水合物生成。若在某一区域井筒温度低于对应位置处的水合物生成临界温度，则此区域为有水合物生成区域。若不存在这样的区域，即井筒内没有水合物生成。由这两条曲线即可获得水合物的生成区域；如图3所示，阴影区即为水合物生成区域。

4、确定井下节流阀的开度

判断水合物生成区域：若井筒温度分布曲线与水合物相平衡曲线恰好相切，说明此时井筒内恰巧没有水合物生成，此时的井下节流阀的开度恰巧满足要求；若井筒温度分布曲线与水合物相平衡曲线相交，说明此时井筒内有水合物生成，两曲线所围区域对应的深度区域就是水合物的生成区域，需要减小节流阀的开度，返回步骤6，直到两条曲线相切；若井筒温度分布曲线与水合物相平衡曲线相离，说明此时井下节流阀的开度偏小，需要增加井下节流阀的开度，再返回步骤2，直到两条曲线相切；

5、连接深水气井测试系统，如图1所示，井下节流阀安装在产层以上200m的位置处；

6、根据地层压力替换测试管柱内的测试液，封隔器坐封；将节流阀的开度调整到上面计算要求的开度。

7、利用射孔枪9射孔揭开产层10，打开气嘴，开始测试。

Claims (7)

1.一种井下节流阀，包括：入口管道、出口管道、底座、液压缸、密封盖、弹簧，其特征在于：入口管道上部为小直径的圆柱壳体、下部为大直径的圆柱壳体，上部的圆柱壳体与下部的圆柱壳体通过水平的圆环相连接，形成整体；上部小直径的圆柱壳体顶端封闭、侧面设有若干出气孔；出口管道上部为小直径的圆柱壳体、下部为大直径的圆柱壳体，上部小直径的圆柱壳体与下部大直径的圆柱壳体通过锥形环连接，形成整体；下部大直径的圆柱壳体内径与入口管道的下部大直径的圆柱壳体外径相等；

出口管道小直径的圆柱壳体上端的内部设有底座，底座水平设置，底座为圆形平板，底座的直径小于出口管道上部小直径的圆柱壳体的内径，底座与出口管道上部小直径的圆柱壳体通过两处加强肋固定连接，底座与出口管道之间形成环空；

底座的底面上固定有液压缸，液压缸为上端封闭的圆柱壳体，液压缸的开口朝向入口管道，液压管线穿过底座、出口管道将液压缸与平台控制系统相连；

密封盖为顶端封闭的圆柱壳体，密封盖外径与液压缸的内径相同、内径与入口管道上部小直径的圆柱壳体的外径相同；密封盖上部套入液压缸内，液压缸推动密封盖向下运动；密封盖向下移动可封闭入口管道上部小直径的圆柱壳体外侧的出气孔；

弹簧套设在入口管道上部小直径的圆柱壳体上，弹簧的底端抵靠在入口管道的水平圆环上、顶端抵靠在密封盖的下端面上。

2.根据权利要求1所述的井下节流阀，其特征在于，入口管道大直径的圆柱壳体上部的外侧设有外螺纹；出口管道下部大直径的圆柱壳体内部设有内螺纹，内螺纹用于与入口管道下部大直径的圆柱壳体的外螺纹连结。

3.根据权利要求2所述的井下节流阀，其特征在于，密封盖运动到顶端时，入口管道上部小直径的圆柱壳体侧面的出气孔全部露出，并且入口管道上部小直径的圆柱壳体不会从密封盖中脱出；当密封盖运动到底端时，入口管道上部小直径的圆柱壳体侧面的出气孔全部遮住。

4.根据权利要求3所述的井下节流阀，其特征在于，弹簧的直径略大于入口管道上部小直径圆柱壳体直径，介于密封盖外径与内径之间；底座与入口管道水平圆环的距离等于弹簧自然的长度加上液压缸的高度。

5.根据权利要求4所述的井下节流阀，其特征在于，液压缸的外径与底座的直径相等。

6.采用权利要求1所述井下节流阀的深水气井测试系统，包括：海洋平台、海底油井控制系统、上部井下测试管柱、井下节流阀、下部井下测试管柱；其特征在于：

海洋平台上设有平台控制系统，海洋平台上设有井口油嘴，井口油嘴连接海底油井控制系统；海底油井控制系统位于泥线以上；上井下测试管柱、井下节流阀、下井下测试管柱位于井筒内，上井下测试管柱的顶端连接海底油井控制系统、底端连接井下节流阀的上端，井下节流阀的下端连接下部测试管柱；井下节流阀在井筒深部产层以上200m的位置。

7.一种深水气井测试方法，采用权利要求6所述的深水气井测试系统，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、获取当前井的基础数据

根据当前井的实际情况，获取当前井的基础数据，当前井的基础数据包括：井身结构、油管柱结构、测试液的组成、产层压力、地层的温度梯度、海水表面温度、海水深度、气层深度；

(2)、初步选定井下节流阀的开度

(3)、获取在该节流阀开度条件下水合物生成区域

(a)、根据产出天然气的成分，计算水合物生成的相平衡条件

根据以下公式计算出水合物生成的相平衡条件：

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\Δ\μ}}_0}{{\mathrm{RT}}_0}-{\∫}_{T_0}^{T_H}\frac{{\mathrm{\ΔH}}_0+{\mathrm{\ΔC}}_k(T_H-T_0)}{{\mathrm{RT}}_H^2}{\mathrm{dT}}_H+{\∫}_{p_0}^{p_H}\frac{\mathrm{\Δ}V}{{\mathrm{RT}}_H}{\mathrm{dp}}_H=\ln \left(\frac{f_w}{f_{wr}}\right)-{\Σ}_{i=1}^l{M}_i\ln (1-{\Σ}_{i=1}^L{\mathrm{\θ}}_{ij})\\ (i=1,\mathrm{2...}l);(j=1,\mathrm{2...}L)---\left(1\right)\end{array}$

ln(f_w/f_wr)＝lnx_w (2)

式中，

Δμ₀：水在完全空的水合物晶格与参考状态下纯水之间的化学位差，J/mol；

R：气体常数，8.314J/(mol·K)；

T₀-273.15K；

T_H-水合物生成温度，K；

ΔH₀-水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的摩尔比焓差J/kg；

ΔC_k-水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的比热容差,J/(kg·K)；

p_H-水合物生成压力，Pa；

ΔV-水在完全空的水合物晶格与纯水相之间的摩尔体积差,m³/kg；

f_w-溶液当中水的逸度，Pa；

f_wr-参考状态(T_H,p_H)下水的逸度；

l-水合物种类数量；

M_i-i型空穴数与水合物相中水分子数的比值；

L-总气体种类；

θ_ij-i型空穴被j类气体分子占据的概率；

x_w-水的摩尔浓度；

y_w-溶液中水的活度系数；

(b)、根据地面关井工况计算井筒内的温度和压力分布曲线

利用下面的方程求解井筒内的温度分布曲线：

$\frac{d(\mathrm{\ρ}H+\mathrm{\ρ}gz\sin \mathrm{\θ}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2+\frac{{\mathrm{\λ\ρv}}^2}{2d})}{dz}-\frac{2}{{\mathrm{vr}}_{ti}^2}\left(\frac{r_{to}{U}_{to}{k}_e}{k_e+T_D{r}_{to}{U}_{to}}\right)(T_{ei}-T_f)=0---\left(3\right)$

式中，

H是气体的焓，J；

ρ-密度，kg/m³；

g-重力加速度，m/s²；

θ-井筒轴线与水平面的夹角,°；

v-气体的流度，m/s；

λ-摩阻系数，无量纲；

d-流体所在井筒的内径，m；

z-井深，m；

w-质量流量，kg/m³；

r_to-油管外半径，m；

r_ti-油管内半径，m；

U_to-以油管外表面为基准面的总传热系数，W/(m²·K)；

k_e-地层导热系数W/(m·K)；

T_D-无量纲温度；

T_ei-地层温度，K；

T_f-油管内温度，K；

利用下面的方程求解出井筒内压力分布曲线：

$(-dp)\×{10}^6=C_1^2{C}_{2}dI+\frac{C_{2}gsin\mathrm{\θ}}{I}dz+\frac{{\mathrm{\λC}}_1^2{C}_{2}I}{2d}dz---\left(4\right)$

其中：C₂＝3484.48γ，I＝ZT/p

式中：

Z-距离井底的高度，m；

ρ-密度，kg/m³；

v-流速，m/s；

γ-相对密度

g-重力加速度，m/s²；

θ-井筒轴线与水平面的夹角，°；

λ-摩阻系数，无量纲；

d-流体所在井筒的内径，m；

q_sc-标准状态下的气体流量，m³/d；

p-压力，MPa；

Z-压缩因子，无量纲；

T-温度，K；

(c)、根据水合物生成的相平衡条件、井筒的温度和压力分布，得到井筒内的水合物相平衡曲线

根据水合物生成的相平衡条件，计算出各深度对应压力下的水合物生成临界温度，得到井筒内的水合物相平衡曲线；

(d)、获取水合物生成区域

在同一坐标系中画出井筒内温度分布曲线和井筒内水合物相平衡曲线；若在某一深度处，井筒温度低于对应位置处的水合物生成临界温度，则此处有水合物生成；若在某一区域井筒温度低于对应位置处的水合物生成临界温度，则此区域为有水合物生成区域；若不存在这样的区域，即井筒内没有水合物生成；由这两条曲线即可获得水合物的生成区域；

(4)、确定井下节流阀的开度

判断水合物生成区域：若井筒温度分布曲线与水合物相平衡曲线恰好相切，说明此时井筒内恰巧没有水合物生成，此时的井下节流阀的开度恰巧满足要求；若井筒温度分布曲线与水合物相平衡曲线相交，说明此时井筒内有水合物生成，两曲线所围区域对应的深度区域就是水合物的生成区域，需要减小节流阀的开度，返回步骤(2)，直到两条曲线相切；若井筒温度分布曲线与水合物相平衡曲线相离，说明此时井下节流阀的开度偏小，需要增加井下节流阀的开度，再返回步骤(2)，直到两条曲线相切；

(5)、连接深水气井测试系统，井下节流阀安装在产层以上200m的位置处；

(6)、根据地层压力替换测试管柱内的测试液，封隔器坐封；将节流阀的开度调整到上面计算要求的开度；

(7)、利用射孔枪射孔揭开产层，打开气嘴，开始测试。