CN106894810A - 深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置包括：气液输送系统、水合物监测系统、辅助系统；气液输送系统提供气源、液源，混合后输送至水合物监测系统；水合物监测系统以高压低温条件在模拟井筒内形成水合物，记录观察水合物结晶、沉积堵塞过程；辅助系统进行气体后处理，并实现对装置的安全控制。本发明能模拟水合物生成过程为动态过程，与实际测试过程相符，可实时观察水合物沉积附着至堵塞过程，超声成像可实时对不同位置的气‑水‑水合物三相的沉积分布情况进行成像观察，获得水合物层厚度沿井筒轴向的分布规律，对于深水测试的流动保障问题的解决具有重要意义。

Description

深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置及方法

技术领域

本发明属于深水气井测试过程中的流动保障领域，具体地，涉及一种深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置及方法，用于模拟初开井、变流量开采、关井等测试阶段的水合物沉积堵塞规律，从而为流动保障提供依据。

背景技术

随着陆上石油资源耗竭和海洋石油的不断开采，深水油气资源开采已日趋成为石油开发的热点领域。在深水领域，低温高压的环境极易促使水合物的生成，水合物固结在管壁引起节流效应，加速其沉积过程，形成恶性循环，从而导致井筒堵塞，给油气开采造成巨大的经济损失及事故风险。因此，深水测试过程中水合物的沉积堵塞问题已成为流动保障领域重要的研究内容之一。

在深水气井测试过程中，地层中的水或者滤液水会随气体携带而上升，一旦达到水合物生成的条件，就会与天然气形成水合物而沉积到管壁上，沉积引起管径变小，产生节流效应，在管壁快速生成水合物直到堵塞管道。气体组分、温度、压力及水的供应、管壁极性等是影响水合物生成的重要因素，需要展开更深入的研究。

目前，对于水合物沉积堵塞的研究主要集中在水合物动力学方面。有关水合物生成及分解方面的研究已经开展了大量的工作，可分为静态生成和动态生成。静态生成以反应釜为主，可通过向反应釜中加入试剂、控制压力等方式加速水合物的生成，虽然可以快速生成，为水合物快速制备及后续物性研究提供方便，但是与实际的流动不符，不能为流动保障提供参考。动态生成多集中在油气储运方向，以水合物浆的可流动性为研究目标，其水平管道的两相流型与竖直井筒截然不同，同时，水合物层厚度及沉积过程也没有重点研究。

在为数不多的有关竖直管道水合物沉积的装置中，大多通过可视窗来观察研究沉积过程，无法有效测量水合物层沉积厚度及不同工况下水合物的沉积规律，即形成水合物段塞，抑或形成水合物层但中间流体可流动，抑或不同段的水合物层厚度不同。

综上，在深水气井测试过程中，对于水合物沉积位置、厚度及规律等方面的研究尚且不足，非常有必要设计一套能够模拟不同测试阶段水合物沉积堵塞规律的方法及装置，并以此为基础研究温压、含水率、管壁极性等因素对水合物沉积的影响。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种监测气井测试工况下水合物沉积堵塞规律的装置及方法，对气井测试过程和已有的水合物技术进行分析评价；该装置设置透明井筒和不透明井筒的对照组，并利用超声、光透、压差等多种手段来检测气-水-水合物三相的分布、水合物沉积层厚度，可用于模拟初开井、变流量、关井等工况下水合物结晶、沉积直至堵塞管道的过程，并探究温度、压力、含水率、管壁极性等对水合物沉积的影响，为深水井筒流动保障的水合物动力学预防提供基础。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，包括：气液输送系统、水合物监测系统、辅助系统；气液输送系统提供气源、液源，混合后输送至水合物监测系统；水合物监测系统以高压低温条件在模拟井筒内形成水合物，记录观察水合物结晶、沉积堵塞过程；辅助系统进行气体后处理，并实现对装置的安全控制。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、模拟水合物生成过程为动态过程，与实际测试过程相符。

2、模拟井筒101为完全透明管，实时观察水合物沉积附着至堵塞过程。

3、可调节含水率以讨论含水率对水合物沉积的影响。

4、设置模拟井筒对照组，与装置之间为法兰连接，可通过拆卸更换，讨论管壁极性、管壁粗糙度对水合物沉积的影响。

5、超声成像可实时对不同位置的气-水-水合物三相的沉积分布情况进行成像观察。

6、压差法对超声信号折算水合物厚度进行修正，并结合光信号、人工机械测量，以多种方式对水合物沉积厚度准确测量。

7、深水测试井筒中水合物的生成和沉积特性对于深水测试的流动保障问题的解决具有重要意义。

附图说明

图1是深水气井测试期间水合物沉积规律监测装置的示意图；

图2是超声成像水合物层厚度及误差修正示意图；

图中：101、第一模拟井筒，102、第二模拟井筒，103、第一温度传感器，104、第二温度传感器，105、第一压差计，106、第二压差计，107、超声仪器，108、光透仪器，109、摄像机，201、第一气瓶，202、第二气瓶，203、第一三通阀，204、第二三通阀，205、第三三通阀，206、第四三通阀，207、第一容器，301、蓄水罐，302、增压泵，401、手动增压泵，402、气体处理容器，403、冷却水浴，501、第一截止阀，502、第二截止阀，503、第三截止阀，601、第一单向阀，602、第二单向阀，603、背压阀，604、安全阀，701、第一压力传感器，702、第二压力传感器，801、第一质量流量计，802、第二质量流量计，803、第三质量流量计。

具体实施方式

图1所示，深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，包括：气液输送系统、水合物监测系统、辅助系统；气液输送系统提供气源、液源，混合后输送至水合物监测系统；水合物监测系统以高压低温条件在模拟井筒内形成水合物，记录观察水合物结晶、沉积堵塞过程；辅助系统进行气体后处理，并实现对装置的安全控制。

气液输送系统，包括：冷却水浴403、第一气瓶201、第二气瓶202、第一三通阀203、第一压力传感器701、第一单向阀601、第一容器207、蓄水罐301、增压泵302、第三截止阀503、第一质量流量计801、第二质量流量计802、第二三通阀204、第二单向阀602；其中，第一气瓶201、第二气瓶202均放置于冷却水浴403中，由冷却水浴控制气体温度为0-8℃；第一气瓶201、第二气瓶202分别连接第一三通阀203的两个入口端，第一气瓶201、第二气瓶202中分别盛装甲烷、乙烷；第一三通阀203的出口端与第一容器207的入口端通过管线相连，该管线上由第一三通阀203至第一容器207的方向依次设有第一压力传感器701、第一单向阀601，第一压力传感器701测定混合气体的压力，第一容器207内盛有水，使混合气体含水饱和；蓄水罐301、第一容器207出口端分别通过管线与第二三通阀204的两个入口端相连，蓄水罐301与第二三通阀204相连的管线上依次设有增压泵302、第三截止阀503、第一质量流量计801，增压泵302为蓄水罐301输送的水提供压力，第三截止阀503控制水的输送，以控制含水率，第一质量流量计801测定输送水的质量流量；第一容器207的出口端与第二三通阀204相连的管线上设有第二质量流量计802，第二流量计802测定混合气体的质量流量；第二三通阀204出口端通过管线与第二单向阀602的入口端相连，第二单向阀602的出口端连接至水合物监测系统；气液经第二三通阀204混合后，通过第二单向阀602输送至水合物监测系统。

水合物监测系统，包括：第三三通阀205、第一截止阀501、第二截止阀502、第一模拟井筒101、第二模拟井筒102、第一温度传感器103、第二温度传感器104、第一压差计105、第二压差计106、超声仪器107、光透仪器108、摄像机109、第四三通阀206、第三质量流量计803；气液输送系统的第二单向阀602的出口端与水合物监测系统的第三三通阀205的入口端通过管线相连，该管线上设置有第一温度传感器103，第一温度传感器103测定输入水合物监测系统的混合流体温度；第三三通阀205的两个出口端分别与第一模拟井筒101、第二模拟井筒102的入口端通过管线相连，第三三通阀205的出口端至第一模拟井筒101的管线上设置有第一截止阀501，第一截止阀501控制第一模拟井筒101的开关，第三三通阀205的出口端至第二模拟井筒102的管线上设置有第二截止阀502，第二截止阀502控制第二模拟井筒102的开关；第一模拟井筒101为透明玻璃管，两端设置有第一压差计105，第一压差计105测量第一模拟井筒101两端压差；第一模拟井筒101配置有超声仪器107、光透仪器108、摄像机109，超声仪器107发出超声波，遇不同介质反射信号，可实现对气-水-水合物三相的分布成像；光透仪器108发射光信号，由接收器接收信号，经过数据处理可测定水合物层厚度；超声仪器107、光透仪器108均置于竖直滑轨上(竖直滑轨图中未示意)，可实现上下滑动，对井筒不同位置进行数据采集，摄像机109可实时观察第一模拟井筒101内水合物沉积过程；第二模拟井筒102为钢制井筒，两端设置有第二压差计106，第二压差计106测量第二模拟井筒102两端的压差；第一模拟井筒101、第二模拟井筒102为对照组，超声仪器107对第一模拟井筒101内水合物层厚度成像所引起的误差可通过两端压差校正，校正方法具体见图2，并以此为基础对第二模拟井筒内的水合物层厚度进行预测；第一模拟井筒101、第二模拟井筒102的出口端分别与第四三通阀206的入口端通过管线相连，第四三通阀206的出口端通过管线与辅助系统相连，第四三通阀206至辅助系统的管线上依次设置有第二温度传感器104、第三质量流量计803，第二温度传感器104测定输出水合物监测系统的混合流体温度，第三质量流量计803测定输出水合物监测系统的混合流体质量流量。

辅助系统，包括：手动增压泵401、气体处理容器402、第二压力传感器702、背压阀603、安全阀604；水合物监测系统的第三质量流量计803的出口端与辅助系统的安全阀604的入口端通过管线相连；安全阀604的出口端通过管线与气体处理容器402相连，气体处理容器402用于对排出水合物监测系统的流体进行后处理，该管线上设置有背压阀603，由背压阀603控制水合物监测系统的压力；背压阀603的顶端通过管线与手动增压泵401相连，该管线上设置有第二压力传感器702，第二压力传感器702测定水合物监测系统的压力；手动增压泵401调节水合物监测系统的压力；

所述模拟井筒压力为1-10MPa，流体温度为0-8℃。

所述模拟井筒对照组可实现不同管壁极性对水合物沉积的影响。

所述模拟井筒可进行更换，实现对不同管壁粗糙度的选择，讨论不同管壁粗糙度对水合物沉积影响。

所述气液相质量流量计可调节含水率在3％以内，讨论不同含水率对水合物沉积的影响。

所述超声仪器对初开井时气液相的环雾流分布情况、水合物生成后的气液固三相分布进行成像。

所述装置内所有管线均外包有保温材料。

深水气井测试期间水合物沉积规律的监测方法，采用所述深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，可以模拟初开井、变流量、关井等工况下水合物结晶、沉积直至堵塞管道的过程，并探究温度、压力、含水率、管壁极性等对水合物沉积的影响，具体步骤如下：

第一步，打开第一气瓶201、第二气瓶202的阀门，启动计算机，检查装置气密性和仪器显示。

第二步，设定冷却水浴温度为0-8℃。待冷却完成，打开第一气瓶201和第二气瓶202，由第一压力传感器701记录气体压力，输送至第二三通阀204。打开第三截止阀503，由增压泵302将液相输送至第二三通阀204。由第一质量流量计801和第二质量流量计802记录液相和气相的质量流量，分别为m₁和m₂，则混合流体的质量含水率为：m₁/(m₁+m₂)×100％。气液相经第二三通阀204混合后输送至水合物监测系统，由背压阀603和第二压力传感器702控制井筒压力在1-10MPa。

第三步，在水合物生成过程中，实时记录各温度传感器、压差计、流量计、超声信号、光信号，并摄像记录。利用超声成像技术对井筒内的气-水-水合物三相的分布情况进行成像，并校正水合物层厚度，校正方法如图2所示。

第四步，待水合物堵塞至一定程度，使其升温降压分解，更换模拟井筒、或更换气体、或调整气液相流量、或调整水浴温度，重复上述步骤进行下一轮测试。

图2所示为超声成像水合物层厚度及误差修正示意图，超声信号得到水合物厚度所存在的误差可通过压差方法进行修正，具体为：

取井筒向上方向为x正向，超声信号得到水合物层厚度为：

h＝h(x)

流体在过流界面1和过流界面2之间的流动遵循实际流体的伯努利方程，即

根据微分理论，得到：

上式中，dP为1-2截面压差，ρ为气相密度，λ为气相沿程摩阻系数，D为井筒内径，Q为气相体积流量。

根据积分理论，并引入水合物沉积层厚度误差δ，有

式中，L为井筒长度；故而，水合物层厚度为

h＝h(x)+δ

利用井筒两端压差ΔP矫正误差，并以此为基础对模拟井筒102的水合物沉积情况进行研究。

同时，结合人工机械测量的方式对水合物厚度进行测定。

Claims (10)

1.一种深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，包括：气液输送系统、水合物监测系统、辅助系统；其特征在于，气液输送系统提供气源、液源，混合后输送至水合物监测系统；水合物监测系统以高压低温条件在模拟井筒内形成水合物，记录观察水合物结晶、沉积堵塞过程；辅助系统进行气体后处理，并实现对装置的安全控制。

2.根据权利要求1所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，气液输送系统，包括：冷却水浴、第一气瓶、第二气瓶、第一三通阀、第一压力传感器、第一单向阀、第一容器、蓄水罐、增压泵、第三截止阀、第一质量流量计、第二质量流量计、第二三通阀、第二单向阀；其中，第一气瓶、第二气瓶均放置于冷却水浴中，由冷却水浴控制气体温度为0-8℃；第一气瓶、第二气瓶分别连接第一三通阀的两个入口端，第一气瓶、第二气瓶中分别盛装甲烷、乙烷；第一三通阀的出口端与第一容器的入口端通过管线相连，该管线上由第一三通阀至第一容器的方向依次设有第一压力传感器、第一单向阀，第一容器内盛有水，蓄水罐、第一容器出口端分别通过管线与第二三通阀的两个入口端相连，蓄水罐与第二三通阀相连的管线上依次设有增压泵、第三截止阀、第一质量流量计；第一容器的出口端与第二三通阀相连的管线上设有第二质量流量计；第二三通阀出口端通过管线与第二单向阀的入口端相连，第二单向阀的出口端连接至水合物监测系统。

3.根据权利要求1-2所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，水合物监测系统，包括：第三三通阀、第一截止阀、第二截止阀、第一模拟井筒、第二模拟井筒、第一温度传感器、第二温度传感器、第一压差计、第二压差计、超声仪器、光透仪器、摄像机、第四三通阀、第三质量流量计；气液输送系统的第二单向阀的出口端与水合物监测系统的第三三通阀的入口端通过管线相连，该管线上设置有第一温度传感器；第三三通阀的两个出口端分别与第一模拟井筒、第二模拟井筒的入口端通过管线相连，第三三通阀的出口端至第一模拟井筒的管线上设置有第一截止阀，第三三通阀的出口端至第二模拟井筒的管线上设置有第二截止阀；第一模拟井筒为透明玻璃管，两端设置有第一压差计，第一模拟井筒配置有超声仪器、光透仪器、摄像机，超声仪器、光透仪器均置于竖直滑轨上实现上下滑动；第二模拟井筒为钢制井筒，两端设置有第二压差计，第一模拟井筒、第二模拟井筒为对照组，超声仪器对第一模拟井筒内水合物层厚度成像所引起的误差可通过两端压差校正，并以此为基础对第二模拟井筒内的水合物层厚度进行预测；第一模拟井筒、第二模拟井筒的出口端分别与第四三通阀的入口端通过管线相连，第四三通阀的出口端通过管线与辅助系统相连，第四三通阀至辅助系统的管线上依次设置有第二温度传感器、第三质量流量计。

4.根据权利要求1-3所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，辅助系统，包括：手动增压泵、气体处理容器、第二压力传感器、背压阀、安全阀；水合物监测系统的第三质量流量计的出口端与辅助系统的安全阀的入口端通过管线相连；安全阀的出口端通过管线与气体处理容器相连，该管线上设置有背压阀；背压阀的顶端通过管线与手动增压泵相连，该管线上设置有第二压力传感器。

5.根据权利要求1-4所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，所述模拟井筒压力为1-10MPa，流体温度为0-8℃。

6.根据权利要求1-5所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，所述模拟井筒对照组可实现不同管壁极性对水合物沉积的影响。

7.根据权利要求1-6所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，所述模拟井筒可进行更换，实现对不同管壁粗糙度的选择，讨论不同管壁粗糙度对水合物沉积影响。

8.根据权利要求1-7所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，所述气液相质量流量计可调节含水率在3％以内，讨论不同含水率对水合物沉积的影响。

9.根据权利要求1-8所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，其特征在于，所述超声仪器对初开井时气液相的环雾流分布情况、水合物生成后的气液固三相分布进行成像；所述装置内所有管线均外包有保温材料。

10.一种深水气井测试期间水合物沉积规律的监测方法，采用权利要求1-9之一所述的深水气井测试期间水合物沉积规律的监测装置，以模拟初开井、变流量、关井工况下水合物结晶、沉积直至堵塞管道的过程，并探究温度、压力、含水率、管壁极性等对水合物沉积的影响，其特征在于，具体步骤如下：

第一步，打开第一气瓶、第二气瓶的阀门，启动计算机，检查装置气密性和仪器显示；

第二步，设定冷却水浴温度为0-8℃；待冷却完成，打开第一气瓶和第二气瓶，由第一压力传感器记录气体压力，输送至第二三通阀；打开第三截止阀，由增压泵将液相输送至第二三通阀；由第一质量流量计和第二质量流量计记录液相和气相的质量流量，分别为m₁和m₂，则混合流体的质量含水率为：m₁/(m₁+m₂)×100％；气液相经第二三通阀混合后输送至水合物监测系统，由背压阀和第二压力传感器控制井筒压力在1-10MPa；

第三步，在水合物生成过程中，实时记录各温度传感器、压差计、流量计、超声信号、光信号，并摄像记录。利用超声成像技术对井筒内的气-水-水合物三相的分布情况进行成像，并校正水合物层厚度；

第四步，待水合物堵塞至一定程度，使其升温降压分解，更换模拟井筒、或更换气体、或调整气液相流量、或调整水浴温度，重复上述步骤进行下一轮测试；

超声信号得到水合物厚度所存在的误差可通过压差方法进行修正，具体为：

取井筒向上方向为x正向，超声信号得到水合物层厚度为：

h＝h(x)

流体在过流界面1和过流界面2之间的流动遵循实际流体的伯努利方程，即

$Z_1+\frac{P_1}{\mathrm{\γ}}+\frac{{v_1}^2}{2g}=Z_2+\frac{P_2}{\mathrm{\γ}}+\frac{{v_2}^2}{2g}+{\mathrm{\ΔP}}_L$

根据微分理论，得到：

$dP=(\mathrm{\ρ}g+\frac{8{\mathrm{\ρ\λQ}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{\[D-2h\left(x\right)\]}^5})dx$

上式中，dP为1-2截面压差，ρ为气相密度，λ为气相沿程摩阻系数，D为井筒内径，Q为气相体积流量。

根据积分理论，并引入水合物沉积层厚度误差δ，有

$\mathrm{\Δ}P={\∫}_0^{L}dP={\∫}_0^L(\mathrm{\ρ}g+\frac{8{\mathrm{\ρ\λQ}}^2}{{\mathrm{\π}}^2{\[D-2h\left(x\right)+2\mathrm{\δ}\]}^5})dx$

式中，L为井筒长度；故而，水合物层厚度为

h＝h(x)+δ

利用井筒两端压差ΔP矫正误差，并以此为基础对模拟井筒的水合物沉积情况进行研究；

同时，结合人工机械测量的方式对水合物厚度进行测定。