CN115492558B - 一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置及防治方法 - Google Patents

一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置及防治方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置及防治方法，属于海域天然气水合物开采技术领域，包括采气管柱、采水管柱、气水混输管段、数据采集处理装置和反应控制装置，根据不同开采管柱特点，设置三条注入管线及三个监测点，实时预测全井筒中的水合物二次生成风险的动态变化，综合利用抑制剂注入、管柱加热及增加电潜泵等方法，对不同管柱位置采取不同的水合物二次生成防治措施，一方面，本发明能明显降低水合物抑制剂用量。另一方面，本发明能实时高效地防止试采井筒中的水合物二次生成，多种方法共同保障水合物开采井筒中的多相流动安全。

Description

一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置及防治方法
技术领域
本发明涉及一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置及方法，属于海域天然气水合物开采技术领域。
背景技术
天然气水合物是在一定的低温和高压条件下由水分子和烃类气体分子结合生成的似冰状笼形化合物，是一种储量巨大的新型清洁高效能源。据不完全统计，世界范围内的天然气水合物中有机碳储量是油气等化石能源总量的2倍。自然界中的天然气水合物主要存在于水深超过300米的深海海底沉积物和陆地永久冻土区等低温高压区域。广袤的深海水域是满足天然气水合物稳定存在的理想环境，其中蕴藏的天然气水合物占总量的95％以上，是未来能源发展的重要方向。
在现有的天然气水合物开采方法(降压法、注热法、注化学剂法、CO2置换法、固态流化法等)中，降压法具有产气速率高、简单易实现、成本低等优点，是未来最有可能实现天然气水合物商业化开采的首选方法。在海域天然气水合物降压开采过程中，由于海水温度随水深的增加而降低(1500m水深处温度可低至2-4℃)，开采井筒中易满足水合物二次生成的温度和压力条件，这将造成其面临严重的水合物二次生成风险。一旦开采井筒内发生水合物二次生成，会导致部分生成的水合物在管壁上沉积形成水合物沉积层，减小流体流动通道，严重时甚至可能形成堵塞流动障碍，进而引发流动安全问题。2017年，在日本开展的第二次海域天然气水合物降压试采过程中，由于开采管柱中发生的水合物二次生成和堵塞问题而两次中断了试采进程，导致清除水合物堵塞分别花了31.25h和13.5h，严重影响了试采进度。海域天然气水合物开采井筒中的水合物二次生成不仅会影响试采进程，而且可能会影响后续的持续降压，日本第二次试采中井底压力未降到预期值也是可能与此有关，严重时甚至可能造成试采安全事故。目前，关于深水井筒内的水合物流动障碍防治主要采用注入过量的热力学抑制剂来完全防止整个井筒中的水合物生成。但是，该方法存在抑制剂用量大(10％～60％)、储存占地面积大、成本高昂及对注入设备要求高等问题，尤其是当产水量较大时上述问题将会变得更加突出，甚至可能面临抑制剂无法注入等难题，可能导致该类水合物二次生成防治方案失效。
综上所述，目前尚缺乏一种针对海域天然气水合物降压开采中经济高效的水合物二次生成防治方法，这也是制约海域天然气水合物安全高效开采的关键难点。为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，尤其是现有天然气水合物二次生成防治方法存在的抑制剂用量大、防治效果差的难题，本发明提出了一种海域天然气水合物降压开采水合物二次生成防治装置及方法。根据不同开采管柱特点，综合利用抑制剂注入、管柱加热及增加电潜泵等方法，形成了海域天然气水合物降压开采水合物二次生成防治装置及方法，从而有效提高海域天然气水合物降压开采过程中水合物二次生成防治的有效性和经济效益，为实现海域天然气水合物降压开采流动安全提供保障。
本发明的技术方案如下：
一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置，包括采气管柱、采水管柱、气水混输管段、数据采集处理装置和反应控制装置，所述采气管柱、采水管柱末端与气水混输管段顶端连接，气水混输管段位于水合物储层，所述采气管柱和采水管柱分别采出储层中天然气水合物分解产生的气体和水；
所述的数据采集处理装置包括第一数据监测点、第二数据监测点、第三数据监测点、计算机终端；所述第一数据监测点位于采气管柱顶端，采集采气管柱顶端的温度、压力及气流量；所述第二数据监测点位于采水管柱顶端，采集采水管柱顶端的温度、压力及水流量；所述第三数据监测点位于气水混输管段末端，采集井底的温度、压力；所述计算机终端接收并处理第一数据监测点、第二数据监测点和第三数据监测点采集到的温度、压力及流量数据；
所述的反应控制装置包括：信号执行机构、水合物抑制剂储罐、水合物抑制剂注入泵、第一抑制剂注入点、第二抑制剂注入点、第三抑制剂注入点、第一电潜泵、第二电潜泵、加热器；所述信号执行机构一端与计算机终端，另一端与水合物抑制剂注入泵连接；所述水合物抑制剂注入泵通过注入管线分别与第一抑制剂注入点、第二抑制剂注入点、第三抑制剂注入点相连，每条注入管线上设置控制阀；所述第一抑制剂注入点位于采气管柱顶端，第二抑制剂注入点位于采气管柱底端，第三抑制剂注入点位于气水混输管段末端；所述第一电潜泵位于采水管柱底端，第二电潜泵位于采水管柱中部；所述加热器位于采气管柱底部。
优选的，采水管柱、采气管柱与气水混输管段连接处设有套管，第一电潜泵位于套管内，采气管柱末端设有防喷器。
优选的，采水管柱中部设有储水管段，采水管柱在中部分为采水管柱上半段和采水管柱下半段，采水管柱上半段末端与采水管柱下半段顶端位于储水管段内，第二电潜泵位于采水管柱上半段末端。
利用上述海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，包括步骤如下：
三个数据采集点分别安装在采气管柱顶端、采水管柱顶端及气水混输管段末端，采集不同位置处的温度、压力及流量数据；不同数据采集点均与计算机终端连接，且采集的数据实时传输到计算机终端；计算机终端根据不同数据采集点采集到的数据的分析处理，向信号执行机构发送指令来控制不同水合物抑制剂注入点的抑制剂注入速率，并控制采气管柱中加热器和采水管柱中不同电潜泵的功率大小，以此防治采气和采水管柱中的水合物二次生成。
根据本发明优选的，利用上述海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，包括步骤如下：
(1)不同位置数据实时监测
通过采气管柱顶端的第一数据监测点、采水管柱顶端的第二数据监测点和气水混输管段末端的第三数据监测点监测不同位置处的温度、压力及流量数据，且采集到的数据实时传输到计算机终端；
(2)全井筒水合物二次生成风险分析
计算机终端根据接收到的不同位置处的温度、压力及流量数据，实时计算得到整个井筒中的温度和压力分布情况；结合天然气水合物相平衡计算结果，判断不同位置处是否发生水合物二次生成，进而分析得到全井筒中的水合物二次生成风险，为不同管柱中的水合物二次生成防治提供基础；
(3)不同管柱中水合物二次生成防治反应
根据计算得到的不同管柱中的水合物二次生成风险情况，计算机终端发送水合物二次生成防治指令，对不同管柱采取相应的水合物二次生成防治措施；气水混输管段中的水合物二次生成防治措施为抑制剂注入，采气管柱中的水合物二次生成防治措施为抑制剂注入+管柱底部加热协同防治，采水管柱中的水合物二次生成为双泵降压+抑制剂协同防治；以此可以保障整个海域天然气水合物开采井筒中的多相流动安全。
根据本发明，优选的，步骤(2)中，海域天然气水合物开采井筒外的地层/海水存在明显的温度梯度，管柱内流体与外界环境间存在温度差，且不同位置处的管柱结构存在差异，故设定开采管柱内的流体流动和外界环境存在不同的传热过程：①泥线以下井段—气液混输管段：气液混输管柱内流体与外界地层之间的传热；②泥线以上井段—采气管柱：采气管柱内流体与外界海水之间的传热；③泥线以上井段—采水管柱：采水管柱内流体与外界海水之间的传热，泥线为海底(也就是海水和海底浅层的分界线)；针对海域天然气水合物降压开采管柱结构特点，考虑水合物相变对温度变化的影响，基于能量守恒原理，得到开采井筒的温度分布计算如下：
Figure BDA0003845554730000041
式中：Cpm为混合流体的定压比热容，J/(kg·℃)；Tf为流体温度，℃；H为混合流体比焓J/kg；ΔH为水合物的摩尔生成焓，J/mol；Mh为水合物摩尔分子质量，kg/mol；ρm为混合流体密度，kg/m3；vm为混合流体的流速，m/s；Qst表示管柱内的流体与周围环境之间的换热速率，J/(m·s)；s为位置，m；Ate为管柱有效截面积，m2；Rhf为水合物生成速率，kg/(m·s)；Rhi为为水合物的分解速率，kg/(m·s)；θ为井斜角，°；
由于不同井深处开采管柱结构的差异，Qst的计算会随着井深位置的不同而变化；
泥线以上井段—采气管柱：
Figure BDA0003845554730000042
泥线以上井段—采水管柱：
Figure BDA0003845554730000043
泥线以下井段—气液混输管段：
Figure BDA0003845554730000044
式中，rtgo、rtwo、rto分别是采气管柱、采水管柱和气液混输管柱的外径，m；Tsea是海水温度，℃；Utgo、Utwo、Uto分别是以采气管柱、采水管柱和气液混输管柱外表面为基准面的总传热系数，W/(m2.K)；Hd是井深，m；Hsea为水深，m；Tei为环境温度，℃；rtgi、rtwi、rti分别是采气、采水和气液混输管柱内径，m；ke是地层导热系数，W/(m.K)；TD是无因次温度。
根据本发明，优选的，步骤(2)中，水合物开采管柱内的流体在流动过程中主要受到重力、压差力、摩擦阻力等作用。依据动量守恒原理，考虑气体膨胀引起的气体体积分数变化和气水体积分数分布的变化等因素，得到水合物试采管柱中的压力场分布计算方程为：
Figure BDA0003845554730000051
式中：Pf为试采管柱内的流体压力，Pa；α为井斜角，rad；Fr为摩阻压降，Pa。
根据本发明，优选的，步骤(2)中，天然气水合物的相平衡温度和压力条件计算如下式所示：
Figure BDA0003845554730000052
其中：
Figure BDA0003845554730000053
式中，ΔTd是水合物抑制剂引起的水合物平衡降低温度，K，其可以由下式计算得到：
Figure BDA0003845554730000054
式中，Pe为水合物相平衡压力，Pa；x是水相中水合物抑制剂的摩尔分数，无量纲；xr是水相中水合物抑制剂的参考摩尔分数，无量纲；ΔTd,r是抑制剂摩尔分数为xr条件下引起的水合物平衡降低温度，K。
进一步优选的，步骤(2)中，不同管柱内的水合物二次生成风险由对比管柱温度和天然气水合物相平衡温度得到；结合井筒温度压力分布和水合物相平衡曲线的坐标转化，将产出流体组分条件下的天然气水合物相平衡温度—压力曲线转换为温度—深度曲线；当某一深度处井筒温度曲线上的温度小于水合物相平衡曲线上的温度时，说明该深度处井筒内的流体温度满足水合物二次生成条件，即存在水合物二次生成风险，水合物二次生成的判别式如下：
Pe＞Pf或Te＜Tf    (9)
Te为水合物相平衡温度，℃。
根据本发明，优选的，步骤(3)中，井筒中不同管柱采取不同的水合物二次生成防治措施，对于气水混输管段，当计算机终端处理结果表明井底的气液混输水平管段中存在水合物二次生成风险时，根据水合物二次生成防治要求计算得到防治水合物二次生成所需的水合物抑制剂浓度，浓度根据式(6)、(7)、(8)来确定，水合物抑制剂的浓度越大，水合物相平衡的温度越高、压力越低，抑制剂浓度要使水合物相平衡的温度高于流体温度或者压力低于流体压力，进而避免井筒中的水合物二次生成，注入量是和浓度相关联的，根据产出水的量乘以浓度就是抑制剂注入量，然后对位于水平管段末端的第三抑制剂注入点发出抑制剂注入指令，打开注入管线上的控制阀，进而有效防治气水混输管段中的水合物二次生成；
对于采水管柱，当计算机终端处理结果表明采水管柱中存在水合物二次生成风险时，需结合水溶液中可能已有的水合物抑制剂浓度大小，采水管柱中的水合物抑制剂浓度与气水混输管段的水合物抑制剂浓度相同，采水管柱中的水是从气水混输管段抽上去的，若第三抑制剂注入点没有注入水合物抑制剂，则采水管柱中的已有的水合物抑制剂浓度为0，若第三抑制剂注入点注入了水合物抑制剂，则采水管柱中的已有的水合物抑制剂浓度为气水混输管段的水合物抑制剂浓度；如果第三抑制剂注入点没有注入水合物抑制剂，计算机终端根据处理结果，控制采水管柱上第一电潜泵和第二电潜泵的工作功率来降低整个采水管柱中的压力，使管柱中的压力降低至水合物相平衡压力以下，进而防治其中的水合二次生成。同时，保持第一和第二电潜泵的输出功率一致，使第二电潜泵模块中的液面高度维持稳定并在第二电潜泵上方，进而保障采水管柱中的流体流动安全；若通过降低采水管柱的压力无法降至水合物相平衡压力以下，则需要在第三抑制剂注入点注入水合物抑制剂；如果第三抑制剂注入点已注入水合物抑制剂，那采水管柱中抑制剂浓度和气水混输管段一样，在此情况下，控制采水管柱上第一电潜泵和第二电潜泵的工作功率来降低整个采水管柱中的压力，使管柱中的压力降低至水合物相平衡压力以下，同时，保持第一和第二电潜泵的输出功率一致，使第二电潜泵模块中的液面高度维持稳定并在第二电潜泵上方，若通过电潜泵降压和已有的抑制剂浓度无法满足水合物防治要求，则需要在第三抑制剂注入点额外继续注入一定浓度的水合物抑制剂来避免水合物生成；
对于采气管柱，当计算机终端处理结果表明采气管柱中存在水合物二次生成风险时，对位于采气管柱底部的加热器发出加热指令提高采气管柱中的气体温度，加热后，根据水合物二次生成防治要求计算得到防治水合物二次生成所需的水合物抑制剂浓度，浓度根据式(6)、(7)、(8)来确定，对采气管柱上的第一抑制剂注入点和第二抑制剂注入点发出抑制剂注入指令，打开注入管线上的控制阀，第一注入点、第二注入点的注入流量无相互关系，第二注入点是为了防止采气管柱中的水合物二次生成，第一注入点则是为了稳定抑制剂浓度，避免产出流体进入平台上的管线后因节流降温导致的水合物生成风险；加热温度是越高越好，如果是能通过加热使得温度高于水合物相平衡温度以上是理想状态，但现场的加热装置一般都实现不了，所以结合加热和抑制剂注入来共同防止采气管柱中的水合物二次生成风险，先加热后，根据加热后的温度来确定抑制剂注入浓度和注入量，进而实现采气管柱中的水合物二次生成风险防治。
本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过实时监测现场不同位置处中的温度、压力及流量数据，结合井筒温压场计算模型和天然气水合物相平衡预测模型，可以实时预测全井筒中的水合物二次生成风险的动态变化，得到不同管柱中的可能存在水合物二次生成的具体位置，实现水合物二次生成风险的精准定位，监测更准，为不同管柱中的水合物二次生成高效防治奠定基础。
2、本发明针对的是海域天然气水合物开采，分为采气管柱和采水管柱，针对海域天然气水合物开采中不同管柱采取不同的水合物二次生成防治措施：对气水混输管段采取水合物抑制剂注入，对采气管柱采取水合物抑制剂注入+管柱底部加热的协同防治，对采水管柱采取双泵降压+抑制剂的协同防治，以此可以实现海域天然气水合物开采过程中水合物二次生成的安全高效防治，保障井筒多相流动安全。一方面，本发明能明显降低水合物抑制剂用量。另一方面，本发明能实时高效地防止试采井筒中的水合物二次生成，多种方法共同保障水合物开采井筒中的多相流动安全。
附图说明
图1海域天然气水合物降压开采水合物二次生成防治装置示意图；
图2第二电潜泵模块放大示意图；
图3井筒中水合物二次生成区域示意图；
图中：1、计算机终端；2、信号执行机构；3、水合物抑制剂储罐；4、水合物抑制剂注入泵；5、控制阀1；6、控制阀2；7、控制阀3；8、第一数据监测点；9、第一抑制剂注入点；10、采气管柱；11、加热器；12、防喷器；13、第二抑制剂注入点；14、第二数据监测点；15、采水管柱；16、第二电潜泵模块；17、第一电潜泵；18、套管；19、气水混输管段；20、第三抑制剂注入点；21、第三数据监测点；22、第二电潜泵；23、储水管段；24、采水管柱下半段；25、采水管柱上半段。26、海平面；27、海水、28、海底浅层；29、水合物储层。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置，结构如图1所示，包括采气管柱、采水管柱、气水混输管段、数据采集处理装置和反应控制装置，所述采气管柱、采水管柱末端与气水混输管段顶端连接，气水混输管段位于水合物储层，所述采气管柱和采水管柱分别采出储层中天然气水合物分解产生的气体和水；
所述的数据采集处理装置包括第一数据监测点、第二数据监测点、第三数据监测点、计算机终端；所述第一数据监测点位于采气管柱顶端，采集采气管柱顶端的温度、压力及气流量；所述第二数据监测点位于采水管柱顶端，采集采水管柱顶端的温度、压力及水流量；所述第三数据监测点位于气水混输管段末端，采集井底的温度、压力；所述计算机终端接收并处理第一数据监测点、第二数据监测点和第三数据监测点采集到的温度、压力及流量数据；
所述的反应控制装置包括：信号执行机构、水合物抑制剂储罐、水合物抑制剂注入泵、第一抑制剂注入点、第二抑制剂注入点、第三抑制剂注入点、第一电潜泵、第二电潜泵、加热器；所述信号执行机构一端与计算机终端，另一端与水合物抑制剂注入泵连接；所述水合物抑制剂注入泵通过注入管线分别与第一抑制剂注入点、第二抑制剂注入点、第三抑制剂注入点相连，每条注入管线上设置控制阀；所述第一抑制剂注入点位于采气管柱顶端，第二抑制剂注入点位于采气管柱底端，第三抑制剂注入点位于气水混输管段末端；所述第一电潜泵位于采水管柱底端，第二电潜泵位于采水管柱中部；所述加热器位于采气管柱底部。
利用上述海域天然气水合物降压开采水合物二次生成防治装置的防治方法为，三个数据采集点分别安装在采气管柱顶端、采水管柱顶端及气水混输管段末端，采集不同位置处的温度、压力及流量数据；不同数据采集点均与计算机终端连接，且采集的数据实时传输到计算机终端；计算机终端根据不同数据采集点采集到的数据的分析处理，向信号执行机构发送指令来控制不同水合物抑制剂注入点的抑制剂注入速率，并控制采气管柱中加热器和采水管柱中不同电潜泵的功率大小，以此防治采气和采水管柱中的水合物二次生成。
实施例2：
一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置，其装置如实施例1所述，所不同的是，采水管柱、采气管柱与气水混输管段连接处设有套管，第一电潜泵位于套管内，采气管柱末端设有防喷器。
实施例3：
一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置，其装置如实施例1所述，所不同的是，采水管柱中部设有储水管段，如图2所示，采水管柱在中部分为采水管柱上半段和采水管柱下半段，采水管柱上半段末端与采水管柱下半段顶端位于储水管段内，第二电潜泵位于采水管柱上半段末端。
实施例4：
一种利用实施例1所述海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，包括步骤如下：
(1)不同位置数据实时监测
通过采气管柱顶端的第一数据监测点、采水管柱顶端的第二数据监测点和气水混输管段末端的第三数据监测点监测不同位置处的温度、压力及流量数据，且采集到的数据实时传输到计算机终端；
(2)全井筒水合物二次生成风险分析
计算机终端根据接收到的不同位置处的温度、压力及流量数据，实时计算得到整个井筒中的温度和压力分布情况；结合天然气水合物相平衡计算结果，判断不同位置处是否发生水合物二次生成，进而分析得到全井筒中的水合物二次生成风险，为不同管柱中的水合物二次生成防治提供基础；
海域天然气水合物开采井筒外的地层/海水存在明显的温度梯度，管柱内流体与外界环境间存在温度差，且不同位置处的管柱结构存在差异，故设定开采管柱内的流体流动和外界环境存在不同的传热过程：①泥线以下井段—气液混输管段：气液混输管柱内流体与外界地层之间的传热；②泥线以上井段—采气管柱：采气管柱内流体与外界海水之间的传热；③泥线以上井段—采水管柱：采水管柱内流体与外界海水之间的传热，泥线为海底(也就是海水和海底浅层的分界线)；针对海域天然气水合物降压开采管柱结构特点，考虑水合物相变对温度变化的影响，基于能量守恒原理，得到开采井筒的温度分布计算如下：
Figure BDA0003845554730000091
式中：Cpm为混合流体的定压比热容，J/(kg·℃)；Tf为流体温度，℃；H为混合流体比焓J/kg；ΔH为水合物的摩尔生成焓，J/mol；Mh为水合物摩尔分子质量，kg/mol；ρm为混合流体密度，kg/m3；vm为混合流体的流速，m/s；Qst表示管柱内的流体与周围环境之间的换热速率，J/(m·s)；s为位置，m；Ate为管柱有效截面积，m2；Rhf为水合物生成速率，kg/(m·s)；Rhi为为水合物的分解速率，kg/(m·s)；θ为井斜角，°；
由于不同井深处开采管柱结构的差异，Qst的计算会随着井深位置的不同而变化；
泥线以上井段—采气管柱：
Figure BDA0003845554730000101
泥线以上井段—采水管柱：
Figure BDA0003845554730000102
泥线以下井段—气液混输管段：
Figure BDA0003845554730000103
式中，rtgo、rtwo、rto分别是采气管柱、采水管柱和气液混输管柱的外径，m；Tsea是海水温度，℃；Utgo、Utwo、Uto分别是以采气管柱、采水管柱和气液混输管柱外表面为基准面的总传热系数，W/(m2.K)；Hd是井深，m；Hsea为水深，m；Tei为环境温度，℃；rtgi、rtwi、rti分别是采气、采水和气液混输管柱内径，m；ke是地层导热系数，W/(m.K)；TD是无因次温度。
根据本发明，优选的，步骤(2)中，水合物开采管柱内的流体在流动过程中主要受到重力、压差力、摩擦阻力等作用。依据动量守恒原理，考虑气体膨胀引起的气体体积分数变化和气水体积分数分布的变化等因素，得到水合物试采管柱中的压力场分布计算方程为：
Figure BDA0003845554730000104
式中：Pf为试采管柱内的流体压力，Pa；α为井斜角，rad；Fr为摩阻压降，Pa。
根据本发明，优选的，步骤(2)中，天然气水合物的相平衡温度和压力条件计算如下式所示：
Figure BDA0003845554730000105
其中：
Figure BDA0003845554730000111
式中，ΔTd是水合物抑制剂引起的水合物平衡降低温度，K，其可以由下式计算得到：
Figure BDA0003845554730000112
式中，Pe为水合物相平衡压力，Pa；x是水相中水合物抑制剂的摩尔分数，无量纲；xr是水相中水合物抑制剂的参考摩尔分数，无量纲；ΔTd,r是抑制剂摩尔分数为xr条件下引起的水合物平衡降低温度，K。
进一步优选的，步骤(2)中，不同管柱内的水合物二次生成风险由对比管柱温度和天然气水合物相平衡温度得到；结合井筒温度压力分布和水合物相平衡曲线的坐标转化，将产出流体组分条件下的天然气水合物相平衡温度—压力曲线转换为温度—深度曲线；当某一深度处井筒温度曲线上的温度小于水合物相平衡曲线上的温度时，说明该深度处井筒内的流体温度满足水合物二次生成条件，即存在水合物二次生成风险，水合物二次生成的判别式如下：
Pe＞Pf或Te＜Tf    (9)
Te为水合物相平衡温度，℃。
因此，当水合物相平衡曲线在井筒温度曲线右侧时，两者交叉的区域即为水合物二次生成区域，如图3所示。同时，水合物相平衡曲线与井筒温度曲线交叉的区域在纵向上长度越长，说明开采井筒内的水合物二次生成区域越大；该区域在横向上的宽度越宽，说明水合物二次生成的过冷度越大，这意味着越容易发生水合物二次生成。据此可以确定不同管柱中的水合物二次生成风险大小。
(3)不同管柱中水合物二次生成防治反应
根据计算得到的不同管柱中的水合物二次生成风险情况，计算机终端发送水合物二次生成防治指令，对不同管柱采取相应的水合物二次生成防治措施；气水混输管段中的水合物二次生成防治措施为抑制剂注入，采气管柱中的水合物二次生成防治措施为抑制剂注入+管柱底部加热协同防治，采水管柱中的水合物二次生成为双泵降压+抑制剂协同防治；以此可以保障整个海域天然气水合物开采井筒中的多相流动安全。
井筒中不同管柱采取不同的水合物二次生成防治措施，对于气水混输管段，当计算机终端处理结果表明井底的气液混输水平管段中存在水合物二次生成风险时，根据水合物二次生成防治要求计算得到防治水合物二次生成所需的水合物抑制剂浓度，浓度根据式(6)、(7)、(8)来确定，水合物抑制剂的浓度越大，水合物相平衡的温度越高、压力越低，抑制剂浓度要使水合物相平衡的温度高于流体温度或者压力低于流体压力，进而避免井筒中的水合物二次生成，注入量是和浓度相关联的，根据产出水的量乘以浓度就是抑制剂注入量，然后对位于水平管段末端的第三抑制剂注入点发出抑制剂注入指令，打开注入管线上的控制阀，进而有效防治气水混输管段中的水合物二次生成；
对于采水管柱，当计算机终端处理结果表明采水管柱中存在水合物二次生成风险时，需结合水溶液中可能已有的水合物抑制剂浓度大小，采水管柱中的水合物抑制剂浓度与气水混输管段的水合物抑制剂浓度相同，采水管柱中的水是从气水混输管段抽上去的，若第三抑制剂注入点没有注入水合物抑制剂，则采水管柱中的已有的水合物抑制剂浓度为0，若第三抑制剂注入点注入了水合物抑制剂，则采水管柱中的已有的水合物抑制剂浓度为气水混输管段的水合物抑制剂浓度；如果第三抑制剂注入点没有注入水合物抑制剂，计算机终端根据处理结果，控制采水管柱上第一电潜泵和第二电潜泵的工作功率来降低整个采水管柱中的压力，使管柱中的压力降低至水合物相平衡压力以下，进而防治其中的水合二次生成。同时，保持第一和第二电潜泵的输出功率一致，使第二电潜泵模块中的液面高度维持稳定并在第二电潜泵上方(整个采水管柱中都是水，此处的液面是指图2中的储水管段中的液面，该液面在第二电潜泵上方即可，避免电潜泵空转)，进而保障采水管柱中的流体流动安全；若通过降低采水管柱的压力无法降至水合物相平衡压力以下，则需要在第三抑制剂注入点注入水合物抑制剂；如果第三抑制剂注入点已注入水合物抑制剂，那采水管柱中抑制剂浓度和气水混输管段一样，在此情况下，控制采水管柱上第一电潜泵和第二电潜泵的工作功率来降低整个采水管柱中的压力，使管柱中的压力降低至水合物相平衡压力以下，同时，保持第一和第二电潜泵的输出功率一致，使第二电潜泵模块中的液面高度维持稳定并在第二电潜泵上方，若通过电潜泵降压和已有的抑制剂浓度无法满足水合物防治要求，则需要在第三抑制剂注入点额外继续注入一定浓度的水合物抑制剂来避免水合物生成；
如果气水混输管段的底部(第三抑制剂注入点)没有注入抑制剂，那采水管柱中抑制剂浓度为零，此时若是只通过电潜泵降压就能满足水合物防治要求，则不需要从第三抑制剂注入点注入水合物抑制剂，否则就需要在第三抑制剂注入点额外注入一定浓度的水合物抑制剂来避免水合物生成；如果气水混输管段的底部(第三抑制剂注入点)注入了抑制剂，那采水管柱中抑制剂浓度和气水混输管段一样，在此情况下，若是通过电潜泵降压和已有的抑制剂浓度就能满足水合物防治要求，则不需要从第三抑制剂注入点注入水合物抑制剂，否则就需要在第三抑制剂注入点额外注入一定浓度的水合物抑制剂来避免水合物生成。已存在的抑制剂浓度对降压要求就要低一点，因为水中存在抑制剂可以使得满足水合物生成需要的压力更高，也就是水合物更难生成。
对于采气管柱，当计算机终端处理结果表明采气管柱中存在水合物二次生成风险时，对位于采气管柱底部的加热器发出加热指令提高采气管柱中的气体温度，加热后，根据水合物二次生成防治要求计算得到防治水合物二次生成所需的水合物抑制剂浓度，浓度根据式(6)、(7)、(8)来确定，对采气管柱上的第一抑制剂注入点和第二抑制剂注入点发出抑制剂注入指令，打开注入管线上的控制阀，第一注入点、第二注入点的注入流量无相互关系，第二注入点是为了防止采气管柱中的水合物二次生成，第一注入点则是为了稳定抑制剂浓度，避免产出流体进入平台上的管线后因节流降温导致的水合物生成风险；加热温度是越高越好，如果是能通过加热使得温度高于水合物相平衡温度以上是理想状态，但现场的加热装置一般都实现不了，所以结合加热和抑制剂注入来共同防止采气管柱中的水合物二次生成风险，先加热后，根据加热后的温度来确定抑制剂注入浓度和注入量，进而实现采气管柱中的水合物二次生成风险防治。

Claims (10)

1.一种海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置，其特征在于，包括采气管柱、采水管柱、气水混输管段、数据采集处理装置和反应控制装置，所述采气管柱、采水管柱末端与气水混输管段顶端连接，气水混输管段位于水合物储层，所述采气管柱和采水管柱分别采出储层中天然气水合物分解产生的气体和水；
所述的数据采集处理装置包括第一数据监测点、第二数据监测点、第三数据监测点、计算机终端；所述第一数据监测点位于采气管柱顶端，采集采气管柱顶端的温度、压力及气流量；所述第二数据监测点位于采水管柱顶端，采集采水管柱顶端的温度、压力及水流量；所述第三数据监测点位于气水混输管段末端，采集井底的温度、压力；所述计算机终端接收并处理第一数据监测点、第二数据监测点和第三数据监测点采集到的温度、压力及流量数据；
所述的反应控制装置包括：信号执行机构、水合物抑制剂储罐、水合物抑制剂注入泵、第一抑制剂注入点、第二抑制剂注入点、第三抑制剂注入点、第一电潜泵、第二电潜泵、加热器；所述信号执行机构一端与计算机终端连接，另一端与水合物抑制剂注入泵连接；所述水合物抑制剂注入泵通过注入管线分别与第一抑制剂注入点、第二抑制剂注入点、第三抑制剂注入点相连，每条注入管线上设置控制阀；所述第一抑制剂注入点位于采气管柱顶端，第二抑制剂注入点位于采气管柱底端，第三抑制剂注入点位于气水混输管段末端；所述第一电潜泵位于采水管柱底端，第二电潜泵位于采水管柱中部；所述加热器位于采气管柱底部。
2.根据权利要求1所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置，其特征在于，采水管柱、采气管柱与气水混输管段连接处设有套管，第一电潜泵位于套管内，采气管柱末端设有防喷器。
3.根据权利要求1所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置，其特征在于，采水管柱中部设有储水管段，采水管柱在中部分为采水管柱上半段和采水管柱下半段，采水管柱上半段末端与采水管柱下半段顶端位于储水管段内，第二电潜泵位于采水管柱上半段末端。
4.一种利用权利要求1-3任意一项权利要求所述海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，其特征在于，包括步骤如下：
三个数据监测点分别安装在采气管柱顶端、采水管柱顶端及气水混输管段末端，采集不同位置处的温度、压力及流量数据；不同数据监测点均与计算机终端连接，且采集的数据实时传输到计算机终端；计算机终端根据不同数据监测点采集到的数据的分析处理，向信号执行机构发送指令来控制不同水合物抑制剂注入点的抑制剂注入速率，并控制采气管柱中加热器和采水管柱中不同电潜泵的功率大小，以此防治采气和采水管柱中的水合物二次生成。
5.根据权利要求4所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)不同位置数据实时监测
通过采气管柱顶端的第一数据监测点、采水管柱顶端的第二数据监测点和气水混输管段末端的第三数据监测点监测不同位置处的温度、压力及流量数据，且采集到的数据实时传输到计算机终端；
(2)全井筒水合物二次生成风险分析
计算机终端根据接收到的不同位置处的温度、压力及流量数据，实时计算得到整个井筒中的温度和压力分布情况；结合天然气水合物相平衡计算结果，判断不同位置处是否发生水合物二次生成，进而得到全井筒中的水合物二次生成风险；
(3)不同管柱中水合物二次生成防治反应
根据计算得到的不同管柱中的水合物二次生成风险情况，计算机终端发送水合物二次生成防治指令，对不同管柱采取相应的水合物二次生成防治措施；气水混输管段中的水合物二次生成防治措施为抑制剂注入，采气管柱中的水合物二次生成防治措施为抑制剂注入+管柱底部加热协同防治，采水管柱中的水合物二次生成为双泵降压+抑制剂协同防治。
6.根据权利要求5所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，其特征在于，步骤(2)中，设定开采管柱内的流体流动和外界环境存在不同的传热过程：①泥线以下井段—气液混输管段：气液混输管柱内流体与外界地层之间的传热；②泥线以上井段—采气管柱：采气管柱内流体与外界海水之间的传热；③泥线以上井段—采水管柱：采水管柱内流体与外界海水之间的传热，泥线为海水和海底浅层的分界线，开采井筒的温度分布计算如下：
式中：Cpm为混合流体的定压比热容，J/(kg·℃)；Tf为流体温度，℃；H为混合流体比焓J/kg；ΔH为水合物的摩尔生成焓，J/mol；Mh为水合物摩尔分子质量，kg/mol；ρm为混合流体密度，kg/m3；vm为混合流体的流速，m/s；Qst表示管柱内的流体与周围环境之间的换热速率，J/(m·s)；s为位置，m；Ate为管柱有效截面积，m2；Rhf为水合物生成速率，kg/(m·s)；Rhi为为水合物的分解速率，kg/(m·s)；θ为井斜角，°；
由于不同井深处开采管柱结构的差异，Qst的计算随着井深位置的不同而变化；
泥线以上井段—采气管柱：
泥线以上井段—采水管柱：
泥线以下井段—气液混输管段：
式中，rtgo、rtwo、rto分别是采气管柱、采水管柱和气液混输管柱的外径，m；Tsea是海水温度，℃；Utgo、Utwo、Uto分别是以采气管柱、采水管柱和气液混输管柱外表面为基准面的总传热系数，W/(m2.K)；Hd是井深，m；Hsea为水深，m；Tei为环境温度，℃；rtgi、rtwi、rti分别是采气、采水和气液混输管柱内径，m；ke是地层导热系数，W/(m.K)；TD是无因次温度。
7.根据权利要求6所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，其特征在于，步骤(2)中，水合物试采管柱中的压力场分布计算方程为：
式中：Pf为试采管柱内的流体压力，Pa；α为井斜角，rad；Fr为摩阻压降，Pa。
8.根据权利要求7所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，其特征在于，步骤(2)中，天然气水合物的相平衡温度和压力条件计算如下式所示：
其中：
式中，ΔTd是水合物抑制剂引起的水合物平衡降低温度，K，其由下式计算得到：
式中，Pe为水合物相平衡压力，Pa；x是水相中水合物抑制剂的摩尔分数，无量纲；xr是水相中水合物抑制剂的参考摩尔分数，无量纲；ΔTd,r是抑制剂摩尔分数为xr条件下引起的水合物平衡降低温度，K。
9.根据权利要求8所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，其特征在于，步骤(2)中，不同管柱内的水合物二次生成风险由对比管柱温度和天然气水合物相平衡温度得到；结合井筒温度压力分布和水合物相平衡曲线的坐标转化，将产出流体组分条件下的天然气水合物相平衡温度—压力曲线转换为温度—深度曲线；当某一深度处井筒温度曲线上的温度小于水合物相平衡曲线上的温度时，说明该深度处井筒内的流体温度满足水合物二次生成条件，即存在水合物二次生成风险，水合物二次生成的判别式如下：
Pe＞Pf或Te＜Tf(9)
Te为水合物相平衡温度，℃。
10.根据权利要求9所述的海域天然气水合物降压开采井筒中水合物二次生成防治装置的防治方法，其特征在于，步骤(3)中，井筒中不同管柱采取不同的水合物二次生成防治措施，对于气水混输管段，当计算机终端处理结果表明井底的气液混输水平管段中存在水合物二次生成风险时，根据水合物二次生成防治要求计算得到防治水合物二次生成所需的水合物抑制剂浓度，浓度根据式(6)、(7)、(8)来确定，水合物抑制剂的浓度越大，水合物相平衡的温度越高、压力越低，抑制剂浓度要使水合物相平衡的温度高于流体温度或者压力低于流体压力，根据产出水的量乘以浓度就是抑制剂注入量，然后对位于水平管段末端的第三抑制剂注入点发出抑制剂注入指令，打开注入管线上的控制阀；
对于采水管柱，当计算机终端处理结果表明采水管柱中存在水合物二次生成风险时，需结合水溶液中已有的水合物抑制剂浓度大小，采水管柱中的水合物抑制剂浓度与气水混输管段的水合物抑制剂浓度相同，若第三抑制剂注入点没有注入水合物抑制剂，则采水管柱中的已有的水合物抑制剂浓度为0，若第三抑制剂注入点注入了水合物抑制剂，则采水管柱中的已有的水合物抑制剂浓度为气水混输管段的水合物抑制剂浓度；如果第三抑制剂注入点没有注入水合物抑制剂，计算机终端根据处理结果，控制采水管柱上第一电潜泵和第二电潜泵的工作功率来降低整个采水管柱中的压力，使管柱中的压力降低至水合物相平衡压力以下，保持第一和第二电潜泵的输出功率一致，使第二电潜泵模块中的液面高度维持稳定并在第二电潜泵上方，若通过降低采水管柱的压力无法降至水合物相平衡压力以下，则需要在第三抑制剂注入点注入水合物抑制剂；如果第三抑制剂注入点已注入水合物抑制剂，控制采水管柱上第一电潜泵和第二电潜泵的工作功率来降低整个采水管柱中的压力，使管柱中的压力降低至水合物相平衡压力以下，保持第一和第二电潜泵的输出功率一致，使第二电潜泵模块中的液面高度维持稳定并在第二电潜泵上方，若通过电潜泵降压和已有的抑制剂浓度无法满足水合物防治要求，则需要在第三抑制剂注入点继续注入水合物抑制剂；
对于采气管柱，当计算机终端处理结果表明采气管柱中存在水合物二次生成风险时，对位于采气管柱底部的加热器发出加热指令提高采气管柱中的气体温度，加热后，根据水合物二次生成防治要求计算得到防治水合物二次生成所需的水合物抑制剂浓度，浓度根据式(6)、(7)、(8)来确定，对采气管柱上的第一抑制剂注入点和第二抑制剂注入点发出抑制剂注入指令，打开注入管线上的控制阀。
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