一种深水浅层气测试过程中天然气水合物预防装置及预防方法

本发明涉及一种深水浅层气测试过程中天然气水合物预防装置及预防方法，属于海洋油气资源开发领域。

背景技术：

1、随着我国经济快速发展对油气资源的需求逐年增加，我国油气安全自给面临严峻的挑战。我国拥有广袤的海洋国土面积，其中存在十分丰富的油气资源，是解决我国油气资源供给安全问题的重要领域。海洋油气资源勘探数据表明，深水浅部地层存在储量丰富的浅层气资源。近年来，学者们正在积极探索深水浅层气开采的有效方法。测试是深水浅层气钻采必不可少的重要过程，是评估深水浅层气储层和开采价值的关键。由于深水环境下测试管柱中面临低温高压条件，有的甚至在浅层气层位就满足水合物生成的温度和压力条件，致使深水浅层气测试过程中会面临严峻的天然气水合物生成风险。深水浅层气测试过程中一旦发生天然气水合物生成，会引发水合物堵塞浅层气测试流动通道，致使浅层气测试过程中断，而消除深水测试管柱中的水合物堵塞是一个十分耗时、低效且高成本的过程。因此，有必要对深水浅层气测试过程中的天然气水合物生成采取预防措施，避免测试管柱中的水合物生成问题。

2、目前，在油气开采和输送工程中常用的天然气水合物预防方法主要有化学药剂注入法、加热法和降压法。化学药剂法是通过安装在管柱上的注入阀向管柱内注入所需的水合物抑制剂来防止水合物堵塞问题，根据抑制剂功能的不同可以分为热力学抑制剂、动力学抑制剂和防聚剂，其中热力学抑制剂应用最为广泛且水合物预防效果最好。热力学抑制剂是通过提高水合物生成所需要的温度和降低压力来使井筒中不满足水合物生成条件。加热法和降压法分别是通过加热升温和降压来使得管柱内温度和压力脱离水合物生成条件，以此达到水合物预防的效果，但鉴于加热效果欠佳和降压可行性的限制，导致这两种水合物预防方法的应用范围受限，目前只是在现场部分工况得到小范围应用。

3、对于深水浅层气测试而言，鉴于浅层气产量较低，为了提高浅层气测试产量现场会采取水平井开采方式，且在测试时中并未下入完整的生产套管，在井段底部中会具有一定长度的裸眼段。鉴于深水浅部地层温度和压力分布特性，极易满足水合物生成的温度和压力条件，即使在水平裸眼井段也可能存在水合物生成风险。而采用传统的化学药剂注入方式注入的化学药剂只能是作用于抑制剂注入点以上井段的测试管柱中，对于裸眼井段的水合物预防无法适用，这会导致采用传统的水合物抑制剂注入方法时深水浅层气测试管柱中依然存在天然气水合物生成风险，严重威胁着深水浅层气测试流动安全。

4、由上可见，目前尚缺乏一种针对深水浅层气测试的天然气水合物生成有效预防方法，这也是制约深水浅层气安全高效开采的关键难点。为此，提出本发明。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，尤其是现有化学药剂注入方式无法适用于深水浅层气测试过程的难题，本发明提出了一种适用于深水浅层气测试过程中天然气水合物预防装置及方法。由于深水浅部地层浅层气的产量无法达到深部储气层的产量那么高，针对深水浅层气测试方式和特点，提出了可以通过向测试管柱内添加连续油管来向井底注入水合物抑制剂的方法，形成了深水浅层气测试过程中天然气水合物预防装置及方法，从而在保证不影响浅层气测试产量的前提下可以实现整个井段中的天然气水合物高效预防，为深水浅层气测试过程中的多相流动安全提供技术支撑。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种深水浅层气测试过程中天然气水合物预防装置，装置包括数据监测和传输装置、数据处理和响应装置、水合物抑制剂注入装置；

4、数据监测和传输装置包括测试管柱、井口压力监测点、井口温度监测点、井口流量监测点、监测数据传输光纤；测试管柱中产出浅层气储层中流出的天然气、水和注入的水合物抑制剂；井口压力监测点、井口温度监测点、井口流量监测点位于测试管柱的井口端，采集测试管柱井口处的压力、温度和流体流量；监测数据传输光纤两端分别与井口压力监测点、井口温度监测点、井口流量监测点和计算机相连，将监测到的压力、温度和流量数据实时传输到计算机；

5、数据处理和响应装置包括计算机、指令传输光纤、信号接收和执行系统；计算机接收在井口处监测到的压力、温度和流量数据，通过安装在计算机上的计算程序计算测试管柱中的压力、温度分布情况，进而依次得到井筒中的水合物生成风险和防止水合物生成所需的抑制剂注入参数(包括抑制剂浓度、注入速率、压力)，然后将其通过指令传输光纤传输给信号接收和执行系统；所述指令传输光纤两端分别与计算机、信号接收和执行系统相连，负责接收来自计算机输出的抑制剂注入指令，并传输给信号接收和执行系统；所述信号接收和执行系统接收指令传输光纤传输的抑制剂注入指令，控制水合物抑制剂注入泵1和水合物抑制剂注入泵2的启停和功率大小，实现水合物抑制剂注入的实时控制和调整；

6、水合物抑制剂注入装置包括水合物抑制剂注入泵1、水合物抑制剂注入泵2、水合物抑制剂储罐、阀门1、阀门2、水合物抑制剂注入管线1、水合物抑制剂注入管线2、井口水合物抑制剂注入点、井下水合物抑制剂注入点、连续油管、连续油管末端的水合物抑制剂注入点；所述水合物抑制剂注入泵1和水合物抑制剂注入泵2接收来自信号接收和执行系统的水合物抑制剂注入指令，将水合物抑制剂储罐中的水合物抑制经过水合物抑制剂注入管线1和水合物抑制剂注入管线2分别注入井口水合物抑制剂注入点和井下水合物抑制剂注入点；所述井口水合物抑制剂注入点位于连续油管的井口端，经由此处注入的水合物抑制剂从井口注入连续油管，并经过连续油管末端的水合物抑制剂注入点进入测试管柱和连续油管间的环空中，进而达到预防井底段管柱中水合物生成的目的；所述井下水合物抑制剂注入点位于测试管柱上安装的抑制剂注入最大下深处，经由此处注入的水合物抑制剂直接进入测试管柱和连续油管间的环空，和经由连续油管注入的水合物抑制剂一起预防该注入点以上井段管柱中的水合物生成。

7、优选的，井口压力监测点、井口温度监测点位于井口流量监测点之前，以此确保所测压力和温度是井口处实际值，以计算获得更加准确的井筒压力和温度分布情况。

8、优选的，测试管柱包括相连接的竖直段和水平段，井下水合物抑制剂注入点位于竖直段与水平段的弯管连接处，在竖直段底部、水平段起始部。

9、进一步优选的，测试管柱的竖直段外部建筑有固井水泥环，固井水泥环设置在浅层气储层部分，固井水泥环上方测试管柱竖直段的外部设置隔水管，固井水泥环与隔水管之间设有防喷器；测试管柱的水平段位于海底浅层。

10、优选的，连续油管的内管直径大于水合物抑制剂注入管线1、水合物抑制剂注入管线2的内径。

11、与针对海域天然气水合物降压开采过程中的水合物防治不同，开采过程情况下的管柱结构更为完善，生产管柱是下到整个井段的(包括井底水平段)，降压开采井筒主要分为气水混输管柱、采气管柱和排水管柱三部分，三部分管柱的底部均设计了水合物抑制剂注入点，抑制剂注入点包括井底、采气管柱底部和排水管柱底部三个地方；而本技术是针对深水浅层气测试过程，是钻井完成后的阶段，井筒结构并未完善，该情况下井底一定长度的井段(包括水平段)是裸眼段(即没有下入管柱、缺乏管柱结构)，用开采过程的方法是没法从井底注入水合物抑制剂的，设计通过连续油管来向井底注入水合物抑制剂，抑制剂注入点包括连续油管底部(即井底)和下入管柱的底部(该点是开采过程方法可注抑制剂的最深点)，其中从连续油管注入的过程为：在钻井平台上将水合物抑制剂从井口的连续油管顶端注入，经由连续油管到达连续油管的底部后到达井底，进而实现裸眼井段的水合物防治。设计连续油管注入抑制剂的优点在于：①井口所需的注入压力小(抑制剂的重力作用)；②连续油管尺寸比以往的抑制剂注入管线尺寸大，易满足抑制剂大量注入情况的需求；③可以实现整个井段的水合物预防。

12、由于适用环境不同，具体的实时抑制剂注入参数是不一样的。利用上述装置，本发明提出一种深水浅层气测试过程中天然气水合物预防方法，包括步骤如下：

13、(1)水合物抑制剂注入参数计算

14、在得到测试管柱中温压场分布的基础上，通过和天然气水合物相平衡条件进行对比来确定测试管柱中天然气水合物生成风险情况，计算不同水合物抑制剂浓度条件下的水合物生成区域来得到预防水合物生成所需的最小抑制剂浓度，进而计算得到水合物抑制剂注入的速率、压力参数，以此预防测试管柱中的天然气水合物生成；

15、(2)水合物抑制剂注入实时调控

16、在实时监测井口产出流体的温度、压力及流量数据的基础上，实时更新测试管柱中水合物生成风险变化情况，进而实时更新防止测试管柱中水合物生成所需的抑制剂浓度、注入速率、注入压力参数，实现水合物抑制剂注入的实时调控，以此可以保障深水浅层气测试过程中的多相流动安全。

17、根据本发明，优选的，步骤(1)中，测试管柱中的水合物生成需要具备一定的温度和压力条件，水合物的相平衡条件指的是水合物生成时的临界温度和压力。基于实时监测井口产出流体的温度、压力及流量等数据，通过计算机可以实时计算不同工况下测试管柱中的温度和压力动态分布情况，进而为水合物生成风险预测和水合物抑制剂注入参数的确定提供基础。

18、在某一特定的条件下测试管柱内天然气温度低于水合物生成的临界温度或压力高于水合物生成的临界压力时，管柱内就会存在水合物生成风险。水合物生成的临界温度、压力和天然气组分、矿化度、抑制剂含量等因素有关。水合物相平衡温度和压力条件可以由下式计算得到：

19、

20、式中，δμ0为标准状态下空水合物晶格和纯水中水的化学位差；t0和p0分别为标准状态下的温度和压力；t为系统温度，℃；p为系统压力，pa；r为气体体积常数，8.31j/(mol·k)；t0＝273.15k，p0＝0；δh0、δv、δcp分别是空水合物晶格和纯水的比焓差、比容差和比热容差；若加入抑制剂，xw、yw分别为富水相中水的摩尔分数和活度系数；νi为水合物相中单位水分子中i型孔穴数目，θij为为客体分子j在i型孔穴中的占有分率，i为孔穴数目，j为客体分子；

21、根据井筒的温度分布曲线及水合物相平衡曲线确定该条件下井筒中的水合物生成区域；在同一坐标系下画出井筒温度分布曲线以及水合物相平衡曲线，在某一深度下，若水合物生成临界温度高于此深度下的井筒温度则说明此深度处有水合物生成，相反，若水合物生成临界温度低于此深度下的井筒温度则说明此深度处没有水合物生成；由这两条曲线相交的区域就是井筒内的水合物生成区域，据此可得到井筒中的水合物生成风险；

22、根据上述判断得到的井筒中的水合物生成风险，结合不同浓度抑制剂条件下的天然气水合物相平衡条件，采用完全抑制水合物生成的方法，可以得到防止井筒中水合物生成所需要的水合物抑制剂最小浓度；水合物抑制剂最小浓度确定具体为：①选择所需的水合物抑制剂(盐/醇类抑制剂)，初选水合物抑制剂的浓度，根据产出天然气的成分及抑制剂浓度，由公式(1)计算水合物生成的相平衡条件；②根据井筒的温度分布曲线及抑制剂条件下的水合物相平衡曲线确定该条件下的水合物生成风险；③调整水合物抑制剂浓度，使井筒内水合物生成区域恰好为零，此时的浓度就是防止水合物生成的抑制剂最小浓度；而测试过程中所需的水合物抑制剂浓度为：

23、w≥wm  (2)

24、式中，w—所需水合物抑制剂的质量浓度，％；wm—所需水合物抑制剂的最小质量浓度，％；

25、在得到所需水合物抑制剂浓度的基础上，结合测试过程中的产气量、含水率等参数就可得出所需水合物抑制剂量注入速率：

26、m＝vgnwρ水w  (3)

27、式中，vg—气井产气量，万方/天；nw—气井产出气体含水率，方/万方；w—所需抑制剂的质量浓度，％；ρ水—水的密度，g/cm3；m—所需水合物抑制剂注入速率，kg/d；

28、在得到所需要的水合物抑制剂注入速率后，平台上的注入泵将抑制剂通过化学药剂注入管线泵入到井筒中。在不同测试工况下，井筒中的压力分布会发生显著变化，这会导致井口所需的水合物抑制剂注入压力明显不同。因此，需要根据实际操作时注入点处井筒中的压力来计算井口化学注入泵的注入压力；

29、在水合物抑制剂注入过程中，平台上抑制剂注入泵的最低注入压力计算如下：

30、pzm≥pz+δpf+δpj-δph  (4)

31、式中，pzm—注入泵的最小注入压力，pa；pz—注入点的井筒内压力，pa；δpf—沿程摩阻压降，pa；δpj—注入点的局部压力损失，pa；δph—水合物抑制剂的静液柱压力，pa；

32、沿程摩阻压降δpf与摩擦系数、水合物抑制剂注入速度等相关，可以由下式计算得到：

33、

34、式中，λ—连续油管内壁的摩阻系数；ρ—水合物抑制剂密度，kg/m3；v—抑制剂注入速度，m/s；d—连续油管内径，m；h—水合物抑制剂注入位置，m；

35、水合物抑制剂的静液柱压力δph与水合物抑制剂的注入位置相关，可以由下式计算得到：

36、δph＝ρgh  (6)

37、式中，ρ—水合物抑制剂密度，kg/m3；g——重力加速度，g＝9.8n/kg；h—水合物抑制剂注入位置，m。

38、根据本发明，优选的，步骤(2)中，由于深水浅层气测试过程中面临测试产气量、产水量、温度、压力变化及关井等不同工况，不同工况下井筒中水合物生区域会随之变化，这意味着为了有效防止井筒中水合物生成所需的抑制剂浓度、注入速率、注入压力等参数均需随之变化。同时，井口和井下水合物抑制剂注入点所需的水合物抑制剂注入参数随之变化。(即循环重复步骤1，重复计算抑制剂浓度、注入速率、注入压力，数据监测和传输装置中的各监测点以设定频率更新监测数据，数据处理和响应装置中的计算机以设定频率重复步骤(1)计算抑制剂浓度、注入速率、注入压力参数；监测点的更新频率≥10s时，计算机的计算频率与监测点更新频率一致；监测点的更新频率＜10s时，计算机的计算频率为每10s返回步骤(1)实时计算一次，实时计算的频率主要是和监测数据点的频率一致，但根据监测数据进行实时计算也受到计算机性能的影响，若是现场监测的频率小于10s(一般都是小于10s的)，可以采取每10s实时计算一次，反之则按实时监测的频率。

39、在实时监测井口产出流体的温度、压力及流量数据的基础上，计算机实时计算井筒中的温度和压力动态分布情况，实时更新井筒中不同位置处的水合物生成风险变化情况，进而实时更新防止井筒中水合物生成所需的抑制剂浓度、注入速率、注入压力等参数，并将相关参数的更新指令传输到水合物抑制剂注入的信号接收和执行系统；水合物抑制剂注入泵1和水合物抑制剂注入泵2接收来自信号接收和执行系统的水合物抑制剂注入指令，将水合物抑制剂储罐中的水合物抑制经过水合物抑制剂注入管线1和水合物抑制剂注入管线2分别注入井口水合物抑制剂注入点和井下水合物抑制剂注入点；经由水合物抑制剂注入管线1，将水合物抑制剂从井口水合物抑制剂注入点注入连续油管，并经过连续油管末端的水合物抑制剂注入点进入测试管柱和连续油管间的环空中，进而达到预防井底段管柱中水合物生成的目的。同时，经由水合物抑制剂注入管线2，将水合物抑制剂从井下水合物抑制剂注入点注入测试管柱，经由此处注入的水合物抑制剂直接进入测试管柱，和经由连续油管注入的水合物抑制剂一起预防该注入点以上井段管柱中的水合物生成。通过上述过程，实现深水浅层气测试过程中水不同位置处合物抑制剂注入的实时调控。

40、本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。

41、本发明的有益效果在于：

42、(1)与深水气井测试不同，本技术针对的是深水浅层气测试(存在一定长度的裸眼井段)，在井筒中的水合物生成风险更大，这主要是因为浅层气测试的井深浅(一般海底泥线以下三四百米)，储层和井筒中温度更低，整个井筒中都可能存在水合物生成风险。本发明针对深水浅层气测试特点，在不影响浅层气正常测试的前提下，提出通过在测试管柱内添加连续油管来向井底注入需要的水合物抑制剂，抑制剂经由连续油管注入井底，注入的水合物抑制剂在产出浅层气的携带作用下从井底经测试管柱和连续油管间的环空流向井口，以此可以满足从井底到井口整个井段的水合物预防需求，可以实现整个井段(包括下入管段和裸眼段)中的水合物预防，适用性更全面，为深水浅层气测试过程中的天然气水合物高效预防奠定基础。

43、(2)本发明注入参数计算更加详细，除了能计算的所需抑制剂浓度和抑制剂注入速率外，能对不同抑制剂注入点所需的注入压力进行实时计算，通过对深水浅层气测试过程中温度、压力及气液流量等数据的实时监测，可以对整个测试管柱中的天然气水合物生成风险大小和具体位置进行实时预测，并据此实时调控水合物抑制剂的浓度、注入速率、压力等注入参数，进而对深水浅层气测试过程中的水合物抑制剂注入进行精准的实时控制，以此实现深水浅层气测试管柱中天然气水合物深层的高效预防，为深水浅层气测试过程中的多相流动安全提供重要保障。