CN105201487A - 一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法，包括以下步骤：S1：根据所述井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，根据所述环境参数计算所述井筒的温度分布特征、压力分布特征，根据所述温度分布特征、所述压力分布特征确定所述水合物的生成区域；S2：根据所述水合物的生成区域判断所述水合物是否堵塞所述井筒。本发明也涉及一种水合物堵塞监测装置。本发明提供的方案，能够判别水合物是否堵塞、在哪里堵塞，并推荐合理解决方案，适用于普遍性的气藏生产过程的水合物防治方法，既满足生产需求，又可以减少水合物的生成。

Description

一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法及装置

技术领域

本发明涉及水合物监测领域，更具体地说，涉及一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法及监测装置。

背景技术

1.深水气田生产过程中井筒对应深海井段经常满足形成水合物的条件，即温度较低，压力较高等情况。

在深水气田生产运行过程中，如井筒中因井口油嘴变化造成井筒压力大幅度波动、温度较低、节流后压差大、气流流向突变，或者施工参数、工作制度设计不当，在井筒中很快就可能形成水合物；并且在石油及天然气工业所生产的天然气混合物中，由于气体成分不同及井筒环境达到临界条件，也经常会有气体水合物生成，如果井筒有大量水合物存在，就会危及生产安全。

2.为了防止深水气田生产过程中井筒形成水合物，常需要采用许多措施，如加化学抑制剂、降压、增温等，代价是很高的。

在现有的技术下，若采用脱水、热力学或动力学方法来解决水合物问题，常常伴随着生产方式的改变，使天然气产量发生较大改变，增大生产损失。如果生产方式改变不当，不仅不能解决水合物问题，更可能会导致气藏减产。

3.研究表明，在深水气田生产过程中井筒可以形成水合物，但并不是普遍具有持续生长，以至于达到能够堵塞井筒的情况

在井筒某段达到水合物的生成温度压力条件下，水合物可能会形成，但若散热不好，以及水条件不充分等原因，水合物在生成后继续生长是非常困难的，生长过程停止，井筒就不会存在水合物堵塞问题。

4.目前，还没有一套具体的方法判别井筒是否以及哪里发生水合物堵塞，导致气井流动的问题时有发生。

在整个深水气田生产过程中，国内外对于水合物的生成大家研究较多，但是对于水合物生长的趋势预测、水合物是否形成堵塞、堵塞的位置以及在什么情况下会发生堵塞则研究不够，只有一些单一的、指向性很强的水合物防治方法，缺乏一套可以适用于大部分气藏生产过程的水合物防治方法，很难在选择合理工作制度来既满足生产需求，又可以减少水合物的生成。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法及监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法。

在本发明所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法中，包括以下步骤：

S1：根据所述井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，根据所述环境参数计算所述井筒的温度分布特征、压力分布特征，根据所述温度分布特征、所述压力分布特征确定所述水合物的生成区域；

S2：根据所述水合物的生成区域判断所述水合物是否堵塞所述井筒；

其中，所述步骤S2包括：

S2-1：根据所述水合物的生成区域建立堵塞判别模型；

S2-2：根据所述堵塞判别模型确定需要监测的参数，根据所述需要监测的参数进行监测，得到监测数据；

S2-3：根据所述监测数据和所述堵塞判别模型判断所述水合物是否堵塞所述井筒。

优选地，所述需要监测的参数包括平台参数和/或海底参数；

所述平台参数包括地面流程温度、地面流程压力、气水产量、气组分、水矿化度、流速的一种或多种；

所述海底参数包括海底温度、海底压力、管道形状、管道尺寸的一种或多种。

优选地，所述步骤S1包括：

S1-1：根据所述井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，基于深水气田生产期间的井筒动态分析，选择基于井筒径向传热的生产期间井筒温度计算模型，得到所述井筒的温度分布特征；

S1-2：根据所述井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，基于深水气田生产期间的井筒动态分析，选择基于井筒径向传热的生成期间井筒压力计算模型，得到所述井筒的压力分布特征；

S1-3：基于所述温度分布特征、所述压力分布特征，确定所述水合物的生成区域。

优选地，还包括：

S3：如果所述水合物堵塞所述井筒，则发出危险警报,提醒人们需要采取抑制所述水合物生成或者解堵的措施。

优选地，所述步骤S3包括：

S3-1：根据所述堵塞判别模型确定所述水合物堵塞所述井筒的区域；

S3-2：判定影响所述水合物堵塞的因素；

S3-3：根据所述水合物堵塞所述井筒的区域和所述影响所述水合物堵塞的因素推荐合理的工作制度，给出所述水合物解堵的措施。

在本发明所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置中，包括

采集需要监测的参数，得到监测数据的现场计量模块；

与所述现场计量模块相连接，接收所述监测数据，根据所述监测数据和内置的堵塞判别模型判断水合物是否堵塞井筒，如果堵塞发出堵塞信号的中央处理模块；以及

与所述中央处理模块相连接，接收所述堵塞信号，并发出危险警报,提醒人们需要采取抑制所述水合物生成或者解堵的措施的越限报警模块。

优选地，所述现场计量模块包括温度计量模块、压力计量模块、气体流速计量模块、液体流速计量模块的一种或几种。

优选地，所述现场计量模块为压电型加速度传感器。

优选地，所述中央处理模块还包括

根据所述堵塞判别模型确定所述水合物堵塞井筒区域的区域判断单元；以及

判定影响所述水合物堵塞因素的因素判断单元。

优选地，所述需要监测的参数包括平台参数和/或海底参数；

所述平台参数包括地面流程温度、地面流程压力、气水产量、气组分、水矿化度、流速的一种或多种；

所述海底参数包括海底温度、海底压力、管道形状、管道尺寸的一种或多种。

实施本发明的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法及监测装置，具有以下有益效果：本发明提供的方案，能够判别水合物是否堵塞、在哪里堵塞，并推荐合理解决方案，适用于普遍性的气藏生产过程的水合物防治方法，既满足生产需求，又可以减少水合物的生成。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法的流程图；

图2是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法步骤S1的流程图；

图3是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法步骤S2的流程图；

图4a是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞判别模型中水合物生成初期的示意图；

图4b是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞判别模型中水合物在管壁形成附着的示意图；

图4c是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞判别模型中水合物未形成堵塞的示意图；

图4d是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞判别模型中水合物形成堵塞的示意图；

图5是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法步骤S3的流程图；

图6是本发明深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明是基于水合物的生成、堵塞机理建立的：

在温度、压力达到水合物生成条件下，气体分子形成水合物的分子动力学可以分为两部分：首先是水合物的成核；其次是水合物的成长。多数学者均认为水合物颗粒是在溶解气、水的界面处形成的，这不仅是由于界面处降低了成核的Gibbs自由能(即吉布斯自由能)，而且在界面处的气、液浓度都很高。在界面处溶解气的摩尔分数可以高达15％，而在气相中仅能溶解5％的水，在水相中仅能溶解最多0.1％的气。由于如此低的溶解度，在连续相中，水合物尽管可以成核，但几乎不可能形成颗粒。在界面处高混合速度，可以使得气、液的晶状结构表面分散在液相中。当气体溶解于水中后，水分子在溶解气分子周围立刻形成不稳定的分子簇。不同的分子簇之间由于共享化学键而聚集到一块，开始杂乱无序的增长，当分子簇的尺寸达到临界尺寸时，便形成了水合物核，之后开始生长。

当水合物生长到一定程度后，水合物最初形成的位置位于管壁，以沉积的形式形成，因为管壁是潮湿的，并不断地暴露在气体中。

水合物的增长是有限的，无论是气水的供应或者温度。初始水合物壳体根据水合物动力学可能很快形成，因为具有水和空气。不久之后，水合物继续生长过程是典型的传质或传热过程。前者是水和/或气体必须扩散到界面，后者是一个放热过程。一旦体系中具有足够多的水合物，水合物浆会改变***的流动形态，与水合物悬浮在液相中或沉积在固相表面。

水合物存在后，水合物颗粒可以相互凝聚成较大的聚集体或持续沉积在管壁。水合物颗粒间的相互作用在很大程度上取决于连续的液相。如果水合物颗粒分散在连续水相中，水合物颗粒之间的结合力是最小的，他们会保持分散。如果粒子分散在连续油相，由于颗粒之间通过水的毛细管力可能会使水合物粒子结合成大的聚集体。随着时间的推移不断累积，水合物在稳态操作下可能会最终形成堵塞。

如图1所示，在本发明的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法中，包括以下步骤：

S1：根据井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，根据环境参数计算井筒的温度分布特征、压力分布特征，根据温度分布特征、压力分布特征确定水合物的生成区域；可以理解的，为了能更安全高效地开采油气，需要根据井筒不同工作时期的不同参数来确定水合物的生成温度、压力、气水比，以此来准确判别井筒水合物生成问题、生长问题，以便后续步骤中预测水合物堵塞井筒的具体区域，可给出在不同气藏参数下合理的工作制度建议。

具体的，如图2所示，该步骤S1包括以下步骤：

S1-1：根据井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，基于深水气田生产期间的井筒动态分析，选择基于井筒径向传热的生产期间井筒温度计算模型，得到井筒的温度分布特征；

S1-2：根据井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，基于深水气田生产期间的井筒动态分析，选择基于井筒径向传热的生成期间井筒压力计算模型，得到井筒的压力分布特征；

进一步的，通过选择油气水多相流一阶拟线性双曲型偏微分方程组，求解生产期间井筒内多相流流动参数。

S1-3：基于温度分布特征、压力分布特征，确定水合物的生成区域。具体的，根据水合物分子形成动力学原理，基于得到的井筒的温度分布特征、压力分布特征，确定气液两相雾状流状态下水合物形成区域。

进一步的，根据水合物形成的区域的温度压力条件，计算引起井筒水合物生成的气井产量。

S2：根据水合物的生成区域判断水合物是否堵塞井筒；

具体的，如图3所示，该步骤S2包括以下步骤：

S2-1：根据水合物的生成区域建立堵塞判别模型；

具体的，若某段井筒具备形成水合物条件，会有水合物存在；水合物在行进的过程中可能会在管壁上附着，进而进行生长。若水合物生长的力，也即水合物颗粒之间的粘附力如果小于下步的气体向上流动给予水合物颗粒的曳力，此时水合物晶体生长困难，随着水合物层加厚，井筒内气体流道直径变小，在总流量不变的情况下，流速增大，进一步曳力增大，水合物晶体生长更加困难，最后保持在一个平衡状态。当曳力不足以平衡水合物颗粒之间的粘附力以及水合物自身的重力时，水合物将会持续在同一位置增长，最终堵塞井筒。

以图4所示的井筒为例，

假设管壁水合物厚度为d，则该处气体流动剖面半径为R＝(L-2d)/2，气体流动速度为：

$v_g=\frac{Q}{{\mathrm{\πR}}^2}$

式中L为井筒直径，m；Q为气体流量，m³/d。

假设水合物颗粒为圆球形，半径为r，则其主要受3个力作用：重力、水合物间结晶力、拖曳力等作用。

重力公式为：

$G=\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^3{\mathrm{\ρ}}_{h}g$

式中ρ_h水合物密度，kg/m³；g为重力加速度，m³/d。

水合物间结晶力为：F_c，其值与颗粒大小有关，可通过实验测得。当颗粒脱离管壁水合物后，其值为0。

水合物拖曳力为：

F_f＝6πμvr

其中

v＝v_g

式中μ气体粘度，mPa·s；v_g气体流速，m²/s。

则当水合物颗粒所受合力为，

F＝F_f-Gcosθ-F_c

代入得

$F=6\mathrm{\π}\mathrm{\μ}vr-\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^3{\mathrm{\ρ}}_{h}gcos\mathrm{\θ}-F_c$

当水合物颗粒处于受力平衡临界状态时，合力F＝0，则有

此时气体流动截面半径为

$R=\sqrt{\frac{18Q\mathrm{\μ}r}{4{\mathrm{\πr}}^3{\mathrm{\ρ}}_{h}gcos\mathrm{\θ}+3F_c}}$

此时水合物厚度

$d=\frac{L}{2}-\sqrt{\frac{18Q\mathrm{\μ}r}{4{\mathrm{\πr}}^3{\mathrm{\ρ}}_{h}gcos\mathrm{\θ}+3F_c}}$

当R>r时，表明随着气体流态面积减小，定产量Q情况下，井筒内气体流速增加，对应拖曳力增加，井筒内水合物无法形成凝聚堵塞。

当R<r时，表明拖曳力无法将水合物携带至井口，会在井筒内形成堵塞。

S2-2：根据堵塞判别模型确定需要监测的参数，根据需要监测的参数进行监测，得到监测数据；

其中，需要监测的参数包括平台参数和/或海底参数；

该平台参数包括地面流程温度、地面流程压力、气水产量、气组分、水矿化度、流速的一种或多种；

该海底参数包括海底温度、海底压力、管道形状、管道尺寸的一种或多种。

S2-3：根据监测数据和堵塞判别模型判断水合物是否堵塞井筒。

S3：如果水合物堵塞井筒，则发出危险警报,提醒人们需要采取抑制水合物生成或者解堵的措施。当井筒内发生水合物堵塞时，参数将会通过监测传感器回传到计算机当中，计算机经过处理后判别水合物生成的程度是否会威胁到正常生产状态，一旦水合物的生成程度超过深水气井正常生产所允许的最大生成程度，计算机就会发出危险警报，提醒人们需要采取抑制水合物生成或者解堵的措施。

具体的，如图5所示，该步骤S3包括以下步骤：

S3-1：根据堵塞判别模型确定水合物堵塞井筒的区域；

S3-2：判定影响水合物堵塞的因素；

具体的，水合物堵塞井筒的因素包括：温度过低原因、压力过高原因、水蒸气浓度过高原因、气体流速过低原因。

S3-3：根据水合物堵塞井筒的区域和影响水合物堵塞的因素推荐合理的工作制度，给出水合物解堵的措施。

具体的，根据水合物堵塞井筒的区域和影响水合物堵塞的因素推荐合理的工作制度，给出水合物解堵的措施包括：①扩大生产压差，使产气量增加，最终使井筒温度上升、②降低井口压力，进而降低井筒压力、③根据水合物堵塞位置选择注入抑制剂位置等。

本发明提供的方案，能够判别水合物是否堵塞、在哪里堵塞，并推荐合理解决方案，适用于普遍性的气藏生产过程的水合物防治方法，既满足生产需求，又可以减少水合物的生成。

如图6所示，本发明也提供了一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置，包括现场计量模块610、中央处理模块620和越限报警模块630。

该现场计量模块610采集需要监测的参数，得到监测数据；该现场计量模块610包括温度计量模块、压力计量模块、气体流速计量模块、液体流速计量模块的一种或几种，用于采集需要监测的参数，得到监测数据。本发明采用耐冲蚀磨损的硬质合金膜片作为信号发生器，当不同组分的气、液及固相颗粒以高速喷射至该膜片时，将产生不同的振动信号。通过高灵敏度的压电型加速度传感器拾取硬质合金膜片的振动信号，并通过计算机数据采集和处理***实时采集和记录下振动信号，实时地进行振动信号的频谱分析。根据不同组分的多相流体的不同的频谱特征，实时地检测和判断井下情况。该***的传感器安装在井口节流阀之后、气液分离器之前，用API平式油管扣与前后相连。检测传感器的设计最大工作压力为10MPa。

其中，需要监测的参数包括平台参数和/或海底参数；

该平台参数包括地面流程温度、地面流程压力、气水产量、气组分、水矿化度、流速的一种或多种；

该海底参数包括海底温度、海底压力、管道形状、管道尺寸的一种或多种。

假定一口井的产气量为50万立方米/天，在经过节流阀后压力降低为1MPa，2-7/8″油管内径为Ф62mm，计算得出在传感器处的流速为191.7m/s。流速与产气量成正比，与节流阀后的压力成反比。

假定一口井的产液量为200立方米/天，即流量为2.3L/s，2-7/8″油管内径为Ф62mm，计算得出在传感器处的流速为0.766m/s。流速与产液量成正比。

由此可见，高产气井的流速比高产油井的流速要高得多。如果同时产出气体和液体，此时混和两相流的流速与产气量、产液量及节流阀后压力都有关系。

该中央处理模块620与现场计量模块610相连接，接收监测数据，根据监测数据和内置的堵塞判别模型判断水合物是否堵塞井筒，如果堵塞发出堵塞信号。当井筒内发生水合物堵塞时，参数将会通过监测传感器回传到计算机当中，计算机经过处理后判别水合物生成的程度是否会威胁到正常生产状态，一旦水合物的生成程度超过深水气井正常生产所允许的最大生成程度，计算机就会发出危险警报，提醒人们需要采取抑制水合物生成或者解堵的措施。

进一步的，该中央处理模块620还包括区域判断单元621和因素判断单元622。

该区域判断单元621根据堵塞判别模型确定水合物堵塞井筒区域；该因素判断单元622判定影响水合物堵塞因素。具体的，水合物堵塞井筒的因素包括：温度过低原因、压力过高原因、水蒸气浓度过高原因、气体流速过低原因。

中央处理模块620根据水合物堵塞井筒的区域和影响水合物堵塞的因素推荐合理的工作制度，给出水合物解堵的措施包括：①扩大生产压差，使产气量增加，最终使井筒温度上升、②降低井口压力，进而降低井筒压力、③根据水合物堵塞位置选择注入抑制剂位置等。

该越限报警模块630与中央处理模块620相连接，接收堵塞信号，并发出危险警报,提醒人们需要采取抑制水合物生成或者解堵的措施。

本发明提供的方案，能够判别水合物是否堵塞、在哪里堵塞，并推荐合理解决方案，适用于普遍性的气藏生产过程的水合物防治方法，既满足生产需求，又可以减少水合物的生成。

进一步的，本发明结合水合物监测方法及监测装置于一身，排除跨行业等因素影响，具有一体化、连贯性等优点。

本发明研究不同生产时期隔水管管外海水与管内温度及压力特征，选择水合物可能形成的位置计算模型，研究生产制度对水合物生成生长的影响，可以推荐合理的生产制度及适时添加防治水合物抑制剂，使得生产过程井筒中不会发生水合物堵塞等事故。

基于水合物形成计算模型的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法指标体系完整，计算复杂程度低。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据所述井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，根据所述环境参数计算所述井筒的温度分布特征、压力分布特征，根据所述温度分布特征、所述压力分布特征确定所述水合物的生成区域；

S2：根据所述水合物的生成区域判断所述水合物是否堵塞所述井筒；

其中，所述步骤S2包括：

S2-1：根据所述水合物的生成区域建立堵塞判别模型；

S2-2：根据所述堵塞判别模型确定需要监测的参数，根据所述需要监测的参数进行监测，得到监测数据；

S2-3：根据所述监测数据和所述堵塞判别模型判断所述水合物是否堵塞所述井筒。

2.根据权利要求1所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法，其特征在于，所述需要监测的参数包括平台参数和/或海底参数；

所述平台参数包括地面流程温度、地面流程压力、气水产量、气组分、水矿化度、流速的一种或多种；

所述海底参数包括海底温度、海底压力、管道形状、管道尺寸的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S1-1：根据所述井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，基于深水气田生产期间的井筒动态分析，选择基于井筒径向传热的生产期间井筒温度计算模型，得到所述井筒的温度分布特征；

S1-2：根据所述井筒的环境特征选择需要的传感器采集需要的环境参数，基于深水气田生产期间的井筒动态分析，选择基于井筒径向传热的生成期间井筒压力计算模型，得到所述井筒的压力分布特征；

S1-3：基于所述温度分布特征、所述压力分布特征，确定所述水合物的生成区域。

4.根据权利要求1所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法，其特征在于，还包括：

S3：如果所述水合物堵塞所述井筒，则发出危险警报,提醒人们需要采取抑制所述水合物生成或者解堵的措施。

5.根据权利要求4所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S3-1：根据所述堵塞判别模型确定所述水合物堵塞所述井筒的区域；

S3-2：判定影响所述水合物堵塞的因素；

S3-3：根据所述水合物堵塞所述井筒的区域和所述影响所述水合物堵塞的因素推荐合理的工作制度，给出所述水合物解堵的措施。

6.一种深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置，其特征在于，包括

采集需要监测的参数，得到监测数据的现场计量模块；

与所述现场计量模块相连接，接收所述监测数据，根据所述监测数据和内置的堵塞判别模型判断水合物是否堵塞井筒，如果堵塞发出堵塞信号的中央处理模块；以及

与所述中央处理模块相连接，接收所述堵塞信号，并发出危险警报,提醒人们需要采取抑制所述水合物生成或者解堵的措施的越限报警模块。

7.根据权利要求6所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置，其特征在于，所述现场计量模块包括温度计量模块、压力计量模块、气体流速计量模块、液体流速计量模块的一种或几种。

8.根据权利要求6所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置，其特征在于，所述现场计量模块为压电型加速度传感器。

9.根据权利要求6所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置，其特征在于，所述中央处理模块还包括

根据所述堵塞判别模型确定所述水合物堵塞井筒区域的区域判断单元；以及

判定影响所述水合物堵塞因素的因素判断单元。

10.根据权利要求6所述的深水气田生产期间井筒水合物堵塞监测装置，其特征在于，所述需要监测的参数包括平台参数和/或海底参数；

所述平台参数包括地面流程温度、地面流程压力、气水产量、气组分、水矿化度、流速的一种或多种；

所述海底参数包括海底温度、海底压力、管道形状、管道尺寸的一种或多种。