[发明专利]利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置及方法

权利要求书

1.一种利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置，包括：数据监测传输系统、数据分析处理系统和自动反应调节系统；数据监测传输系统实时监测井下和井口的温度、压力及流量数据，并将监测到的数据传输到数据分析处理系统；数据分析处理系统通过分析数据监测传输系统得到的数据，对携带井底出砂和出水所需的气体流量及抑制水合物在生产管柱中生成所需的水合物抑制剂的量进行计算评估，并发出相应的井下流量控制阀调节指令和水合物抑制剂注入指令；自动反应调节系统根据数据分析处理系统发出的指令，一方面调节井下流量控制阀，控制天然气藏产出天然气的流量，另一方面启动水合物抑制剂注入泵，向套管环空注入适量的水合物抑制剂；

数据监测传输系统，包括：井下监测传输装置和井口监测传输装置；井下监测传输装置，包括：第一温压传感器组、第二温压传感器组、第一光缆、第一光纤接口和第一光电解调器；第一温压传感器组安装于生产管柱底部，主要用于监测井底的温度和压力，第二温压传感器组安装于生产管柱中部，主要用于监测处于天然气水合物储层段的生产管柱中的温度和压力，第一温压传感器组和第二温压传感器组监测到的数据均通过第一光缆和第一光纤接口传输到光电解调器，光电解调器将光信号转换为电信号传输给数据分析处理系统；井口监测传输装置，包括：井口温度计、井口压力计及井口流量计，分别监测井口产出流体的温度、压力及气体流量和液体流量，井口温度计、井口压力计及井口流量计监测到的数据直接传输给数据分析处理系统；

数据分析处理系统，包括：计算机；计算机接收数据监测传输系统获得的数据，通过计算得到抑制水合物在生产管柱中生成所需的水合物抑制剂注入量，并计算分析携带井底出砂及出水所需的最小气流量，确定是否需要打开井下节流阀及打开程度，据此向自动反应调节系统发出相应的水合物抑制剂注入指令和井下流量控制阀调节指令；

自动反应调节系统，包括：水合物抑制剂自动注入装置和井下流量控制阀自动调节装置；

水合物抑制剂自动注入装置，包括：第一信号执行机构、水合物抑制剂储罐、水合物抑制剂注入泵、水合物抑制剂注入管线及注入接头；第一信号执行机构与计算机相连，接收计算机发出的指令，对水合物抑制剂注入泵进行操作，包括启泵和停泵；水合物抑制剂储罐与水合物抑制剂注入泵相连，用于存储水合物抑制剂；水合物抑制剂注入泵与水合物抑制剂注入管线相连，通过位于井口的注入接头将水合物抑制剂注入套管环空，注入的水合物抑制剂通过单流阀、带孔管进入生产管柱；

井下流量控制阀自动调节装置，包括：第二信号执行机构、第二光电解调器、第二光纤接口、第二光缆和井下流量控制阀；第二信号执行机构与计算机相连，接收计算机发出的井下流量控制阀调节指令；第二光电解调器与第二信号执行机构相连，将井下流量控制阀调节指令由电信号转换为光信号，并通过第二光纤接口及第二光缆传输给安装于井底的井下流量控制阀，调节井下流量控制阀的闭合程度，控制天然气藏产出天然气的流量；当携砂和携水所需的临界井底气流量大于天然气水合物储层开采的产气量时，井下流量控制阀打开，天然气藏产出的天然气与天然气水合物储层产出的天然气相混合，通过气体携带作用将天然气水合物开采过程中的出砂和出水携带出生产管柱。

2.根据权利要求1所述的利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置，其特征在于：水合物抑制剂为甲醇或者乙二醇。

3.利用底层产气清除水合物井中出砂出水的方法，采用权利要求1-2之一所述的利用底层产气清除水合物井中出砂出水的装置，其特征在于，步骤如下：

(1)生产管柱内径优选

在天然气水合物开发设计阶段，根据预测的天然气水合物井的产能及生产管柱内径设定值，通过计算携带井底出砂和出水所需的临界携砂流量和临界携液流量，优选生产管柱内径；优选生产管柱内径的具体步骤如下：

①计算临界携砂流量

临界携砂流量是将井底砂粒携带出生产管柱所需的最小气体流量，借鉴欠平衡钻井中的最小速度法携岩机理，得到天然气水合物储层开采过程中的临界携砂流量的计算公式为：

式中，Q_sc1为临界携砂流量，m³/s；D_t为生产管柱内径，m；v_sc1为临界携砂流速，m/s；

临界携砂流速等于砂粒终了沉降速度与砂粒输送速度之和；砂粒的终了沉降速度受其形状、尺寸、密度和气体密度、粘度及流动形态的影响，球状砂粒的终了沉降速度由下式求得：

式中，v_c为砂粒的终了沉降速度，m/s；g为重力加速度，m/s²；D_s为砂粒当量直径，m；ρ_s为砂粒密度，kg/m³；ρ_g为生产管柱中气体密度，kg/m³；C_t为砂粒滑脱系数0.85，无因次；ψ为砂粒球形度，无因次；

砂粒输送速度由砂粒输送流量与井底出砂流量间的关系决定，如下式所示：

式中，v_s为砂粒的输送速度，m/s；Q_cs为天然气水合物开采过程中的井底出砂流量，m³/s；C_s为生产管柱中砂粒的体积浓度，m³/m³；A为生产管柱横截面积，m²；

综合式(2)和(3)可得，天然气水合物开采过程中的临界携砂流速为：

②计算临界携液流量

临界携液流量是指在井筒中气体携带液体所需达到的最小气体流量，天然气水合物开采过程中的临界携液流量计算借鉴常规气井开采中排水采气理论的临界携液流量计算方法，由下式计算：

其中

式中，Q_sc2为临界携液流量，m³/s；P为压力，Pa；v_sc2为临界携液流速，m/s；Z为气体偏差因子，无因次；T为温度，K；σ为气液表面张力，N/m；ρ_l为液体密度，kg/m³；C_D为拖曳力系数，无因次；

③确定临界气体流量

在计算得到临界携液流量和临界携砂流量的基础上，得到将井底出砂和出水均携带出生产管柱所需的临界气体流量为：

Q_sc＝a·max{Q_sc1,Q_sc2} (7)

式中，Q_sc为将井底出砂和出水均携带出生产管柱所需的临界气体流量，m³/s；a为无因次系数；

④计算井下压力

在确定临界气体流量的基础上，计算天然气水合物开采位置处的压力；在计算天然气水合物开采位置处的压力时，应考综合考虑井口压力、气体自重、气体摩擦阻力的影响，由下式计算：

式中，P_kc为天然气水合物开采位置处的压力，Pa；P_jk为井口压力，Pa；ρ_gav为生产管柱中气体的平均密度，kg/m³；H为天然气水合物开采位置处井深，m；f_gav为生产管柱中气体的平均摩阻系数，无因次；v_g为生产管柱中气体的平均流速，m/s；d_i为生产管柱内径，m；

⑤确定生产管柱内径

在生产过程中，必须满足天然气水合物开采位置处的压力小于天然气水合物平衡压力，才能保证天然气水合物的正常开采；当由临界气体流量计算得到的天然气水合物开采位置处的压力大于天然气水合物平衡压力时，说明在此生产管柱条件下无法满足天然气水合物的正常开采，需要改变生产管柱内径设定值，并重新进行步骤①-④，直至满足天然气水合物正常开采的条件，以此确定生产管柱内径；

(2)基础数据采集

在天然气水合物开采过程中，数据监测传输系统实时监测各项数据变化：

①在井下流量控制阀关闭的前提下，通过安装于生产管柱底部的第一温压传感器组监测井底的温度和压力，通过安装于生产管柱中部的第二温压传感器组监测天然气水合物开采位置处生产管柱中的温度和压力，并将第一温压传感器组和第二温压传感器组监测到的数据通过第一光缆、第一光纤接口和第一光电解调器传输到分析处理系统；

②在井下流量控制阀关闭的前提下，通过井口温度计测量井口温度，通过井口压力计测量井口压力，通过井口流量计测量井口气体流量Q_g1和液体流量，井口温度计、井口压力计和井口流量计监测到的数据直接传输给数据分析处理系统；

③根据测得的井口和井下温度、压力数据以及已知的井深、地温梯度、生产管柱参数，将井口的气体流量Q_g1转换为天然气水合物开采位置处生产管柱中的气体流量Q_g2；

(3)确定井下流量控制阀调节范围

调节井下流量控制阀的目的是控制天然气藏的产量，保证天然气水合物开采过程中的出砂和出水被完全携带出生产管柱；确定井下流量控制阀调节范围的具体步骤如下：

①计算临界气体流量

在数据监测传输系统监测到的数据的基础上，数据分析处理系统分别计算携带井底出砂和出水所需的临界携砂流量和临界携液流量，确定携砂和携水所需的临界气体流量，具体计算步骤与步骤(1)相同；

②确定天然气藏最小产量

确定临界气体流量Q_sc后，通过与天然气水合物开采的天然气产量Q_g2进行比较确定天然气藏最小产量；当临界气体流量Q_sc小于天然气水合物开采的产气量Q_g2时，说明天然气水合物开采的产气量Q_g2足以将生产管柱中的出砂和出水携带出生产管柱，井下流量控制阀不用打开；当临界气体流量Q_sc大于天然气水合物开采的产气量Q_g2时，说明天然气水合物开采的产气量Q_g2不足以将生产管柱中的出砂和出水携带出生产管柱，需要打开井下流量控制阀，且天然气藏最小产量由Q_sc与Q_g2的差值得到；

③确定井下流量控制阀调节范围

在确定天然气藏最小产量的基础上，得到井下流量控制阀调节的最小允许值；通过式(8)的计算，当天然气水合物开采位置处的压力等于天然气水合物平衡压力P_eq时，计算得到的气体流量是满足天然气水合物开采的最大气体流量，此时的井下流量控制阀达到允许调节的最大值；

④调节井下流量控制阀

综上可得，当调节井下流量控制阀时，其调节范围应保持在最小允许值和最大允许值范围之间，以此保证天然气水合物的高效安全开发；同时，通过第二温压传感器组监测到的天然气水合物开采位置处的压力可以作为控制井下流量控制阀调节的参考标准；

(4)计算水合物抑制剂注入量

根据井口流量计监测到的井口液体流量，数据分析处理系统计算防止水合物在生产管柱中再次生成所需的水合物抑制剂注入量，水合物抑制剂在游离水中的最低浓度由Hammerschmidt公式确定：

式中，X为液态水相中水合物抑制剂重量百分数；ΔT为水合物形成的温降，K；M为水合物抑制剂的摩尔分子质量，甲醇＝32，乙二醇＝62，g/mol；K_i为常数，甲醇＝1297，乙二醇＝2220；

通过水合物抑制剂浓度与自由水量相乘就得到水合物抑制剂注入量；

(5)自动注入水合物抑制剂及调节井下流量控制阀

根据数据监测传输系统获得的数据计算得到井下流量控制阀的调节值和水合物抑制剂注入量后，数据分析处理系统向自动反应调节系统发出指令信号，第一信号执行机构和第二信号执行机构分别控制水合物抑制剂的注入和井下流量控制阀的调节；

①自动注入水合物抑制剂

第一信号执行机构控制水合物抑制剂注入泵的启泵和停泵，当水合物抑制剂注入泵起泵后，水合物抑制剂储罐中储存的水合物抑制剂通过水合物抑制剂注入泵、水合物抑制剂注入管线和注入接头被注入套管环空，通过套管环空、向下单流阀和带孔管进入生产管柱，防止水合物在生产管柱中再次生成；

②自动调节井下流量控制阀

计算机将井下流量控制阀的调节指令传输给第二信号执行机构，第二光电解调器与第二信号执行机构相连，将井下流量控制阀调节指令由电信号转换为光信号，并通过第二光纤接口和第二光缆传输给安装于井底的井下流量控制阀，通过调节井下流量控制阀的闭合程度，控制天然气藏产出天然气的流量；天然气藏产出的天然气与天然气水合物开采产出的天然气混合，通过气体对砂粒和水的携带作用将生产管柱中的出砂和出水携带出生产管柱；

(6)自动改变水合物抑制剂注入量及井下流量控制阀调节程度

在天然气水合物开采过程中，天然气产量会随着时间发生变化，且生产管柱中的出砂和出水速率也会随着时间发生变化；届时，根据井口监测传输装置和井下监测传输装置获得的数据变化，数据分析处理系统会自动计算水合物抑制剂注入量和井下流量控制阀调节程度，并给自动反应调节系统实时发送水合物抑制剂注入指令和井下流量控制阀调节指令，以此实现根据不同产气量、出砂速率及出水速率实时改变水合物抑制剂注入量和井下流量控制阀调节程度。