[发明专利]天然气水合物开采过程中除砂除水装置及方法

权利要求书

1.一种天然气水合物开采过程中除砂除水装置，包括：数据监测传输系统、数据分析处理系统和自动注入调节系统；其特征在于，数据监测传输系统实时监测井底和井口的温度、压力及流量数据，并将监测到的数据传输给数据分析处理系统；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，并发出相应的气体注入和水合物抑制剂注入指令；自动注入调节系统根据数据分析处理系统发出的指令，启动相应的氮气注入泵和水合物抑制剂注入泵，向套管环空注入适量氮气和水合物抑制剂，通过气体携带作用将井底出砂和出水携带出生产管柱，通过水合物抑制剂防止生产管柱中再次生成水合物；

数据监测传输系统，包括：井口监测传输装置和井下监测传输装置；井口监测传输装置，包括：第一井口压力计、第二井口压力计、井口温度计及井口流量计；第一井口压力计安装在井口，测量井口套管环空压力；第二井口压力计、井口温度计和井口流量计均安装在出流管线上，分别测量井口产出流体的压力、温度和气体流量和液体流量数据；第一井口压力计、第二井口压力计、井口温度计及井口流量计监测到的数据均传输到数据分析处理系统；井下监测传输装置，包括：井下温压传感器、光缆、光纤接口和光电解调器；井下温压传感器安装于生产管柱底部，实时监测井底的温度和压力，并将监测到的数据通过光缆和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；

数据分析处理系统，包括：计算机；计算机根据数据监测传输系统获得的数据，计算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，并计算分析井底产气量是否足以携带井底出砂及出水，确定是否需要向井底注入氮气，以及需要注气时所需的注气量，据此向自动注入调节系统发出相应的水合物抑制剂注入指令和氮气注入指令；

自动注入调节系统，包括：水合物抑制剂自动注入装置和气体自动注入装置；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；气体自动注入装置，包括：第二信号执行机构、制氮设备、氮气注入泵、气体注入管线；第一信号执行机构和第二信号执行机构分别与计算机相连，接收计算机发出的指令，分别对水合物抑制剂注入泵和氮气注入泵进行操作，包括启泵和停泵；水合物抑制剂储罐和制氮设备分别与水合物抑制剂注入泵和氮气注入泵相连，分别是水合物抑制剂和氮气的注入来源；水合物抑制剂注入泵和氮气注入泵分别通过水合物抑制剂注入管线和气体注入管线与注入接头相连，通过位于井口的注入接头将水合物抑制剂和氮气注入套管环空；注入的水合物抑制剂通过套管环空和单流阀进入生产管柱；注入的氮气经由套管环空和单流阀到达井底与天然气水合物储层产出的天然气混合，通过气体携带作用将井底出砂和出水携带出生产管柱。

2.天然气水合物开采过程中除砂除水方法，采用权利要求1所述的天然气水合物开采过程中除砂除水装置，其特征在于，步骤如下：

①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，计算携带井底出水和出砂所需的临界携液流量和临界携砂流量，确定携水和携砂所需的最小气体流量；

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流量，借鉴欠平衡钻井中的最小速度法携岩机理，可以得到天然气水合物开采过程中的临界携砂流量的计算公式为：

式中，Q_sc1为临界携砂气流量，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可以由下式求得：

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；

砂粒输送速度可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：

临界携液流量是将井底液体携带出生产管柱所需的最小气流量，天然气水合物开采过程中的临界携液流量可以由下式计算：

其中

式中，Q_sc2为临界携液气流量，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；

通过计算临界携砂流量和临界携液流量，可以得到将井底出砂和出水均携带出生产管柱所需的最小气体注入流量为：

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最小气体注入流量，m³/s；a为无因次系数；

②在确定临界气体流量的基础上，计算井底压力；在计算井底压力时，应考综合考虑井口套压、环空气体自重、气体摩擦阻力的影响，可以由下式计算：

式中，P_jd为井底压力，Pa；P_ty为井口套压，Pa；ρ_gav为环空中气体的平均密度，kg/m³；H为井深，m；f_gav为环空中气体的平均摩阻系数，无因次；v_g为环空中气体的流速，m/s；d_ti为套管内径，m；d_tu为生产管柱外径，m；

在生产过程中，必须满足井底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井底压力仍大于水合物平衡压力时，说明此生产管柱条件无法满足天然气水合物开采，应改变生产管柱内径设定值，并重复步骤①-②，直至满足天然气水合物正常开采的条件，以此确定最佳生产管柱内径；

③在天然气水合物开采过程中，通过安装于井底的温压传感器监测井底的温度压力状况，并将监测到的数据通过光缆、光纤接口及光电解调器传输到数据分析处理系统；通过第一井口压力计测量井口套压P_ty，通过第二井口压力计测量井口产出流体的压力，通过井口温度计测量井口产出流体的温度，通过井口流量计测量井口气流量Q_g1和液体流量，并将监测到的数据传输到数据分析处理系统；根据测得的井口和井底温度、压力数据以及已知的井深、地温梯度、生产管柱参数，将井口的气流量Q_g1转换为井底的气流量Q_g2；

④根据数据监测传输系统监测到的数据，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，计算步骤同①，分析天然气水合物开采过程中的井底产气量是否足以将井底出砂和出水携带出生产管柱，确定是否需要向井底注入气体，以及需要注入气体时所需的注气量；

确定临界井底气流量Q_sc后，通过与天然气水合物开采的天然气产量Q_g2进行比较确定是否需要向井底注入气体，以及需要注入气体时的注入流量。当临界井底气流量Q_sc小于井底产气量Q_g2时，说明井底产气量Q_g2足以将井底出砂和出水携带出生产管柱，不需要在地面向井底注入气体；当临界井底气流量Q_sc大于井底产气量Q_g2时，说明井底产气量Q_g2不足以将井底出砂和出水携带出生产管柱，需要在地面向井底注入气体，且气体注入流量的最小值可以由Q_sc与Q_g2的差值得到；

⑤通过式(8)的计算，当井底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水合物储层开采的最大气体流量，此时的气体注入流量达到最大允许值；结合①得到的最小气体注入流量，当向井底注入气体时，气体注入流量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，通过温压传感器监测得到的井底压力可以作为气体注入的参考标准；

⑥同时，根据井口流量计监测到的液体流量，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流量，水合物抑制剂在游离水中的最低浓度可以由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)；

将水合物抑制剂浓度与自由水量相乘就可以得到水合物抑制剂注入量；

⑦确定水合物抑制剂注入量和气体注入量后，数据分析处理系统向自动注入调节系统发出指令信号，信号执行机构据此分别控制水合物抑制剂注入泵和氮气注入泵的启泵和停泵，以此控制水合物抑制剂和气体的注入，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，防止水合物在生产管柱中再次生成；当氮气注入泵启泵后，制氮设备中的氮气通过氮气注入泵、气体注入管线和注入接头被注入套管环空，氮气到达井底后，与井底产出的气体混合，一起将井底出砂和出水携带出生产管柱；

⑧在天然气水合物开采过程中，产量会随着时间发生变化，且生产管柱中的出水和出砂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，数据分析处理系统会自动计算水合物抑制剂注入量和气体注入量，并给自动注入调节系统实时发送水合物抑制剂注入指令和气体注入指令，以此实现根据不同产气量、出水速率及出砂速率实时调整水合物抑制剂注入量和气体注入量。