基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统及其方法

摘要

本发明公开一种基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统及其方法，所述系统包括多分支井开发系统、注入模块、温控模块、水合物反应釜、监测模块以及数据采集单元等，多分支井开发系统设置在水合物反应釜内，注入模块、监测模块及产物收集模块均与数据采集单元相连。该系统设计不仅可以实现监测不同分支水平井组合条件下开采水合物过程中水平井内二次水合物生成情况，而且还能够研究分支水平井开采过程中形成二次水合物后，分支水平井外壁水浴夹套最佳升温幅度，实现有效抑制分支水平井堵塞、提高生产效率的目的，进而实现对二次水合物形成的监测与抑制，对水合物高效率开采及安全开采具有重要指导意义。

说明书

技术领域

本发明属于水合物藏开发技术及其流动安全保障技术领域，具体涉及一种基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统及其方法。

背景技术

海域水合物储藏是由天然气与水在低温、高压条件下经过漫长地质环境形成的，通常赋存于海底以下300米深度范围内沉积物中。天然气水合物开采已经成为非常规油气藏工程的研究热点，由于水合物自身低温、高压赋存条件，现阶段对水合物藏的开发主要是通过降压法、注热法、抑制剂法以及新型开采法(如CO₂置换法等)实现。所有开采方法中，降压法由于其技术可行、且经济有效，是目前海域水合物开发采用的主要手段。

由于天然气水合物开采的风险性和技术性均较高，并且需要高额的开支和长期的准备，水合物开采技术研究仍以室内实验为主。在天然气水合物开采现场试验过程中，由于现有的气液分离技术的限制，产水管道中不可能完全不含甲烷；如果水合物试开采长时间进行，产水管道中未分离的甲烷和海水有可能再次生成水合物，待水合物含量增加至一定程度时就会堵塞管道，引起开采井的井底压力降低失效，进而会引起水合物试开采的被迫停止。目前，针对水合物二次生成堵塞开采井管风险评估而设计的实验装置鲜有报道，严重限制了水合物二次生成堵塞开采井管风险评估实验模拟工作，水合物开采仍然存在着开采井管堵塞的威胁。

截止目前，仅日本与中国两个国家进行了海域水合物试开采，且均是采用垂直井降压法开采，但相对于海域开采的高投入而言，该种垂直井降压开采法产气效益仍较低，而且当前对天然气水合物的开采机理仍然缺乏足够的认识，特别是在开采过程中水合物二次生成而堵塞开采井管的风险评估方面无法满足工程实际需求。如何设计新型开采方式，并且在采用新型开采方式同时，如何有效保障安全开采是目前研究人员关注的重点。

发明内容

本发明提出一种基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统及其方法，不仅能够对不同分支水平井组合条件下的二次水合物生成情况进行监测，并且对研究分支井外壁水浴夹套最佳升温幅度，有效抑制分支水平井堵塞、提高生产效率具有重要意义。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统，包括多分支井开发系统、注入模块、温控模块、水合物反应釜、监测模块、产物收集模块以及数据采集单元；所述多分支井开发系统设置在水合物反应釜内，注入模块、监测模块及产物收集模块均与数据采集单元相连；

所述多分支井开发系统包括中间主井眼以及与主井眼轴向垂直设置的多排分支水平井，且每一排分支水平井沿主井眼圆周方向均匀分布，在分支水平井的外壁上均匀紧密排列有多个井孔，所述井孔由仅能让气体和水两种流体通过的烧结滤芯封堵，而将沉积物砂砾封堵在分支水平井外，更为有效的实现水合物开发过程中的增产；各个分支水平井的外壁上对应的设有水浴夹套，水浴夹套为一封闭系统，且在水浴夹套上与井孔相对应的位置镂空(即与分支水平井上、下井壁井孔一致)，水浴夹套与一热水循环系统相连，所述热水循环系统包括顺次连接的水箱、恒温箱和液体循环泵，水浴夹套本身为一完整封闭系统，此夹套设计不影响水合物产物流体流向井筒，且后期在监测井内水合物生成时，可以通过向此夹套内注入热水循环的方式促使水合物发生分解，防止分支水平井由于二次水合物生成而导致井孔堵塞；

所述水合物反应釜外设置有外围腔，水合物反应釜釜体采用铝合金材质，其上设置有上釜盖，水合物反应釜通过法兰与上釜盖的密封连接，上釜盖为可拆卸的长方体形，耐压40MPa；所述温控模块包括冷却液水箱及其控制阀，冷却液水箱通过循环管路与水合物反应釜的外围腔连通，以通过冷却液的注入与不断循环实现为水合物反应釜内系统温度的有效控制；

所述注入模块包括注气模块、注水模块及其对应的流量计，注气模块通过下部注气管线与水合物反应釜相连，注水模块通过上部注液管线与水合物反应釜相连，流量计设置在对应的注气、注液管线上，实现水合物反应釜内气体与液体的注入，并通过控制气体注入量实现不同水合物饱和度的试验条件；所述监测模块包括设置在各分支水平井内壁上每两个井孔间的温度传感器、压力传感器及粘度传感器，实现对分支水平井内不同位置处二次水合物生成的实时判断；

所述产物收集模块包括产物气体收集瓶和产物液体收集容器，产物气体收集瓶和产物液体收集容器通过一气液分离器与水合物反应釜相连，且气液分离器与水合物反应釜之间还设置有背压阀；所述数据采集单元用于采集并处理注入模块的流量计测量值、监测模块监测的水合物分解过程中分支水平井内各点温度、压力与黏度值、分支水平井外壁水浴夹套内水温、以及水合物反应釜分离后产出的气体、液体流量数据。

基于上述所述系统，本发明另外还提出一种二次水合物形成监测与抑制方法，包括以下步骤：

A、二次水合物形成监测：

(1)分段检查系统个组成部分密封性，确认密封性完好，关闭水合物反应釜底部卸荷阀，将多分支井开发系统固定于水合物反应釜下部；

(2)往水合物反应釜内填砂，遵循分层填砂并不断压实的原则，直至完全填满为止，盖上釜盖，并用法兰固定；连接系统各组件至数据采集单元；

(3)关闭各分支水平井的出口阀门、分支水平井外部水浴夹套注热阀门，打开注入模块的注液阀门，往水合物反应釜内注满水，随后打开注气阀门，往反应釜内注入甲烷气，直至达到既定压力；

(4)使水合物反应釜外围腔温控系统控制阀与大气相通，往外围腔内注入低温冷却液，直至注满后，将控制阀(三通阀门)拧至与冷却液水箱循环回路相连，循环冷却液，为水合物反应釜降温至少120小时，若期间系统压力下降，需重新往系统补注甲烷气至既定压力；

(5)待水合物反应釜内温度、压力稳定24小时后，打开至少两个不同位置处的水平分支井，调节背压阀至既定压力，对系统进行降压分解，利用分支水平井内采集的温度、压力、黏度数据分析判断分支井内是否有二次水合物生成，与此同时，对水箱内液体提前预热至既定温度；

(6)当观察到分支井内测量的温度、黏度开始升高，且压力传感器测量值开始降低、某两测点压差升高时，则证明分支井内有二次水合物生成，计量自二次水合物生成以后30min内分支水平井产物经分离后的气体与水产出量变化；若气体产出量与水产出量明显变小，且分支井内压力仍不断升高，则进一步表明分支井内存在二次水合物生成；

B、二次水合物形成抑制：

打开分支水平井外水浴夹套的注入阀门，对分支水平井进行注热水循环升温，并计量升温过程中分支井内温度、压力、黏度变化规律，以及产物经分离后的气体与水产出量变化规律，通过不断升高循环热水温度实现对二次水合物形成的不同程度抑制。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所提出的基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统及其方法，通过对多分支井开发系统及温控模块等的具体设计，可以实现监测不同分支水平井组合条件下开采水合物过程中水平井内二次水合物生成情况，并且对研究分支水平井开采过程中形成二次水合物后，分支井外壁水浴夹套最佳升温幅度，实现有效抑制分支水平井堵塞、提高生产效率具有重要意义，能够实现对二次水合物的形成监测与抑制；

另外该系统还可以同时研究水平井注热法开采水合物储藏时的效率、及联合降压法开采效果，以及在同一开采方法下(降压/注热)分支水平井不同布井位置对开采产能的影响，通过提出一种新的开采方式，有效增加对天然气水合物的开采机理认识，特别是对开采过程中水合物二次生成而堵塞开采井管的风险评估方面的研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例所述监测与抑制系统的结构连接示意图；

图2为图1中多分支井开发系统的俯视示意图；

图3为单个分支水平井及其外壁上的水浴夹套示意图；

其中：1、水合物反应釜；2、外围腔；3、多分支井开发系统主井眼；4、分支水平井；5、水浴夹套；6、甲烷气瓶；7、中间容器；8、注水模块水箱；9、热水循环系统水箱；10、恒温箱；11、液体循环泵；12、冷却液水箱；13、温控模块控制阀；14、水合物反应釜底部卸荷阀；15、背压阀；16、气液分离器；17、产物气体收集瓶；18、产物液体收集容器；19、数据采集单元；20、分支水平井水浴夹套镂空。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1，一种基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统，如图1所示，包括多分支井开发系统、注入模块、温控模块、水合物反应釜1、监测模块、产物收集模块以及数据采集单元；所述多分支井开发系统设置在水合物反应釜1内，注入模块、监测模块及产物收集模块均与数据采集单元19相连；所述多分支井开发系统包括中间主井眼3以及与主井眼3轴向垂直设置的多排分支水平井4，且每一排分支水平井4沿主井眼3圆周方向均匀分布，比如，每一排分支水平井设置有6个，如图2所示，同一径向平面内分支水平井间隔60°，在分支水平井4的外壁上均匀紧密排列有多个井孔，参考图3，本实施例优选井孔沿分支水平井的上、下井壁对称设置，所述井孔由仅能让气体和水两种流体通过的烧结滤芯封堵，而将沉积物砂砾封堵在分支水平井外，更为有效的实现水合物开发过程中的增产；各个分支水平井4的外壁上对应的设有水浴夹套5，水浴夹套5为一封闭系统，其采用铝合金制作，且在水浴夹套上与井孔相对应的位置镂空20(即与分支水平井上、下井壁井孔一致)，水浴夹套5与一热水循环系统相连，所述热水循环系统包括顺次连接的水箱9、恒温箱10和液体循环泵11，水浴夹套本身为一完整封闭系统，此夹套设计不影响水合物产物流体流向井筒，且后期在监测井内水合物生成时，可以通过相此水浴夹套5内注入热水循环的方式促使水合物发生分解，防止分支水平井由于二次水合物生成而导致井孔堵塞；通过控制不同分支水平井的开闭，可以实现水合物储藏在不同分支水平井组合形式下开采，分支水平井组合多样化；而且分支井外壁的水浴夹套还可以通过仅注入热水(区别于降压法开采)，实现水合物储层的单一注热法开采。

所述水合物反应釜1外设置有外围腔2，水合物反应釜1釜体采用铝合金材质，其上设置有上釜盖，水合物反应釜通过法兰与上釜盖的密封，上釜盖为可拆卸的长方体形，耐压40MPa；所述温控模块包括冷却液水箱12及其控制阀13，冷却液水箱12通过循环管路与水合物反应釜的外围腔2连通，以通过冷却液的注入与不断循环实现为水合物反应釜内系统温度的有效控制。

所述注入模块包括注气模块、注水模块及其对应的流量计，注气模块包括甲烷气瓶6和中间容器7，注气模块通过下部注气管线与水合物反应釜1相连，注水模块包括水箱8，通过上部注液管线与水合物反应釜1相连，流量计设置在对应的注气、注液管线上，实现水合物反应釜内气体与液体的注入，并通过控制气体注入量实现不同水合物饱和度的试验条件；所述监测模块包括设置在各分支水平井内壁上每两个井孔间的温度传感器、压力传感器、粘度传感器与两测点间的压差传感器，实现对分支水平井内不同位置处二次水合物生成的实时判断。

所述数据采集单元19用于采集并处理注入模块的流量计测量值、监测模块监测的水合物分解过程中分支水平井内各点温度、压力、黏度及两点间压差值、分支水平井外壁水浴夹套内水温、以及水合物反应釜分离后产出的气体、液体流量数据；所述产物收集模块包括产物气体收集瓶和产物液体收集容器，产物气体收集瓶和产物液体收集容器通过一气液分离器与水合物反应釜相连，且气液分离器与水合物反应釜之间还设置有背压阀。

本实施例所提出的基于多分支井的二次水合物形成监测与抑制系统，通过监测模块、温控模块的设计，实现对二次水合物形成监测及抑制，可有效地提高开采效率，并保证开采安全，开采过程中水合物二次生成而堵塞开采井管的风险评估方面的研究具有重要意义。

实施例2，基于实施例1提出的二次水合物形成监测与抑制系统，本实施例提出一种二次水合物形成监测与抑制方法，包括以下步骤：

A、二次水合物形成监测：

(1)分段检查系统个组成部分密封性，确认密封性完好，关闭水合物反应釜1底部卸荷阀14，将多分支井开发系统固定于水合物反应釜1内；

(2)往水合物反应釜1内填砂，遵循分层填砂并不断压实的原则，直至完全填满为止，盖上釜盖，并用法兰固定，连接系统各单元模块至数据采集单元19；

(3)关闭各分支水平井的出口阀门、分支水平井外部水浴夹套注热阀门，打开注入模块的注液阀门，往水合物反应釜内注满水，随后打开注气阀门，往反应釜内注入甲烷气，直至达到既定压力(如4MPa)；

(4)使水合物反应釜温控模块的控制阀13与大气相通，往外围腔内注入低温冷却液(如2℃)，直至注满后，将控制阀(三通阀门)13拧至与冷却液水箱循环回路相连，循环冷却液，为水合物反应釜降温至少120小时，若期间系统压力下降，需重新往系统补注甲烷气至既定压力；

(5)待水合物反应釜内温度、压力稳定24小时后，打开至少两个不同位置处的水平分支井，比如，打开顶层处于同一径向上两分支水平井的阀门，调节背压阀15至既定压力(如常压)，对系统进行降压分解，利用分支水平井内采集的温度、压力、压差与黏度数据分析判断分支井内是否有二次水合物生成，与此同时，对热水循环系统水箱9内液体提前预热至既定温度(如4℃)；

(6)当观察到分支井内测量的温度、黏度开始升高，且压力传感器测量值开始降低、某两测点压差升高时，则证明分支井内有二次水合物生成，计量自二次水合物生成以后30min内分支水平井产物经分离后的气体与水产出量变化；若气体产出量与水产出量明显变小，且分支井内压力仍不断升高，则进一步表明分支井内存在二次水合物生成；

B、二次水合物形成抑制：

打开分支水平井外水浴夹套注入阀门，对分支水平井进行注热水循环升温，并计量升温过程中分支井内温度、压力、压差、黏度变化规律，以及产物经分离后的气体与水产出量变化规律，通过不断升高循环热水温度实现对二次水合物形成的不同程度抑制。

本发明方案不仅可以实现监测不同分支水平井组合条件下开采水合物过程中水平井内二次水合物生成情况，而且还能够研究分支水平井开采过程中形成二次水合物后，分支井外壁水浴夹套最佳升温幅度，实现有效抑制分支水平井堵塞，提高生产效率，实现对二次水合物的形成监测与抑制，另外对研究水平注热法开采水合物储藏时的效率、及联合降压法开采效果，以及在同一开采方法下(降压/注热)，分支水平井不同布井位置对开采产能的影响均具有重要意义，具体如下：

1)不同分支井开采模式下水平井内二次水合物生产情况监测：

本实施例以6×6＝36个多分支水平井为例，通过分别控制分支水平井开闭，可以实现多种分支井组合形式下水合物开采过程中水平井内二次水合物生产情况，以及产能差异。例如，若将主井眼轴向六等分平面由上往下可分为1-6层，每一层中又以12点钟方向定义为1，顺时针将同一水平平面内分支井定义为1-6，并定义为a层b支分支井，典型地，系统能模拟以及36分支井全开等多种分支井组合条件下开采过程，并能监测开采过程中分支井内二次水合物生产情况以及产能差异。

2)研究分支水平井开采过程中形成二次水合物后最佳升温幅度：

在实验测试过程中，当监测到分支水平井内有二次水合物生成时，可以通过往分支井外壁水浴夹套内注入不同温度热水，研究温度对二次水合物消融的影响，并以此测试出最具经济性的注热温度。

3)不同开采方法的产能差异对比：

本方案分支井开采系统设计，可以实现对不同开采方法条件下的产能差异对比，以及两种开采方式联合使用时开采产能提高效率；例如，在确定一种开采分支井组合条件下，通过两组对比实验，第一组仅对选定的分支井通过背压阀进行降压操作，第二组仅对选定的分支井注入热水(无降压操作)，对比两组实验过程中分支井经分离后产气、产水规律。

同样地，在确定一种开采分支井组合条件下，通过两组对比实验，第一组仅对选定分支井进行降压操作，第二组在降压同时注入一定温度热水，监测两组实验过程中产气、产水规律，从而探讨注热法对降压开采效率的影响。

4)同一开采方法下，分支水平井不同布井位置对开采产能的影响：

本发明的分支井开采系统设计，还能实现当确定一种开采方法(降压法或注热法)时，通过多组对比实验可以研究不同分支井位置对产能的影响；例如，当确定仅通过控制背压阀实现降压开采时，如1)所述，三组实验分别选择与分支井分解，则可以探讨不同水平井位置对降压开采产能影响；同样地，当选择仅通过注入热水控制储层分解时，如1)所述，三组实验分别选择与分支井分解，则可以研究不同水平井位置对注热开采产能影响。

以上仅为本发明的较优实施例，可利用两径向水平分支井实现降压开采，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。