本發(fā)明屬于深水氣井測試過程中的流動保障領(lǐng)域，具體地，涉及一種深水氣井測試期間水合物沉積規(guī)律的監(jiān)測裝置及方法，用于模擬初開井、變流量開采、關(guān)井等測試階段的水合物沉積堵塞規(guī)律，從而為流動保障提供依據(jù)。

背景技術(shù)：

隨著陸上石油資源耗竭和海洋石油的不斷開采，深水油氣資源開采已日趨成為石油開發(fā)的熱點領(lǐng)域。在深水領(lǐng)域，低溫高壓的環(huán)境極易促使水合物的生成，水合物固結(jié)在管壁引起節(jié)流效應(yīng)，加速其沉積過程，形成惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致井筒堵塞，給油氣開采造成巨大的經(jīng)濟損失及事故風險。因此，深水測試過程中水合物的沉積堵塞問題已成為流動保障領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容之一。

在深水氣井測試過程中，地層中的水或者濾液水會隨氣體攜帶而上升，一旦達到水合物生成的條件，就會與天然氣形成水合物而沉積到管壁上，沉積引起管徑變小，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，在管壁快速生成水合物直到堵塞管道。氣體組分、溫度、壓力及水的供應(yīng)、管壁極性等是影響水合物生成的重要因素，需要展開更深入的研究。

目前，對于水合物沉積堵塞的研究主要集中在水合物動力學方面。有關(guān)水合物生成及分解方面的研究已經(jīng)開展了大量的工作，可分為靜態(tài)生成和動態(tài)生成。靜態(tài)生成以反應(yīng)釜為主，可通過向反應(yīng)釜中加入試劑、控制壓力等方式加速水合物的生成，雖然可以快速生成，為水合物快速制備及后續(xù)物性研究提供方便，但是與實際的流動不符，不能為流動保障提供參考。動態(tài)生成多集中在油氣儲運方向，以水合物漿的可流動性為研究目標，其水平管道的兩相流型與豎直井筒截然不同，同時，水合物層厚度及沉積過程也沒有重點研究。

在為數(shù)不多的有關(guān)豎直管道水合物沉積的裝置中，大多通過可視窗來觀察研究沉積過程，無法有效測量水合物層沉積厚度及不同工況下水合物的沉積規(guī)律，即形成水合物段塞，抑或形成水合物層但中間流體可流動，抑或不同段的水合物層厚度不同。

綜上，在深水氣井測試過程中，對于水合物沉積位置、厚度及規(guī)律等方面的研究尚且不足，非常有必要設(shè)計一套能夠模擬不同測試階段水合物沉積堵塞規(guī)律的方法及裝置，并以此為基礎(chǔ)研究溫壓、含水率、管壁極性等因素對水合物沉積的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種監(jiān)測氣井測試工況下水合物沉積堵塞規(guī)律的裝置及方法，對氣井測試過程和已有的水合物技術(shù)進行分析評價；該裝置設(shè)置透明井筒和不透明井筒的對照組，并利用超聲、光透、壓差等多種手段來檢測氣-水-水合物三相的分布、水合物沉積層厚度，可用于模擬初開井、變流量、關(guān)井等工況下水合物結(jié)晶、沉積直至堵塞管道的過程，并探究溫度、壓力、含水率、管壁極性等對水合物沉積的影響，為深水井筒流動保障的水合物動力學預(yù)防提供基礎(chǔ)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案：

深水氣井測試期間水合物沉積規(guī)律的監(jiān)測裝置，包括：氣液輸送系統(tǒng)、水合物監(jiān)測系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)；氣液輸送系統(tǒng)提供氣源、液源，混合后輸送至水合物監(jiān)測系統(tǒng)；水合物監(jiān)測系統(tǒng)以高壓低溫條件在模擬井筒內(nèi)形成水合物，記錄觀察水合物結(jié)晶、沉積堵塞過程；輔助系統(tǒng)進行氣體后處理，并實現(xiàn)對裝置的安全控制。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：

1、模擬水合物生成過程為動態(tài)過程，與實際測試過程相符。

2、模擬井筒101為完全透明管，實時觀察水合物沉積附著至堵塞過程。

3、可調(diào)節(jié)含水率以討論含水率對水合物沉積的影響。

4、設(shè)置模擬井筒對照組，與裝置之間為法蘭連接，可通過拆卸更換，討論管壁極性、管壁粗糙度對水合物沉積的影響。

5、超聲成像可實時對不同位置的氣-水-水合物三相的沉積分布情況進行成像觀察。

6、壓差法對超聲信號折算水合物厚度進行修正，并結(jié)合光信號、人工機械測量，以多種方式對水合物沉積厚度準確測量。

7、深水測試井筒中水合物的生成和沉積特性對于深水測試的流動保障問題的解決具有重要意義。

附圖說明

圖1是深水氣井測試期間水合物沉積規(guī)律監(jiān)測裝置的示意圖；

圖2是超聲成像水合物層厚度及誤差修正示意圖；

圖中：101、第一模擬井筒，102、第二模擬井筒，103、第一溫度傳感器，104、第二溫度傳感器，105、第一壓差計，106、第二壓差計，107、超聲儀器，108、光透儀器，109、攝像機，201、第一氣瓶，202、第二氣瓶，203、第一三通閥，204、第二三通閥，205、第三三通閥，206、第四三通閥，207、第一容器，301、蓄水罐，302、增壓泵，401、手動增壓泵，402、氣體處理容器，403、冷卻水浴，501、第一截止閥，502、第二截止閥，503、第三截止閥，601、第一單向閥，602、第二單向閥，603、背壓閥，604、安全閥，701、第一壓力傳感器，702、第二壓力傳感器，801、第一質(zhì)量流量計，802、第二質(zhì)量流量計，803、第三質(zhì)量流量計。

具體實施方式

圖1所示，深水氣井測試期間水合物沉積規(guī)律的監(jiān)測裝置，包括：氣液輸送系統(tǒng)、水合物監(jiān)測系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)；氣液輸送系統(tǒng)提供氣源、液源，混合后輸送至水合物監(jiān)測系統(tǒng)；水合物監(jiān)測系統(tǒng)以高壓低溫條件在模擬井筒內(nèi)形成水合物，記錄觀察水合物結(jié)晶、沉積堵塞過程；輔助系統(tǒng)進行氣體后處理，并實現(xiàn)對裝置的安全控制。

氣液輸送系統(tǒng)，包括：冷卻水浴403、第一氣瓶201、第二氣瓶202、第一三通閥203、第一壓力傳感器701、第一單向閥601、第一容器207、蓄水罐301、增壓泵302、第三截止閥503、第一質(zhì)量流量計801、第二質(zhì)量流量計802、第二三通閥204、第二單向閥602；其中，第一氣瓶201、第二氣瓶202均放置于冷卻水浴403中，由冷卻水浴控制氣體溫度為0-8℃；第一氣瓶201、第二氣瓶202分別連接第一三通閥203的兩個入口端，第一氣瓶201、第二氣瓶202中分別盛裝甲烷、乙烷；第一三通閥203的出口端與第一容器207的入口端通過管線相連，該管線上由第一三通閥203至第一容器207的方向依次設(shè)有第一壓力傳感器701、第一單向閥601，第一壓力傳感器701測定混合氣體的壓力，第一容器207內(nèi)盛有水，使混合氣體含水飽和；蓄水罐301、第一容器207出口端分別通過管線與第二三通閥204的兩個入口端相連，蓄水罐301與第二三通閥204相連的管線上依次設(shè)有增壓泵302、第三截止閥503、第一質(zhì)量流量計801，增壓泵302為蓄水罐301輸送的水提供壓力，第三截止閥503控制水的輸送，以控制含水率，第一質(zhì)量流量計801測定輸送水的質(zhì)量流量；第一容器207的出口端與第二三通閥204相連的管線上設(shè)有第二質(zhì)量流量計802，第二流量計802測定混合氣體的質(zhì)量流量；第二三通閥204出口端通過管線與第二單向閥602的入口端相連，第二單向閥602的出口端連接至水合物監(jiān)測系統(tǒng)；氣液經(jīng)第二三通閥204混合后，通過第二單向閥602輸送至水合物監(jiān)測系統(tǒng)。

水合物監(jiān)測系統(tǒng)，包括：第三三通閥205、第一截止閥501、第二截止閥502、第一模擬井筒101、第二模擬井筒102、第一溫度傳感器103、第二溫度傳感器104、第一壓差計105、第二壓差計106、超聲儀器107、光透儀器108、攝像機109、第四三通閥206、第三質(zhì)量流量計803；氣液輸送系統(tǒng)的第二單向閥602的出口端與水合物監(jiān)測系統(tǒng)的第三三通閥205的入口端通過管線相連，該管線上設(shè)置有第一溫度傳感器103，第一溫度傳感器103測定輸入水合物監(jiān)測系統(tǒng)的混合流體溫度；第三三通閥205的兩個出口端分別與第一模擬井筒101、第二模擬井筒102的入口端通過管線相連，第三三通閥205的出口端至第一模擬井筒101的管線上設(shè)置有第一截止閥501，第一截止閥501控制第一模擬井筒101的開關(guān)，第三三通閥205的出口端至第二模擬井筒102的管線上設(shè)置有第二截止閥502，第二截止閥502控制第二模擬井筒102的開關(guān)；第一模擬井筒101為透明玻璃管，兩端設(shè)置有第一壓差計105，第一壓差計105測量第一模擬井筒101兩端壓差；第一模擬井筒101配置有超聲儀器107、光透儀器108、攝像機109，超聲儀器107發(fā)出超聲波，遇不同介質(zhì)反射信號，可實現(xiàn)對氣-水-水合物三相的分布成像；光透儀器108發(fā)射光信號，由接收器接收信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可測定水合物層厚度；超聲儀器107、光透儀器108均置于豎直滑軌上(豎直滑軌圖中未示意)，可實現(xiàn)上下滑動，對井筒不同位置進行數(shù)據(jù)采集，攝像機109可實時觀察第一模擬井筒101內(nèi)水合物沉積過程；第二模擬井筒102為鋼制井筒，兩端設(shè)置有第二壓差計106，第二壓差計106測量第二模擬井筒102兩端的壓差；第一模擬井筒101、第二模擬井筒102為對照組，超聲儀器107對第一模擬井筒101內(nèi)水合物層厚度成像所引起的誤差可通過兩端壓差校正，校正方法具體見圖2，并以此為基礎(chǔ)對第二模擬井筒內(nèi)的水合物層厚度進行預(yù)測；第一模擬井筒101、第二模擬井筒102的出口端分別與第四三通閥206的入口端通過管線相連，第四三通閥206的出口端通過管線與輔助系統(tǒng)相連，第四三通閥206至輔助系統(tǒng)的管線上依次設(shè)置有第二溫度傳感器104、第三質(zhì)量流量計803，第二溫度傳感器104測定輸出水合物監(jiān)測系統(tǒng)的混合流體溫度，第三質(zhì)量流量計803測定輸出水合物監(jiān)測系統(tǒng)的混合流體質(zhì)量流量。

輔助系統(tǒng)，包括：手動增壓泵401、氣體處理容器402、第二壓力傳感器702、背壓閥603、安全閥604；水合物監(jiān)測系統(tǒng)的第三質(zhì)量流量計803的出口端與輔助系統(tǒng)的安全閥604的入口端通過管線相連；安全閥604的出口端通過管線與氣體處理容器402相連，氣體處理容器402用于對排出水合物監(jiān)測系統(tǒng)的流體進行后處理，該管線上設(shè)置有背壓閥603，由背壓閥603控制水合物監(jiān)測系統(tǒng)的壓力；背壓閥603的頂端通過管線與手動增壓泵401相連，該管線上設(shè)置有第二壓力傳感器702，第二壓力傳感器702測定水合物監(jiān)測系統(tǒng)的壓力；手動增壓泵401調(diào)節(jié)水合物監(jiān)測系統(tǒng)的壓力；

所述模擬井筒壓力為1-10MPa，流體溫度為0-8℃。

所述模擬井筒對照組可實現(xiàn)不同管壁極性對水合物沉積的影響。

所述模擬井筒可進行更換，實現(xiàn)對不同管壁粗糙度的選擇，討論不同管壁粗糙度對水合物沉積影響。

所述氣液相質(zhì)量流量計可調(diào)節(jié)含水率在3％以內(nèi)，討論不同含水率對水合物沉積的影響。

所述超聲儀器對初開井時氣液相的環(huán)霧流分布情況、水合物生成后的氣液固三相分布進行成像。

所述裝置內(nèi)所有管線均外包有保溫材料。

深水氣井測試期間水合物沉積規(guī)律的監(jiān)測方法，采用所述深水氣井測試期間水合物沉積規(guī)律的監(jiān)測裝置，可以模擬初開井、變流量、關(guān)井等工況下水合物結(jié)晶、沉積直至堵塞管道的過程，并探究溫度、壓力、含水率、管壁極性等對水合物沉積的影響，具體步驟如下：

第一步，打開第一氣瓶201、第二氣瓶202的閥門，啟動計算機，檢查裝置氣密性和儀器顯示。

第二步，設(shè)定冷卻水浴溫度為0-8℃。待冷卻完成，打開第一氣瓶201和第二氣瓶202，由第一壓力傳感器701記錄氣體壓力，輸送至第二三通閥204。打開第三截止閥503，由增壓泵302將液相輸送至第二三通閥204。由第一質(zhì)量流量計801和第二質(zhì)量流量計802記錄液相和氣相的質(zhì)量流量，分別為m₁和m₂，則混合流體的質(zhì)量含水率為：m₁/(m₁+m₂)×100％。氣液相經(jīng)第二三通閥204混合后輸送至水合物監(jiān)測系統(tǒng)，由背壓閥603和第二壓力傳感器702控制井筒壓力在1-10MPa。

第三步，在水合物生成過程中，實時記錄各溫度傳感器、壓差計、流量計、超聲信號、光信號，并攝像記錄。利用超聲成像技術(shù)對井筒內(nèi)的氣-水-水合物三相的分布情況進行成像，并校正水合物層厚度，校正方法如圖2所示。

第四步，待水合物堵塞至一定程度，使其升溫降壓分解，更換模擬井筒、或更換氣體、或調(diào)整氣液相流量、或調(diào)整水浴溫度，重復(fù)上述步驟進行下一輪測試。

圖2所示為超聲成像水合物層厚度及誤差修正示意圖，超聲信號得到水合物厚度所存在的誤差可通過壓差方法進行修正，具體為：

取井筒向上方向為x正向，超聲信號得到水合物層厚度為：

h＝h(x)

流體在過流界面1和過流界面2之間的流動遵循實際流體的伯努利方程，即

根據(jù)微分理論，得到：

上式中，dP為1-2截面壓差，ρ為氣相密度，λ為氣相沿程摩阻系數(shù)，D為井筒內(nèi)徑，Q為氣相體積流量。

根據(jù)積分理論，并引入水合物沉積層厚度誤差δ，有

式中，L為井筒長度；故而，水合物層厚度為

h＝h(x)+δ

利用井筒兩端壓差ΔP矯正誤差，并以此為基礎(chǔ)對模擬井筒102的水合物沉積情況進行研究。

同時，結(jié)合人工機械測量的方式對水合物厚度進行測定。