天然气水合物开采井筒温度监测实验

刘 康, 朱 渊, 陈国明, 毛东麟, 姜盛玉

(中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心,山东 青岛 266580)

0 引 言

天然气水合物是一种新型、洁净、高效的能源载体，分布广泛且储量巨大[1-2]。2017年5月我国于南海神狐海域首次实现水合物试采成功，在该领域取得重大突破。然而，由于天然气水合物存储相态等因素，使得水合物开采面临比常规油气钻采更多的问题，如井筒内部超温超压、水合物再生堵塞等[3,4]。

由于天然气水合物在能源利用方面的广阔前景，近年来水合物相关领域逐渐成为国内外学者的研究热点。天然气水合物实验领域主要集中于水合物微观形成机理实验、传统及新型开采方法模拟等方面。王武昌等[5]进行了天然气水合物形成及聚集形态实验。孔亮等[6]提出了含气土试样制备以模拟含气土的真实状态。李淑霞等[7]对不同饱和度的水合物进行了降压分解实验研究。赵仕俊等[8]对常规天然气水合物开发模拟实验技术进行了归类总结。赵金洲等[9]进行了海洋水合物固态流化开采物理实验为水合物开采方法提供新思路。上述实验研究为水合物的安全高效开采奠定了良好基础。天然气水合物钻采过程中温度等关键参数的实时监测对于控制水合物分解速度、明确分解状态、预判地层物性变化等具有重要意义。加拿大Mallik动土带水合物试采[10]、日本Nankai海域水合物试采[11]均对温度进行了完整的监测与记录，然而目前国内尚未发现该方面的实验及应用报道。

分布式光纤温度传感器(Distributed Temperature Sensing，DTS)具有环境适应能力强，监测数据可视化效果好等优点[12]。为验证天然气水合物温度监测实验样机的有效性，探寻水合物井筒温度变化规律，培养相关领域的工程技术人才，本文基于分布式光纤测温技术搭建天然气水合物开采井筒温度监测实验平台，可改变实验环境模拟水合物的合成与分解，监测井筒及储层的温度状态，为天然气水合物的安全高效开采提供建议。

1 实验原理

目前天然气水合物的理论开采方法有降压法、加热法、置换法、固态流化法等[2,13]。天然气水合物开采方法的原理有所差异，但开采过程中均存在复杂的传质、传热现象，水合物井筒及地层温度的监测对于储层分解前缘认知、水合物流动安全保障、地层温度恢复观测、井底环空液位确定等具有重要意义。本实验在室内环境下模拟水合物地层结构，改变实验环境实现水合物合成与分解，采用加热法对水合物模拟层进行开采，基于分布式光纤测温技术监测水合物井筒与储层的温度状态，获取水合物开采过程中的参数变化规律，验证水合物井筒监测设备与方案的可行性，为水合物井筒监测和试采作业提供安全支持。

实验平台主要由水合物储层模拟室、温度控制模块、井筒结构模块、信号采集模块组成(见图1)。水合物储层模拟室营造水合物开采监测实验所需的地层环境，主体结构为筒形容器，内部自上而下依次为水合物上覆层、水合物模拟层、水合物下覆层，水合物储层模拟室外侧覆有保温材料以减少外界对室内温度的干扰；温度控制模块前端为制冷循环管路与加热棒，后端为温控冷冻机，实验初期采用温控冷冻机降低室内温度，制备水合物模拟层，实验过程中通过加热棒实现水合物的加热开采；井筒结构模块分为监测井与生产井两部分，监测井底部密封，生产井底部开口，并配备微型潜水泵以排出水合物模拟层加热分解的液体；信号采集模块用于监测井、生产井及水合物储层传感器的数据采集、分析、显示及保存，包括感温光纤、测温分析仪、数显设备等。各模块相互关联、协同工作，共同实现水合物模拟层制备、水合物加热开采、井筒温度监测分析等功能，达到天然气水合物开采井筒温度监测的实验目的。

图1 天然气水合物开采井筒温度监测实验示意图

2 实验设计与装置研发

2.1 实验环境设计与实施

天然气水合物储层模拟室设计为一个内径2 m，高2.5 m的筒形容器(见图2)，模拟室内部为3层土质结构。考虑四氢呋喃(THF)水合物与甲烷水合物具有相似的物理性质，同时THF水合物在常压低温的条件下即可人工合成[14-15]。本实验采用THF水合物沉积物(粉细砂)进行模拟实验。参考实际水合物地层土质特征选用粉细砂作为水合物沉积物的合成骨架，根据THF水合物分子结构，采用质量分数为19%的THF水溶液合成水合物[16]。天然气水合物储层模拟室内布设制冷液循环管路完成水合物的制备工作，采用加热方式模拟水合物开采，加热棒(见图3)布置在生产井井筒底部。

图2 水合物储层模拟室实物照片

图3 水合物层井底加热棒实物照片

水合物分解的热利用效率η按下式计算：

(1)

式中:ρ为THF水溶液密度，g/cm3；V为生产井进液量，L；Cd为单位质量THF水溶液分解热，J/kg；N为加热棒根数；P为加热棒功率，W；T为加热时间，s。

实验主要步骤如下：① 清理水合物储层模拟室，填入水合物下覆层并压实；② 布置环绕模拟室的制冷液循环管路，与冷冻机相连，测试制冷效果；③ 固定支撑基座，放置井筒结构模块，完成常温、低温下信号采集模块的校准工作；④ 布置井底加热棒，测试加热棒的加热控制效果；⑤ 利用冷冻机进行制冷，分层填入水合物模拟层、静止、压实，完成水合物模拟层的试置工作；⑥ 保存水合物储层模拟室的低温环境，分层填入水合物上覆层并压实，完成水合物储层模拟室的准备工作；⑦ 依据不同的加热方案，通过井筒底部间断或连续加热的方式改变水合物温度条件进行开采，记录井筒、水合物模拟层的温度变化；⑧ 记录开采井环空的实际液位，完成实验监测数据的处理与分析。

2.2 监测设备选型与布设

目前井下测温仪器多属于点式测量，若要获取井筒温度剖面需在井内移动传感器，这样不可避免将破坏井内热平衡，且不能测出各点同一时刻的温度值。若每个测温位置都放置一个点式传感器，在实际安装、使用与检修时增加了成本，且具有诸多不便。DTS是一项应用于实时空间温度测量的技术，可以实现大范围、长距离的实时快速测量，还具有耐高温、无迟滞、安全稳定、抗电磁干扰等传统温度传感器不可比拟的优点，故采用DTS对水合物井筒温度进行监测。为验证DTS温度监测的有效性，避免单独采用DTS监测存在的仪器失效风险，实验过程中同时布设高精度电阻式温度传感器(Resistance Temperature Detector，RTD)作为辅助监测手段。

信号采集模块前端的温度传感器分布于井筒结构模块与水合物模拟层。井筒结构模块的温度传感器布设如图4所示。DTS感温光纤的空间分辨率为1 m，如光纤受热长度小于空间分布率时，DTS测量温度将小于实际温度值。由于室内实验高度空间有限，为增加温度采样点数目，采用螺距缠绕式光纤铺设方法，缠绕总长度满足：

(2)

式中:H为光纤缠绕垂直高度，m；d为光纤缠绕螺距，mm；L为光纤缠绕总长度，m；θ为缠绕螺旋角；R为缠绕半径，mm。

监测井筒外侧缠绕DTS感温光纤与RTD以监测井筒外侧地层温度变化规律。生产井的DTS感温光纤布置于井筒内部以监测井筒内温度变化规律。受限于光纤弯曲曲率限制，生产井筒内增设缠绕管作为DTS感温光纤的承载体。缠绕管为多孔的筒状结构，以避免干扰油管外侧与生产井筒内侧环形空间的联通性。监测井筒与生产井筒之间同一高度布设RTD以获取水合物储层的分解前缘移动规律。信号采集模块实物照片如图5所示，光纤传感分析仪将监测数据进行采集分析，通过RS-232接口连接电脑以实时显示并保存。

图4 井筒结构模块与光纤布设图

图5 信号采集模块实物照片

3 实验结果与成效分析

3.1 监测井与储层温度监测分析

设置监测井筒外径220 mm，高度1.7 m，DTS感温光纤缠绕间距10 mm，依据式(2)监测井外壁需缠绕117.52 m感温光纤，则温度采样点为117个(空间分辨率为1 m)。实验中生产井与监测井间距设置为1 m，并于距生产井不同距离处水平布置5个RTD。开启温控冷冻机，将水合物生成室的温度降低到-9 ℃，持续制冷至模拟水合物生成。设置加热棒的加热功率为300 W，连续3 d恒定功率加热开采，记录监测井温度监测数据,如图6所示。

图6中I号、II号、III号测点分别距离水合物模拟层20、40和60 cm。由图6可知：随着加热棒的持续工作，监测井井筒外测点温度缓慢升高。在水合物生成的低温区间范围内，DTS测温性能不受低温环境的影响，具有良好的适用性，且DTS与相应位置处RTD的监测数据具有较好的一致性。I号测点的初始温度最低，加热开采后的温度最高。这是由于实验过程中加热棒可视为一个点热源向四周辐射热量，监测井测点位置温度的变化因距离加热棒的远近而有所差异，距离加热棒较近测点的温度变化更加显著。

(a) I号

图6 监测井测点温度变化图

绘制I号测点等高位置温度传感器的时间变化曲线如图7所示。

图7 监测井与生产井间测点温度变化曲线图

由图7可知,初始时刻5个水平测点的温度值与储层温度一致，随着加热过程的持续，水合物储层测点的温度逐渐升高，温度剖面呈现自生产井至监测井逐渐减小的趋势。距离生产井越近采样点的温度升高速度越快，升温梯度随着距生产井距离的增加而逐渐下降。由于水合物骨架中砂土的温度升高吸收部分热量，3 d后距离生产井0.9 m采样点的温度值仅升高8 ℃左右。

3.2 生产井温度监测与出液分析

设置生产井筒内缠绕管外径160 mm，高度1.7 m，DTS感温光纤缠绕间距5 mm，依据式(2)需缠绕170.92 m 感温光纤，则温度采样点为170个。为进行开采方案的对比分析，设置第2次加热开采方式为：将开采时间3 d划分为6个加热开采周期，每个周期包括10 h加热、1 h焖井(停止加热)和最后1 h进液。绘制实验过程中井筒内部温度变化曲线如图8所示。

图8 生产井井筒内部温度变化曲线图

由图8可知，随着加热时间的增加井筒内部温度显著增高，井筒内部温度自下而上表现出先增加有减小的趋势。加热1、2、3 d后井筒内部温度最大值对应的高度分别为40、85、108 cm，与井筒内液位高度的实测值一致。这是由于水合物开采液体和环形空间中的气体在导热系数上存在显著差距，使得液气交界面存在可监测的温度突变。

绘制第2次开采过程生产井进液及与第1次实验的对比情况如图9和图10所示。

图9 第2次开采过程生产井进液情况

图10 两次开采实验进液量对比分析图

由图9可知，6个加热开采周期内生产井的进液速度呈现先增加后减小的趋势。这是由于加热棒提供的热量在第1个周期主要用于提升水合物储层温度，在第2、3个周期主要用于水合物分解，而在后3个周期综合用于水合物分解区径向扩大及相应砂土的温度提高。由图10可知，第2次实验的进液量比第1次实验结果具有显著提高。计算两次实验中水合物分解的热利用率分别为12.2%和16.2%，虽然第2次实验的加热时间有所缩短，但进液量及热利用效率明显增加。这是由于持续加热提供的热量部分用于出液温度升高、水合物储层加热影响范围的增加等，降低了水合物分解的热利用效率，而焖井作业使注入的热量大部分被水合物分解所利用。因此，合理控制焖井时间对于提高水合物采收率具有积极的意义。

4 结 语

考虑天然气水合物加热开采工艺，基于分布式光纤测温技术研制了一套水合物开采井筒温度监测实验平台，主要包括水合物储层模拟室、温度控制模块、井筒结构模块、信号采集模块四部分。实验设计的分布式光纤测温系统在水合物生成温度区间内的低温环境内具有良好的适用性，可以有效获取水合物开采过程中井筒温度变化规律。

本实验为天然气水合物开采方案优化、温度监测装置现场应用奠定了基础，将本实验平台用于能源类高校安全工程专业的实验教学，有助于学生了解学科前沿知识、理解天然气水合物的开采原理、掌握分布式测温设备使用方法，对于学生提高科学实验能力起到积极作用。本实验系统能够较好的满足教学、实验及科研的相关需求。