劉 康, 朱 淵, 陳國明, 毛東麟, 姜盛玉

(中國石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東 青島 266580)

0 引 言

天然氣水合物是一種新型、潔凈、高效的能源載體，分布廣泛且儲量巨大[1-2]。2017年5月我國于南海神狐海域首次實現(xiàn)水合物試采成功，在該領(lǐng)域取得重大突破。然而，由于天然氣水合物存儲相態(tài)等因素，使得水合物開采面臨比常規(guī)油氣鉆采更多的問題，如井筒內(nèi)部超溫超壓、水合物再生堵塞等[3,4]。

由于天然氣水合物在能源利用方面的廣闊前景，近年來水合物相關(guān)領(lǐng)域逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。天然氣水合物實驗領(lǐng)域主要集中于水合物微觀形成機理實驗、傳統(tǒng)及新型開采方法模擬等方面。王武昌等[5]進行了天然氣水合物形成及聚集形態(tài)實驗?？琢恋萚6]提出了含氣土試樣制備以模擬含氣土的真實狀態(tài)。李淑霞等[7]對不同飽和度的水合物進行了降壓分解實驗研究。趙仕俊等[8]對常規(guī)天然氣水合物開發(fā)模擬實驗技術(shù)進行了歸類總結(jié)。趙金洲等[9]進行了海洋水合物固態(tài)流化開采物理實驗為水合物開采方法提供新思路。上述實驗研究為水合物的安全高效開采奠定了良好基礎(chǔ)。天然氣水合物鉆采過程中溫度等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測對于控制水合物分解速度、明確分解狀態(tài)、預(yù)判地層物性變化等具有重要意義。加拿大Mallik動土帶水合物試采[10]、日本Nankai海域水合物試采[11]均對溫度進行了完整的監(jiān)測與記錄，然而目前國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)該方面的實驗及應(yīng)用報道。

分布式光纖溫度傳感器(Distributed Temperature Sensing，DTS)具有環(huán)境適應(yīng)能力強，監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化效果好等優(yōu)點[12]。為驗證天然氣水合物溫度監(jiān)測實驗樣機的有效性，探尋水合物井筒溫度變化規(guī)律，培養(yǎng)相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人才，本文基于分布式光纖測溫技術(shù)搭建天然氣水合物開采井筒溫度監(jiān)測實驗平臺，可改變實驗環(huán)境模擬水合物的合成與分解，監(jiān)測井筒及儲層的溫度狀態(tài)，為天然氣水合物的安全高效開采提供建議。

1 實驗原理

目前天然氣水合物的理論開采方法有降壓法、加熱法、置換法、固態(tài)流化法等[2,13]。天然氣水合物開采方法的原理有所差異，但開采過程中均存在復(fù)雜的傳質(zhì)、傳熱現(xiàn)象，水合物井筒及地層溫度的監(jiān)測對于儲層分解前緣認知、水合物流動安全保障、地層溫度恢復(fù)觀測、井底環(huán)空液位確定等具有重要意義。本實驗在室內(nèi)環(huán)境下模擬水合物地層結(jié)構(gòu)，改變實驗環(huán)境實現(xiàn)水合物合成與分解，采用加熱法對水合物模擬層進行開采，基于分布式光纖測溫技術(shù)監(jiān)測水合物井筒與儲層的溫度狀態(tài)，獲取水合物開采過程中的參數(shù)變化規(guī)律，驗證水合物井筒監(jiān)測設(shè)備與方案的可行性，為水合物井筒監(jiān)測和試采作業(yè)提供安全支持。

實驗平臺主要由水合物儲層模擬室、溫度控制模塊、井筒結(jié)構(gòu)模塊、信號采集模塊組成(見圖1)。水合物儲層模擬室營造水合物開采監(jiān)測實驗所需的地層環(huán)境，主體結(jié)構(gòu)為筒形容器，內(nèi)部自上而下依次為水合物上覆層、水合物模擬層、水合物下覆層，水合物儲層模擬室外側(cè)覆有保溫材料以減少外界對室內(nèi)溫度的干擾；溫度控制模塊前端為制冷循環(huán)管路與加熱棒，后端為溫控冷凍機，實驗初期采用溫控冷凍機降低室內(nèi)溫度，制備水合物模擬層，實驗過程中通過加熱棒實現(xiàn)水合物的加熱開采；井筒結(jié)構(gòu)模塊分為監(jiān)測井與生產(chǎn)井兩部分，監(jiān)測井底部密封，生產(chǎn)井底部開口，并配備微型潛水泵以排出水合物模擬層加熱分解的液體；信號采集模塊用于監(jiān)測井、生產(chǎn)井及水合物儲層傳感器的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示及保存，包括感溫光纖、測溫分析儀、數(shù)顯設(shè)備等。各模塊相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同工作，共同實現(xiàn)水合物模擬層制備、水合物加熱開采、井筒溫度監(jiān)測分析等功能，達到天然氣水合物開采井筒溫度監(jiān)測的實驗?zāi)康摹?/p>

圖1 天然氣水合物開采井筒溫度監(jiān)測實驗示意圖

2 實驗設(shè)計與裝置研發(fā)

2.1 實驗環(huán)境設(shè)計與實施

天然氣水合物儲層模擬室設(shè)計為一個內(nèi)徑2 m，高2.5 m的筒形容器(見圖2)，模擬室內(nèi)部為3層土質(zhì)結(jié)構(gòu)?？紤]四氫呋喃(THF)水合物與甲烷水合物具有相似的物理性質(zhì)，同時THF水合物在常壓低溫的條件下即可人工合成[14-15]。本實驗采用THF水合物沉積物(粉細砂)進行模擬實驗。參考實際水合物地層土質(zhì)特征選用粉細砂作為水合物沉積物的合成骨架，根據(jù)THF水合物分子結(jié)構(gòu)，采用質(zhì)量分數(shù)為19%的THF水溶液合成水合物[16]。天然氣水合物儲層模擬室內(nèi)布設(shè)制冷液循環(huán)管路完成水合物的制備工作，采用加熱方式模擬水合物開采，加熱棒(見圖3)布置在生產(chǎn)井井筒底部。

圖2 水合物儲層模擬室實物照片

圖3 水合物層井底加熱棒實物照片

水合物分解的熱利用效率η按下式計算：

(1)

式中:ρ為THF水溶液密度，g/cm3；V為生產(chǎn)井進液量，L；Cd為單位質(zhì)量THF水溶液分解熱，J/kg；N為加熱棒根數(shù)；P為加熱棒功率，W；T為加熱時間，s。

實驗主要步驟如下：① 清理水合物儲層模擬室，填入水合物下覆層并壓實；② 布置環(huán)繞模擬室的制冷液循環(huán)管路，與冷凍機相連，測試制冷效果；③ 固定支撐基座，放置井筒結(jié)構(gòu)模塊，完成常溫、低溫下信號采集模塊的校準工作；④ 布置井底加熱棒，測試加熱棒的加熱控制效果；⑤ 利用冷凍機進行制冷，分層填入水合物模擬層、靜止、壓實，完成水合物模擬層的試置工作；⑥ 保存水合物儲層模擬室的低溫環(huán)境，分層填入水合物上覆層并壓實，完成水合物儲層模擬室的準備工作；⑦ 依據(jù)不同的加熱方案，通過井筒底部間斷或連續(xù)加熱的方式改變水合物溫度條件進行開采，記錄井筒、水合物模擬層的溫度變化；⑧ 記錄開采井環(huán)空的實際液位，完成實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析。

2.2 監(jiān)測設(shè)備選型與布設(shè)

目前井下測溫儀器多屬于點式測量，若要獲取井筒溫度剖面需在井內(nèi)移動傳感器，這樣不可避免將破壞井內(nèi)熱平衡，且不能測出各點同一時刻的溫度值。若每個測溫位置都放置一個點式傳感器，在實際安裝、使用與檢修時增加了成本，且具有諸多不便。DTS是一項應(yīng)用于實時空間溫度測量的技術(shù)，可以實現(xiàn)大范圍、長距離的實時快速測量，還具有耐高溫、無遲滯、安全穩(wěn)定、抗電磁干擾等傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)點，故采用DTS對水合物井筒溫度進行監(jiān)測。為驗證DTS溫度監(jiān)測的有效性，避免單獨采用DTS監(jiān)測存在的儀器失效風(fēng)險，實驗過程中同時布設(shè)高精度電阻式溫度傳感器(Resistance Temperature Detector，RTD)作為輔助監(jiān)測手段。

信號采集模塊前端的溫度傳感器分布于井筒結(jié)構(gòu)模塊與水合物模擬層。井筒結(jié)構(gòu)模塊的溫度傳感器布設(shè)如圖4所示。DTS感溫光纖的空間分辨率為1 m，如光纖受熱長度小于空間分布率時，DTS測量溫度將小于實際溫度值。由于室內(nèi)實驗高度空間有限，為增加溫度采樣點數(shù)目，采用螺距纏繞式光纖鋪設(shè)方法，纏繞總長度滿足：

(2)

式中:H為光纖纏繞垂直高度，m；d為光纖纏繞螺距，mm；L為光纖纏繞總長度，m；θ為纏繞螺旋角；R為纏繞半徑，mm。

監(jiān)測井筒外側(cè)纏繞DTS感溫光纖與RTD以監(jiān)測井筒外側(cè)地層溫度變化規(guī)律。生產(chǎn)井的DTS感溫光纖布置于井筒內(nèi)部以監(jiān)測井筒內(nèi)溫度變化規(guī)律。受限于光纖彎曲曲率限制，生產(chǎn)井筒內(nèi)增設(shè)纏繞管作為DTS感溫光纖的承載體。纏繞管為多孔的筒狀結(jié)構(gòu)，以避免干擾油管外側(cè)與生產(chǎn)井筒內(nèi)側(cè)環(huán)形空間的聯(lián)通性。監(jiān)測井筒與生產(chǎn)井筒之間同一高度布設(shè)RTD以獲取水合物儲層的分解前緣移動規(guī)律。信號采集模塊實物照片如圖5所示，光纖傳感分析儀將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集分析，通過RS-232接口連接電腦以實時顯示并保存。

圖4 井筒結(jié)構(gòu)模塊與光纖布設(shè)圖

圖5 信號采集模塊實物照片

3 實驗結(jié)果與成效分析

3.1 監(jiān)測井與儲層溫度監(jiān)測分析

設(shè)置監(jiān)測井筒外徑220 mm，高度1.7 m，DTS感溫光纖纏繞間距10 mm，依據(jù)式(2)監(jiān)測井外壁需纏繞117.52 m感溫光纖，則溫度采樣點為117個(空間分辨率為1 m)。實驗中生產(chǎn)井與監(jiān)測井間距設(shè)置為1 m，并于距生產(chǎn)井不同距離處水平布置5個RTD。開啟溫控冷凍機，將水合物生成室的溫度降低到-9 ℃，持續(xù)制冷至模擬水合物生成。設(shè)置加熱棒的加熱功率為300 W，連續(xù)3 d恒定功率加熱開采，記錄監(jiān)測井溫度監(jiān)測數(shù)據(jù),如圖6所示。

圖6中I號、II號、III號測點分別距離水合物模擬層20、40和60 cm。由圖6可知：隨著加熱棒的持續(xù)工作，監(jiān)測井井筒外測點溫度緩慢升高。在水合物生成的低溫區(qū)間范圍內(nèi)，DTS測溫性能不受低溫環(huán)境的影響，具有良好的適用性，且DTS與相應(yīng)位置處RTD的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較好的一致性。I號測點的初始溫度最低，加熱開采后的溫度最高。這是由于實驗過程中加熱棒可視為一個點熱源向四周輻射熱量，監(jiān)測井測點位置溫度的變化因距離加熱棒的遠近而有所差異，距離加熱棒較近測點的溫度變化更加顯著。

(a) I號

圖6 監(jiān)測井測點溫度變化圖

繪制I號測點等高位置溫度傳感器的時間變化曲線如圖7所示。

圖7 監(jiān)測井與生產(chǎn)井間測點溫度變化曲線圖

由圖7可知,初始時刻5個水平測點的溫度值與儲層溫度一致，隨著加熱過程的持續(xù)，水合物儲層測點的溫度逐漸升高，溫度剖面呈現(xiàn)自生產(chǎn)井至監(jiān)測井逐漸減小的趨勢。距離生產(chǎn)井越近采樣點的溫度升高速度越快，升溫梯度隨著距生產(chǎn)井距離的增加而逐漸下降。由于水合物骨架中砂土的溫度升高吸收部分熱量，3 d后距離生產(chǎn)井0.9 m采樣點的溫度值僅升高8 ℃左右。

3.2 生產(chǎn)井溫度監(jiān)測與出液分析

設(shè)置生產(chǎn)井筒內(nèi)纏繞管外徑160 mm，高度1.7 m，DTS感溫光纖纏繞間距5 mm，依據(jù)式(2)需纏繞170.92 m 感溫光纖，則溫度采樣點為170個。為進行開采方案的對比分析，設(shè)置第2次加熱開采方式為：將開采時間3 d劃分為6個加熱開采周期，每個周期包括10 h加熱、1 h燜井(停止加熱)和最后1 h進液。繪制實驗過程中井筒內(nèi)部溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)井井筒內(nèi)部溫度變化曲線圖

由圖8可知，隨著加熱時間的增加井筒內(nèi)部溫度顯著增高，井筒內(nèi)部溫度自下而上表現(xiàn)出先增加有減小的趨勢。加熱1、2、3 d后井筒內(nèi)部溫度最大值對應(yīng)的高度分別為40、85、108 cm，與井筒內(nèi)液位高度的實測值一致。這是由于水合物開采液體和環(huán)形空間中的氣體在導(dǎo)熱系數(shù)上存在顯著差距，使得液氣交界面存在可監(jiān)測的溫度突變。

繪制第2次開采過程生產(chǎn)井進液及與第1次實驗的對比情況如圖9和圖10所示。

圖9 第2次開采過程生產(chǎn)井進液情況

圖10 兩次開采實驗進液量對比分析圖

由圖9可知，6個加熱開采周期內(nèi)生產(chǎn)井的進液速度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。這是由于加熱棒提供的熱量在第1個周期主要用于提升水合物儲層溫度，在第2、3個周期主要用于水合物分解，而在后3個周期綜合用于水合物分解區(qū)徑向擴大及相應(yīng)砂土的溫度提高。由圖10可知，第2次實驗的進液量比第1次實驗結(jié)果具有顯著提高。計算兩次實驗中水合物分解的熱利用率分別為12.2%和16.2%，雖然第2次實驗的加熱時間有所縮短，但進液量及熱利用效率明顯增加。這是由于持續(xù)加熱提供的熱量部分用于出液溫度升高、水合物儲層加熱影響范圍的增加等，降低了水合物分解的熱利用效率，而燜井作業(yè)使注入的熱量大部分被水合物分解所利用。因此，合理控制燜井時間對于提高水合物采收率具有積極的意義。

4 結(jié) 語

考慮天然氣水合物加熱開采工藝，基于分布式光纖測溫技術(shù)研制了一套水合物開采井筒溫度監(jiān)測實驗平臺，主要包括水合物儲層模擬室、溫度控制模塊、井筒結(jié)構(gòu)模塊、信號采集模塊四部分。實驗設(shè)計的分布式光纖測溫系統(tǒng)在水合物生成溫度區(qū)間內(nèi)的低溫環(huán)境內(nèi)具有良好的適用性，可以有效獲取水合物開采過程中井筒溫度變化規(guī)律。

本實驗為天然氣水合物開采方案優(yōu)化、溫度監(jiān)測裝置現(xiàn)場應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，將本實驗平臺用于能源類高校安全工程專業(yè)的實驗教學(xué)，有助于學(xué)生了解學(xué)科前沿知識、理解天然氣水合物的開采原理、掌握分布式測溫設(shè)備使用方法，對于學(xué)生提高科學(xué)實驗?zāi)芰ζ鸬椒e極作用。本實驗系統(tǒng)能夠較好的滿足教學(xué)、實驗及科研的相關(guān)需求。