天然氣水合物開采井筒溫度監測實驗

劉 康, 朱 淵, 陳國明, 毛東麟, 姜盛玉

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心,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水合物試采成功，在該領域取得重大突破。然而，由于天然氣水合物存儲相態等因素，使得水合物開采面臨比常規油氣鉆采更多的問題，如井筒內部超溫超壓、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，近年來水合物相關領域逐漸成為國內外學者的研究熱點。天然氣水合物實驗領域主要集中于水合物微觀形成機理實驗、傳統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實驗。孔亮等[6]提出了含氣土試樣制備以模擬含氣土的真實狀態。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]對常規天然氣水合物開發模擬實驗技術進行了歸類總結。趙金洲等[9]進行了海洋水合物固態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。天然氣水合物鉆采過程中溫度等關鍵參數的實時監測對于控制水合物分解速度、明確分解狀態、預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測與記錄，然而目前國內尚未發現該方面的實驗及應用報道。

分布式光纖溫度傳感器(Distributed Temperature Sensing，DTS)具有環境適應能力強，監測數據可視化效果好等優點[12]。為驗證天然氣水合物溫度監測實驗樣機的有效性，探尋水合物井筒溫度變化規律，培養相關領域的工程技術人才，本文基于分布式光纖測溫技術搭建天然氣水合物開采井筒溫度監測實驗平臺，可改變實驗環境模擬水合物的合成與分解，監測井筒及儲層的溫度狀態，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雜的傳質、傳熱現象，水合物井筒及地層溫度的監測對于儲層分解前緣認知、水合物流動安全保障、地層溫度恢復觀測、井底環空液位確定等具有重要意義。本實驗在室內環境下模擬水合物地層結構，改變實驗環境實現水合物合成與分解，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監測水合物井筒與儲層的溫度狀態，獲取水合物開采過程中的參數變化規律，驗證水合物井筒監測設備與方案的可行性，為水合物井筒監測和試采作業提供安全支持。

實驗平臺主要由水合物儲層模擬室、溫度控制模塊、井筒結構模塊、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測實驗所需的地層環境，主體結構為筒形容器，內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覆有保溫材料以減少外界對室內溫度的干擾；溫度控制模塊前端為制冷循環管路與加熱棒，后端為溫控冷凍機，實驗初期采用溫控冷凍機降低室內溫度，制備水合物模擬層，實驗過程中通過加熱棒實現水合物的加熱開采；井筒結構模塊分為監測井與生產井兩部分，監測井底部密封，生產井底部開口，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測井、生產井及水合物儲層傳感器的數據采集、分析、顯示及保存，包括感溫光纖、測溫分析儀、數顯設備等。各模塊相互關聯、協同工作，共同實現水合物模擬層制備、水合物加熱開采、井筒溫度監測分析等功能，達到天然氣水合物開采井筒溫度監測的實驗目的。

圖1 天然氣水合物開采井筒溫度監測實驗示意圖

2 實驗設計與裝置研發

2.1 實驗環境設計與實施

天然氣水合物儲層模擬室設計為一個內徑2 m，高2.5 m的筒形容器(見圖2)，模擬室內部為3層土質結構。考慮四氫呋喃(THF)水合物與甲烷水合物具有相似的物理性質，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特征選用粉細砂作為水合物沉積物的合成骨架，根據THF水合物分子結構，采用質量分數為19%的THF水溶液合成水合物[16]。天然氣水合物儲層模擬室內布設制冷液循環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為生產井進液量，L；Cd為單位質量THF水溶液分解熱，J/kg；N為加熱棒根數；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 布置環繞模擬室的制冷液循環管路，與冷凍機相連，測試制冷效果；③ 固定支撐基座，放置井筒結構模塊，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 依據不同的加熱方案，通過井筒底部間斷或連續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 記錄開采井環空的實際液位，完成實驗監測數據的處理與分析。

2.2 監測設備選型與布設

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移動傳感器，這樣不可避免將破壞井內熱平衡，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是一項應用于實時空間溫度測量的技術，可以實現大范圍、長距離的實時快速測量，還具有耐高溫、無遲滯、安全穩定、抗電磁干擾等傳統溫度傳感器不可比擬的優點，故采用DTS對水合物井筒溫度進行監測。為驗證DTS溫度監測的有效性，避免單獨采用DTS監測存在的儀器失效風險，實驗過程中同時布設高精度電阻式溫度傳感器(Resistance Temperature Detector，RTD)作為輔助監測手段。

信號采集模塊前端的溫度傳感器分布于井筒結構模塊與水合物模擬層。井筒結構模塊的溫度傳感器布設如圖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。由于室內實驗高度空間有限，為增加溫度采樣點數目，采用螺距纏繞式光纖鋪設方法，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。

監測井筒外側纏繞DTS感溫光纖與RTD以監測井筒外側地層溫度變化規律。生產井的DTS感溫光纖布置于井筒內部以監測井筒內溫度變化規律。受限于光纖彎曲曲率限制，生產井筒內增設纏繞管作為DTS感溫光纖的承載體。纏繞管為多孔的筒狀結構，以避免干擾油管外側與生產井筒內側環形空間的聯通性。監測井筒與生產井筒之間同一高度布設RTD以獲取水合物儲層的分解前緣移動規律。信號采集模塊實物照片如圖5所示，光纖傳感分析儀將監測數據進行采集分析，通過RS-232接口連接電腦以實時顯示并保存。

圖4 井筒結構模塊與光纖布設圖

圖5 信號采集模塊實物照片

3 實驗結果與成效分析

3.1 監測井與儲層溫度監測分析

設置監測井筒外徑220 mm，高度1.7 m，DTS感溫光纖纏繞間距10 mm，依據式(2)監測井外壁需纏繞117.52 m感溫光纖，則溫度采樣點為117個(空間分辨率為1 m)。實驗中生產井與監測井間距設置為1 m，并于距生產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 ℃，持續制冷至模擬水合物生成。設置加熱棒的加熱功率為300 W，連續3 d恒定功率加熱開采，記錄監測井溫度監測數據,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：隨著加熱棒的持續工作，監測井井筒外測點溫度緩慢升高。在水合物生成的低溫區間范圍內，DTS測溫性能不受低溫環境的影響，具有良好的適用性，且DTS與相應位置處RTD的監測數據具有較好的一致性。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 監測井與生產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，水合物儲層測點的溫度逐漸升高，溫度剖面呈現自生產井至監測井逐漸減小的趨勢。距離生產井越近采樣點的溫度升高速度越快，升溫梯度隨著距生產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后距離生產井0.9 m采樣點的溫度值僅升高8 ℃左右。

3.2 生產井溫度監測與出液分析

設置生產井筒內纏繞管外徑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部溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 生產井井筒內部溫度變化曲線圖

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

繪制第2次開采過程生產井進液及與第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個加熱開采周期內生產井的進液速度呈現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徑向擴大及相應砂土的溫度提高。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 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研制了一套水合物開采井筒溫度監測實驗平臺，主要包括水合物儲層模擬室、溫度控制模塊、井筒結構模塊、信號采集模塊四部分。實驗設計的分布式光纖測溫系統在水合物生成溫度區間內的低溫環境內具有良好的適用性，可以有效獲取水合物開采過程中井筒溫度變化規律。

本實驗為天然氣水合物開采方案優化、溫度監測裝置現場應用奠定了基礎，將本實驗平臺用于能源類高校安全工程專業的實驗教學，有助于學生了解學科前沿知識、理解天然氣水合物的開采原理、掌握分布式測溫設備使用方法，對于學生提高科學實驗能力起到積極作用。本實驗系統能夠較好的滿足教學、實驗及科研的相關需求。