天然气水合物储层光电温压监测技术探秘

（本文发表于2019年第2期）

第一作者简介黄芳飞，工程师，从事海域天然气水合物勘查与试采工程实施及水合物开发关键技术研究等。

天然气水合物是一种由天然气和水分子在低温高压条件下形成的物质。当用显微镜放大来看时，会发现其有着像“笼子”一样的结构。不仅如此，人们还发现它可以直接点燃，所以，天然气水合物通常也称为“可燃冰”。从本质上讲，可燃冰仍是天然气，人类在利用可燃冰作为化石能源时必须将其分解为天然气才能使用。伴随着国内外能源战略布局以及石油天然气勘探开发领域的发展，天然气水合物作为一种高效清洁的化石能源，由于有着分布范围广、储集量大和埋藏深度一般较浅等特点，因此逐步彰显出不可替代的战略地位和开发优势。

天然气水合物通常只有在温度较低而压力较高的情况下，才会和水稳定地结合在一起。人们把这种在自然状态下，水合物能够保持稳定的区域称作“储层”。当温度或压力任一条件不能满足水合物稳定状态时，它就会分解为水和天然气。因此，天然气水合物的开发生产，就是利用这一特征，通过改变水合物储层的温度、压力条件，促使水合物的稳定状态遭到破坏，从而分解成天然气和水，再将分解得到的天然气通过输气管道开采到地面上加以利用。

> “蓝鲸一号”钻井平台

解读天然气水合物储层

温压监测技术

当天然气水合物因为不稳定而分解时，会引起地层环境温度、压力的变化，得以及时了解在水合物生产过程中的温度和压力变化情况，是生产试验中掌握地层环境的重要手段。天然气水合物储层光电温压监测技术，即通过光纤、电子等监测设备了解生产前后监测井中温度和压力等因素的变化，从而分析出天然气水合物储层的热力学性质和分解过程的细节，探测水合物分解的前沿位置。同时，通过将储层的温度和压力变化情况传输给地表或海面平台，可以精确地控制相关的加温和电动潜水泵ESP(Electrical Submersible Pump)等设备的运行，进一步防止次生水合物的生成和保持井中的低压状态，使储层的压力能够平稳降低，生产速度能稳定增加。实践表明，在生产过程中利用打井方式来监测储层是非常有效的。

> 监测井储层原位温压传感系统

总体概念图

当前，天然气水合物试采监测技术都采用石油行业现有的地球物理测井仪器。在水合物生产过程中，主要是在生产井和观察井中布设温度、压力、电阻率等探测仪器组成的监测系统监测储层的温度、压力等变化情况。这种监测系统通常包括分布式温度测量DTS(Distributed Temperature System)光纤电缆、电阻式测温阵列RTD(Resistance Temperature Detector)、电极阵列Light-ERA系统(Light Electric Resistance Array)及电子式温压短节，等等。

天然气水合物储层光电温压监测技术，是天然气水合物试采中非常重要的监测手段。它将光电温压双检监测缆、数据实时传输系统、甲板监测集成控制系统和海底总控系统组成一套水合物储层温度和压力的实时和长期监测系统。这四大系统共同构成了属于天然气水合物储层光电温压监测技术的“神经系统”。

光电温压双检监测缆是这一神经系统的“神经元”，具有感受刺激和传导兴奋的功能。在此特定条件下，两种基本的神经元类型包括基于光纤材质的温度压力监测缆和基于高精度电子的温度压力监测缆。光纤缆由多根光纤组成，电子缆由许多电子式高精度温压测量短节连接起来组成。这些置于缆内部的传感器相当于“神经元”中的“感受器”，它们能长期实时地感受周围环境中温度和压力变化的刺激并产生电信号。

数据实时传输系统是这一神经系统中在“神经元”间传输神经冲动的“神经递质”。神经系统中各种神经冲动的传递都需要神经递质。数据实时传输系统在天然气水合物储层光电温压监测技术中有着同样的作用。它沟通“神经系统”内部各个结构单位，并支持它们完成实时高效的通信和信号传输。

> 燃烧的喜悦 中国地质调查局

广州海洋地质调查局 / 供

甲板监测集成控制系统是这一神经系统的“脊髓”。“脊髓”是许多简单反射的“神经中枢”。在天然气水合物储层光电温压监测技术中，甲板监测集成控制系统协助处理一些基本的情况。它不仅可以搭载井中光电温压双检实时监测软件，在海底总控系统布放之前和回收后对系统的工作状态进行检查、更改及历史数据的回收。同时，它还具备专用的通信数据接口，在条件允许的时候可以扩展利用水声通信方式实现水面测量船与海底总控系统的互联互通。

海底总控系统是这一神经系统的“大脑”。它不仅负责为井中光电温压双检监测缆进行长期供电，同时还能够监控其工作状态，然后把监测缆中采集到的压力和温度数据存储起来。总控系统采用了模块化的设计方式，具有智能化和对数据信息的汇总能力，同时还保留着水声通信的方式，以备不时之需。海底总控系统可以用提篮投放在井口架附近，通过ROV(Remote Operated Vehicle)水下热插拔的方式和主机接驳盒连接起来，也可以和主机接驳盒一起放置在井口架上，不仅灵活，还可以重复使用。

新技术 新挑战

海底环境非常特殊，在海底井中放置仪器的难度很大。因此，要想让水合物储层温压长期监测“神经系统”在海底运转正常，需要解决2个问题。一方面，“神经系统”的生理载体——仪器要能够稳定可靠地在海底环境中工作，也就是说仪器在结构和材质上需要防水耐压、耐腐蚀，以适合深水环境；另一方面，它也需要尽可能消耗更少的功耗来完成后续工作。为达到上述目的，总控系统可以实时查看电池和存储空间的情况，通过模块化、智能化的电源管理机制与纠错机制来保障电源动力的长期稳定。仪器自检软件可以自动检测当前的工作状态，当发生监测仪器数据异常、通信故障、存储空间异常等情况时，它能够自动分析故障产生的原因，接着根据具体情况来进行下一步的控制并完成应急处理。数据处理模块采用低功耗的微处理器来降低仪器整体的功耗，使其满足水下持续工作的需求。

随着天然气水合物研究开发的进一步发展和商业化开采远景的实现，天然气水合物储层光电温压监测技术能够完成更为精准高效的监测作业。通过对水合物储层的温度、压力等关键参数进行长期监测，获得的基线数据可以用于分析得到水合物储层和非储层的温压场特征，探测水合物分解前缘的位置，为安全、高效地开采水合物提供科学保障，为建立水合物生产预警平台提供科学支持，为未来水合物的商业化开发提供科学依据。

作者： 黄芳飞 张 鑫 陆红锋 陈爱华

编辑： 张佳楠

排版： 何陈临秋

审核： 刁淑娟

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