天然氣水合物儲層光電溫壓監測技術探秘

（本文發表於2019年第2期）

第一作者簡介黃芳飛，工程師，從事海域天然氣水合物勘查與試採工程實施及水合物開發關鍵技術研究等。

天然氣水合物是一種由天然氣和水分子在低溫高壓條件下形成的物質。當用顯微鏡放大來看時，會發現其有着像“籠子”一樣的結構。不僅如此，人們還發現它可以直接點燃，所以，天然氣水合物通常也稱爲“可燃冰”。從本質上講，可燃冰仍是天然氣，人類在利用可燃冰作爲化石能源時必須將其分解爲天然氣才能使用。伴隨着國內外能源戰略佈局以及石油天然氣勘探開發領域的發展，天然氣水合物作爲一種高效清潔的化石能源，由於有着分佈範圍廣、儲集量大和埋藏深度一般較淺等特點，因此逐步彰顯出不可替代的戰略地位和開發優勢。

天然氣水合物通常只有在溫度較低而壓力較高的情況下，纔會和水穩定地結合在一起。人們把這種在自然狀態下，水合物能夠保持穩定的區域稱作“儲層”。當溫度或壓力任一條件不能滿足水合物穩定狀態時，它就會分解爲水和天然氣。因此，天然氣水合物的開發生產，就是利用這一特徵，通過改變水合物儲層的溫度、壓力條件，促使水合物的穩定狀態遭到破壞，從而分解成天然氣和水，再將分解得到的天然氣通過輸氣管道開採到地面上加以利用。

> “藍鯨一號”鑽井平臺

解讀天然氣水合物儲層

溫壓監測技術

當天然氣水合物因爲不穩定而分解時，會引起地層環境溫度、壓力的變化，得以及時瞭解在水合物生產過程中的溫度和壓力變化情況，是生產試驗中掌握地層環境的重要手段。天然氣水合物儲層光電溫壓監測技術，即通過光纖、電子等監測設備瞭解生產前後監測井中溫度和壓力等因素的變化，從而分析出天然氣水合物儲層的熱力學性質和分解過程的細節，探測水合物分解的前沿位置。同時，通過將儲層的溫度和壓力變化情況傳輸給地表或海面平臺，可以精確地控制相關的加溫和電動潛水泵ESP(Electrical Submersible Pump)等設備的運行，進一步防止次生水合物的生成和保持井中的低壓狀態，使儲層的壓力能夠平穩降低，生產速度能穩定增加。實踐表明，在生產過程中利用打井方式來監測儲層是非常有效的。

> 監測井儲層原位溫壓傳感系統

總體概念圖

當前，天然氣水合物試採監測技術都採用石油行業現有的地球物理測井儀器。在水合物生產過程中，主要是在生產井和觀察井中佈設溫度、壓力、電阻率等探測儀器組成的監測系統監測儲層的溫度、壓力等變化情況。這種監測系統通常包括分佈式溫度測量DTS(Distributed Temperature System)光纖電纜、電阻式測溫陣列RTD(Resistance Temperature Detector)、電極陣列Light-ERA系統(Light Electric Resistance Array)及電子式溫壓短節，等等。

天然氣水合物儲層光電溫壓監測技術，是天然氣水合物試採中非常重要的監測手段。它將光電溫壓雙檢監測纜、數據實時傳輸系統、甲板監測集成控制系統和海底總控系統組成一套水合物儲層溫度和壓力的實時和長期監測系統。這四大系統共同構成了屬於天然氣水合物儲層光電溫壓監測技術的“神經系統”。

光電溫壓雙檢監測纜是這一神經系統的“神經元”，具有感受刺激和傳導興奮的功能。在此特定條件下，兩種基本的神經元類型包括基於光纖材質的溫度壓力監測纜和基於高精度電子的溫度壓力監測纜。光纖纜由多根光纖組成，電子纜由許多電子式高精度溫壓測量短節連接起來組成。這些置於纜內部的傳感器相當於“神經元”中的“感受器”，它們能長期實時地感受周圍環境中溫度和壓力變化的刺激併產生電信號。

數據實時傳輸系統是這一神經系統中在“神經元”間傳輸神經衝動的“神經遞質”。神經系統中各種神經衝動的傳遞都需要神經遞質。數據實時傳輸系統在天然氣水合物儲層光電溫壓監測技術中有着同樣的作用。它溝通“神經系統”內部各個結構單位，並支持它們完成實時高效的通信和信號傳輸。

> 燃燒的喜悅 中國地質調查局

廣州海洋地質調查局 / 供

甲板監測集成控制系統是這一神經系統的“脊髓”。“脊髓”是許多簡單反射的“神經中樞”。在天然氣水合物儲層光電溫壓監測技術中，甲板監測集成控制系統協助處理一些基本的情況。它不僅可以搭載井中光電溫壓雙檢實時監測軟件，在海底總控系統布放之前和回收後對系統的工作狀態進行檢查、更改及歷史數據的回收。同時，它還具備專用的通信數據接口，在條件允許的時候可以擴展利用水聲通信方式實現水面測量船與海底總控系統的互聯互通。

海底總控系統是這一神經系統的“大腦”。它不僅負責爲井中光電溫壓雙檢監測纜進行長期供電，同時還能夠監控其工作狀態，然後把監測纜中採集到的壓力和溫度數據存儲起來。總控系統採用了模塊化的設計方式，具有智能化和對數據信息的彙總能力，同時還保留着水聲通信的方式，以備不時之需。海底總控系統可以用提籃投放在井口架附近，通過ROV(Remote Operated Vehicle)水下熱插拔的方式和主機接駁盒連接起來，也可以和主機接駁盒一起放置在井口架上，不僅靈活，還可以重複使用。

新技術 新挑戰

海底環境非常特殊，在海底井中放置儀器的難度很大。因此，要想讓水合物儲層溫壓長期監測“神經系統”在海底運轉正常，需要解決2個問題。一方面，“神經系統”的生理載體——儀器要能夠穩定可靠地在海底環境中工作，也就是說儀器在結構和材質上需要防水耐壓、耐腐蝕，以適合深水環境；另一方面，它也需要儘可能消耗更少的功耗來完成後續工作。爲達到上述目的，總控系統可以實時查看電池和存儲空間的情況，通過模塊化、智能化的電源管理機制與糾錯機制來保障電源動力的長期穩定。儀器自檢軟件可以自動檢測當前的工作狀態，當發生監測儀器數據異常、通信故障、存儲空間異常等情況時，它能夠自動分析故障產生的原因，接着根據具體情況來進行下一步的控制並完成應急處理。數據處理模塊採用低功耗的微處理器來降低儀器整體的功耗，使其滿足水下持續工作的需求。

隨着天然氣水合物研究開發的進一步發展和商業化開採遠景的實現，天然氣水合物儲層光電溫壓監測技術能夠完成更爲精準高效的監測作業。通過對水合物儲層的溫度、壓力等關鍵參數進行長期監測，獲得的基線數據可以用於分析得到水合物儲層和非儲層的溫壓場特徵，探測水合物分解前緣的位置，爲安全、高效地開採水合物提供科學保障，爲建立水合物生產預警平臺提供科學支持，爲未來水合物的商業化開發提供科學依據。

作者： 黃芳飛 張 鑫 陸紅鋒 陳愛華

編輯： 張佳楠

排版： 何陳臨秋

審覈： 刁淑娟

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