準噶爾盆地氣井天然氣水合物生成實驗研究與分析

郭小哲 王福升 趙志輝 胡廣文 王金禮

（1.中國石油大學石油工程學院，北京 102249；2.中石油西部鉆探試油公司，新疆克拉瑪依 834000）

準噶爾盆地氣井天然氣水合物生成實驗研究與分析

郭小哲1王福升2趙志輝2胡廣文2王金禮2

（1.中國石油大學石油工程學院，北京 102249；2.中石油西部鉆探試油公司，新疆克拉瑪依 834000）

針對準噶爾盆地氣井高壓易形成水合物冰堵的情況，應用實際礦場的氣樣進行水合物生成室內實驗研究與分析。實驗分析結果表明，氣樣中甲烷含量與氮氣含量之和可作為判斷天然氣生成水合物難易程度的標準；氣樣中雜質對水合物生成有一定促進作用，實驗攪拌速度越快水合物生成時間越短，反映到氣井中則是雜質顆粒越多越容易生成水合物，氣井產量越大且開關井頻繁越容易生成水合物。研究結果可為指導氣井水合物預測與預防提供依據。

準噶爾盆地；天然氣；水合物；生成實驗；預防措施

氣井測試或者生產過程中，當井口處于高壓低溫狀態時，就形成了天然氣水合物生成的條件，即氣井有可能在該條件不斷惡化的情況下出現結冰凍堵現象，大大威脅著安全穩定生產。準噶爾盆地高壓氣井井口作業溫度較低，比較容易出現這種情況，而且測試過程中也發生了多起井筒結冰凍堵導致壓力計無法提出井筒的事故，嚴重影響了工程進度［1-2］。為了更科學準確地分析準噶爾盆地氣井水合物生成的條件，有必要對氣井的產出氣樣進行水合物生成室內實驗研究，由此來判斷不同氣體組分生成水合物的難易程度，進而來指導測試過程中的預防措施制定。

1 實驗方法

生成天然氣水合物的反應屬于高壓、低溫反應，且反應過程中需要不停攪拌，最后生成晶狀水合物。實驗裝置見圖1［3］，主體部分包括高壓反應釡、恒溫裝置、溫度壓力數據采集系統和攪拌系統。

高壓反應釜是水合物生成的空間，通過手搖泵給轉樣釜加壓，將氣體向反應釜中推進并不斷加壓，反應釜中已配制好的地層水與天然氣接觸，在攪拌器的攪拌下模擬氣體的運動，通過反應釜側面的視窗可直接觀察冰渣是否形成，并通過溫度壓力數據采集系統讀出水合物形成的溫度壓力。改變不同的溫度重復實驗，即可得到水合物生成的p-t圖。

圖1 天然氣水合物實驗裝置示意圖

2 天然氣水合物實驗結果

根據準噶爾盆地滴西氣田的水樣分析結果，確定實驗室配置地層水的方案：碳酸鈉0.213 g，氯化鈉6.888 g，硫酸鈉0.998 g，碳酸氫鈉0.337 g，氯化鈣3.347 g，氯化鎂 0.109 g。

氣樣來自準噶爾盆地克拉美麗氣田和彩南氣田的DX1835井、DX184井、DX1428井和彩510井，各井氣體組分構成見表1。

表1 各井氣體組分對比 %

圖2為4個氣樣的水合物生成實驗結果，可以看出，DX1835、DX184和DX1428井水合物生成曲線趨勢大致相同，與彩510曲線有差異。

圖2 水合物生成實驗曲線對比

分析彩510的差異原因，是因為氣樣中有凝析油存在，而凝析油對水合物的生成有一定的抑制作用［4］，因此出現異常。但仍遵循大致規律，即：溫度達到一個較高值（一般30 ℃左右）以后，溫度升高較小的幅度時，若形成水合物則需要壓力增加更大的幅度。

3 實驗結果分析

（1）氣體密度是影響水合物生成的關鍵因素，密度越大，同一溫度下生成水合物的壓力就越小［5］。由圖2可看出，溫度較低時，由于氣體密度差別不大，生成水合物的壓力差別也不大，但當溫度升高，差別逐漸明顯。實驗氣體密度由小到大為彩510、DX1428、DX184和DX1835井，曲線表現的形式為同一溫度下，密度大的易生成水合物，即彩510對應的生成壓力最高。一般情況下氣體生成水合物具有一個溫度界限，即達到某一溫度時，即便壓力再高也較難生成水合物，曲線表現為上翹趨勢，除彩510異常外，其他井實驗結果與理論相符合。

（2）4個氣樣甲烷含量由高到低分別是彩510、DX1428、DX184、DX1835，與圖 2 相同溫度下、4 個氣樣水合物生成壓力從大到小的順序相同，即甲烷含量越高就越不容易形成天然氣水合物。但許多文獻分析水合物生成影響因素時，都認為甲烷含量越高越容易形成水合物［6-7］，與本實驗正好相反。事實上本文實驗結果與此結論并不矛盾，后者定義的甲烷含量高低相對比的是非水合物生成組分，而本實驗的氣樣中非甲烷成分尚有部分是烷烴，因此產生表面上矛盾的結果。因此，從氣組分影響上看，僅從甲烷含量的多少來判斷生成水合物的難易程度可能會出現錯誤的結論。

（3）在相同壓力條件下，溫度由高到低變化，單一氣體形成水合物的先后次序是：硫化氫→異丁烷→丙烷→乙烷→二氧化碳→甲烷→氮氣［4-5］。從4個氣樣看，N2含量都較大，若只從N2含量多少分析氣樣生成水合物的難易程度，則可得到結論為：相同溫度下，N2含量最多的DX184井生成水合物壓力要比DX1835高，與實驗結果一致。但是DX184和DX1835井N2含量都比彩510高，生成水合物壓力卻都低于彩510井，產生矛盾。因此，單一從N2含量多少判斷水合物生成難易程度并不準確。

（4）從單一氣體生成水合物難易程度分析，甲烷和氮是較難生成水合物的，況且，兩者之和達到了80%以上，其決定作用比較明顯。因此，相同溫度條件下，甲烷和氮總量越大的氣樣生成水合物的壓力應該越大，由此判斷，生成水合物壓力由大到小的順序為彩 510、DX1428、DX184、DX1835，與實驗結果一致。實際上，甲烷與非水合物生成組分兩者總量對密度的影響較大，基本上是兩者總量越大，氣組分密度越小。因此，判斷水合物生成難易程度可從密度、甲烷與非水合物生成組分總量兩個方面進行。

4 影響因素分析

4.1 水中雜質的影響

為研究水中的顆粒雜質對水合物的生成影響，將含雜質地層水條件下水合物的生成時間，與過濾后地層水條件下水合物生成的時間對比。本組實驗所用氣樣來自DX1835井。在相同的溫度和壓力下，水合物生成量達到最大量的時間見表2。

表2 水合物生成時間對比

由表2可看出，具有顆粒雜質的水樣容易生成天然氣水合物，反映到氣井中則產出氣的水中含有雜質越多，同等條件下越容易生成水合物。

4.2 攪拌器轉速的影響

氣樣選自彩510井，實驗溫度21.6、23.7和25.4℃，攪拌器轉速 200、250、300和 350 r/min。快速加壓到指定的壓力（該壓力高于生成壓力），然后開始計時，測定其達到最大生成量的時間（圖3）。

圖3 攪拌器轉速對水合物生成時間的影響

由圖3可看出，隨著攪拌器轉速的增加水合物生成時間縮短，最大幅度為10%。反映到氣井時，氣體攪動越大，越易生成水合物。氣井氣體攪動主要受兩方面影響：其一是產量，產量越大流動越快，攪動越劇烈，但產量大時，氣井井口相對于井底的溫度降要小，即井口溫度會較高，弱化了由于攪動加強所產生的水合物易生成的結果；二是開關井頻繁或過快開關井會造成井筒氣體與水分子的攪動加劇，因此，開關井也成為氣井水合物生成的誘因。

5 結論

（1）天然氣水合物在高壓低溫情況下生成，對氣井生產具有一定危害，通過實驗把握了某一溫度下生成水合物的壓力，例如20 ℃時，當壓力高于7 MPa就具有了水合物生成的條件，同時還了解到當達到生成條件到生成水合物需要一定的時間，一般在2～4 h之間。

（2）若不考慮非水合物氣體組分，則可由甲烷含量多少判斷水合物生成標準，但當非水合物氣體組分較大時，如該區域N2的含量高于5%，則需要依據甲烷與氮氣之和作為判斷依據。

（3）氣井水合物生成受多種因素的影響，氣體流動越快，生成水合物速度也越快；凝析油具有抑制水合物生成的作用；氣體所含水中的雜質會加快水合物生成。

［1］ 郭小哲，薛秀敏，王福升，等. 氣井水合物實時監測預警系統研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（2）：113-116.

［2］ 張亮，馬認琦，蘇杰，等.天然氣水合物形成機理及有效清除［J］.石油鉆采工藝，2010，32（3）：33-35.

［3］ 唐翠萍，李清平，杜建偉，等.組合天然氣水合物抑制劑性能及經濟性研究［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2009，31（2）：109-113.

［4］ 劉士鑫，郭平，達世攀，等. 氣田生產中天然氣水合物生成體系的實驗研究［J］.天然氣工業，2005，25（1）：97-100.

［5］ 吳志良.井筒中天然氣水合物生成條件預測及應用［J］.石油實驗地質，2008，30（3）：315-320.

［6］ 鄧柯，李穎川，李群生.天然氣水合物生成的影響因素及敏感性分析［J］.鉆井液與完井液，2006，23（6）：64-69.

［7］ 蘇欣，李瑜，高雷，等.天然氣組分對水合物形成溫度的影響研究［J］.天然氣勘探與開發，2008，31（1）：64-67.

（修改稿收到日期 2013-06-26）

Experimental study and analysis on hydrate generation for gas wells in Junggar Basin

GUO Xiaozhe1, WANG Fusheng2, ZHAO Zhihui2, HU Guangwen2, WANG Jinli2
（1. College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,China;2. Well Testing Company,Xibu Drilling and Exploration Engineering Company,Karamay834000,China）

According to the problem of frequent well head freezing in Junggar Basin gas fields, real field gas samples are taken to conduct experimental study and analysis of hydrate generation. The testing data showed that the sum of methane and nitrogen contents might be the criteria of judging the difficulty degree of hydrate generation. Furthermore, the impurities in gas samples could accelerate the hydrate generation. The faster the stirring speed, the shorter the hydrate generation time. Therefore, the increase amount of impurities in the gas well could accelerate hydrate generation, and the high production with frequent changing of well shut and open status can quicken the wellhead freeze by hydrate generation. At last, the advices are given to prevent hydrate generation in field operations.

Junggar Basin; gas; hydrate; hydrate generation experiment; prevention measure

，郭小哲，王福升，趙志輝，等.準噶爾盆地氣井天然氣水合物生成實驗研究與分析 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：118-120.

TE37

：A

1000–7393（2013） 05–0118–03

郭小哲，1975年生。研究方向為油氣田開發和石油工程管理，博士，副教授。電話：010-89733157。E-mail：guoxiaozhe@cup.edu.cn。

〔編輯 朱 偉〕