准噶尔盆地气井天然气水合物生成实验研究与分析

郭小哲 王福升 赵志辉 胡广文 王金礼

（1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249；2.中石油西部钻探试油公司，新疆克拉玛依 834000）

准噶尔盆地气井天然气水合物生成实验研究与分析

郭小哲1王福升2赵志辉2胡广文2王金礼2

（1.中国石油大学石油工程学院，北京 102249；2.中石油西部钻探试油公司，新疆克拉玛依 834000）

针对准噶尔盆地气井高压易形成水合物冰堵的情况，应用实际矿场的气样进行水合物生成室内实验研究与分析。实验分析结果表明，气样中甲烷含量与氮气含量之和可作为判断天然气生成水合物难易程度的标准；气样中杂质对水合物生成有一定促进作用，实验搅拌速度越快水合物生成时间越短，反映到气井中则是杂质颗粒越多越容易生成水合物，气井产量越大且开关井频繁越容易生成水合物。研究结果可为指导气井水合物预测与预防提供依据。

准噶尔盆地；天然气；水合物；生成实验；预防措施

气井测试或者生产过程中，当井口处于高压低温状态时，就形成了天然气水合物生成的条件，即气井有可能在该条件不断恶化的情况下出现结冰冻堵现象，大大威胁着安全稳定生产。准噶尔盆地高压气井井口作业温度较低，比较容易出现这种情况，而且测试过程中也发生了多起井筒结冰冻堵导致压力计无法提出井筒的事故，严重影响了工程进度［1-2］。为了更科学准确地分析准噶尔盆地气井水合物生成的条件，有必要对气井的产出气样进行水合物生成室内实验研究，由此来判断不同气体组分生成水合物的难易程度，进而来指导测试过程中的预防措施制定。

1 实验方法

生成天然气水合物的反应属于高压、低温反应，且反应过程中需要不停搅拌，最后生成晶状水合物。实验装置见图1［3］，主体部分包括高压反应釡、恒温装置、温度压力数据采集系统和搅拌系统。

高压反应釜是水合物生成的空间，通过手摇泵给转样釜加压，将气体向反应釜中推进并不断加压，反应釜中已配制好的地层水与天然气接触，在搅拌器的搅拌下模拟气体的运动，通过反应釜侧面的视窗可直接观察冰渣是否形成，并通过温度压力数据采集系统读出水合物形成的温度压力。改变不同的温度重复实验，即可得到水合物生成的p-t图。

图1 天然气水合物实验装置示意图

2 天然气水合物实验结果

根据准噶尔盆地滴西气田的水样分析结果，确定实验室配置地层水的方案：碳酸钠0.213 g，氯化钠6.888 g，硫酸钠0.998 g，碳酸氢钠0.337 g，氯化钙3.347 g，氯化镁 0.109 g。

气样来自准噶尔盆地克拉美丽气田和彩南气田的DX1835井、DX184井、DX1428井和彩510井，各井气体组分构成见表1。

表1 各井气体组分对比 %

图2为4个气样的水合物生成实验结果，可以看出，DX1835、DX184和DX1428井水合物生成曲线趋势大致相同，与彩510曲线有差异。

图2 水合物生成实验曲线对比

分析彩510的差异原因，是因为气样中有凝析油存在，而凝析油对水合物的生成有一定的抑制作用［4］，因此出现异常。但仍遵循大致规律，即：温度达到一个较高值（一般30 ℃左右）以后，温度升高较小的幅度时，若形成水合物则需要压力增加更大的幅度。

3 实验结果分析

（1）气体密度是影响水合物生成的关键因素，密度越大，同一温度下生成水合物的压力就越小［5］。由图2可看出，温度较低时，由于气体密度差别不大，生成水合物的压力差别也不大，但当温度升高，差别逐渐明显。实验气体密度由小到大为彩510、DX1428、DX184和DX1835井，曲线表现的形式为同一温度下，密度大的易生成水合物，即彩510对应的生成压力最高。一般情况下气体生成水合物具有一个温度界限，即达到某一温度时，即便压力再高也较难生成水合物，曲线表现为上翘趋势，除彩510异常外，其他井实验结果与理论相符合。

（2）4个气样甲烷含量由高到低分别是彩510、DX1428、DX184、DX1835，与图 2 相同温度下、4 个气样水合物生成压力从大到小的顺序相同，即甲烷含量越高就越不容易形成天然气水合物。但许多文献分析水合物生成影响因素时，都认为甲烷含量越高越容易形成水合物［6-7］，与本实验正好相反。事实上本文实验结果与此结论并不矛盾，后者定义的甲烷含量高低相对比的是非水合物生成组分，而本实验的气样中非甲烷成分尚有部分是烷烃，因此产生表面上矛盾的结果。因此，从气组分影响上看，仅从甲烷含量的多少来判断生成水合物的难易程度可能会出现错误的结论。

（3）在相同压力条件下，温度由高到低变化，单一气体形成水合物的先后次序是：硫化氢→异丁烷→丙烷→乙烷→二氧化碳→甲烷→氮气［4-5］。从4个气样看，N2含量都较大，若只从N2含量多少分析气样生成水合物的难易程度，则可得到结论为：相同温度下，N2含量最多的DX184井生成水合物压力要比DX1835高，与实验结果一致。但是DX184和DX1835井N2含量都比彩510高，生成水合物压力却都低于彩510井，产生矛盾。因此，单一从N2含量多少判断水合物生成难易程度并不准确。

（4）从单一气体生成水合物难易程度分析，甲烷和氮是较难生成水合物的，况且，两者之和达到了80%以上，其决定作用比较明显。因此，相同温度条件下，甲烷和氮总量越大的气样生成水合物的压力应该越大，由此判断，生成水合物压力由大到小的顺序为彩 510、DX1428、DX184、DX1835，与实验结果一致。实际上，甲烷与非水合物生成组分两者总量对密度的影响较大，基本上是两者总量越大，气组分密度越小。因此，判断水合物生成难易程度可从密度、甲烷与非水合物生成组分总量两个方面进行。

4 影响因素分析

4.1 水中杂质的影响

为研究水中的颗粒杂质对水合物的生成影响，将含杂质地层水条件下水合物的生成时间，与过滤后地层水条件下水合物生成的时间对比。本组实验所用气样来自DX1835井。在相同的温度和压力下，水合物生成量达到最大量的时间见表2。

表2 水合物生成时间对比

由表2可看出，具有颗粒杂质的水样容易生成天然气水合物，反映到气井中则产出气的水中含有杂质越多，同等条件下越容易生成水合物。

4.2 搅拌器转速的影响

气样选自彩510井，实验温度21.6、23.7和25.4℃，搅拌器转速 200、250、300和 350 r/min。快速加压到指定的压力（该压力高于生成压力），然后开始计时，测定其达到最大生成量的时间（图3）。

图3 搅拌器转速对水合物生成时间的影响

由图3可看出，随着搅拌器转速的增加水合物生成时间缩短，最大幅度为10%。反映到气井时，气体搅动越大，越易生成水合物。气井气体搅动主要受两方面影响：其一是产量，产量越大流动越快，搅动越剧烈，但产量大时，气井井口相对于井底的温度降要小，即井口温度会较高，弱化了由于搅动加强所产生的水合物易生成的结果；二是开关井频繁或过快开关井会造成井筒气体与水分子的搅动加剧，因此，开关井也成为气井水合物生成的诱因。

5 结论

（1）天然气水合物在高压低温情况下生成，对气井生产具有一定危害，通过实验把握了某一温度下生成水合物的压力，例如20 ℃时，当压力高于7 MPa就具有了水合物生成的条件，同时还了解到当达到生成条件到生成水合物需要一定的时间，一般在2～4 h之间。

（2）若不考虑非水合物气体组分，则可由甲烷含量多少判断水合物生成标准，但当非水合物气体组分较大时，如该区域N2的含量高于5%，则需要依据甲烷与氮气之和作为判断依据。

（3）气井水合物生成受多种因素的影响，气体流动越快，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；气体所含水中的杂质会加快水合物生成。

［1］ 郭小哲，薛秀敏，王福升，等. 气井水合物实时监测预警系统研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（2）：113-116.

［2］ 张亮，马认琦，苏杰，等.天然气水合物形成机理及有效清除［J］.石油钻采工艺，2010，32（3）：33-35.

［3］ 唐翠萍，李清平，杜建伟，等.组合天然气水合物抑制剂性能及经济性研究［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2009，31（2）：109-113.

［4］ 刘士鑫，郭平，达世攀，等. 气田生产中天然气水合物生成体系的实验研究［J］.天然气工业，2005，25（1）：97-100.

［5］ 吴志良.井筒中天然气水合物生成条件预测及应用［J］.石油实验地质，2008，30（3）：315-320.

［6］ 邓柯，李颖川，李群生.天然气水合物生成的影响因素及敏感性分析［J］.钻井液与完井液，2006，23（6）：64-69.

［7］ 苏欣，李瑜，高雷，等.天然气组分对水合物形成温度的影响研究［J］.天然气勘探与开发，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，赵志辉，等.准噶尔盆地气井天然气水合物生成实验研究与分析 ［J］. 石油钻采工艺，2013，35（5）：118-120.

TE37

：A

1000–7393（2013） 05–0118–03

郭小哲，1975年生。研究方向为油气田开发和石油工程管理，博士，副教授。电话：010-89733157。E-mail：guoxiaozhe@cup.edu.cn。

〔编辑 朱 伟〕