郭小哲 王福升 趙志輝 胡廣文 王金禮

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

準(zhǔn)噶爾盆地氣井天然氣水合物生成實(shí)驗(yàn)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(xué)石油工程學(xué)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(zhǔn)噶爾盆地氣井高壓易形成水合物冰堵的情況，應(yīng)用實(shí)際礦場的氣樣進(jìn)行水合物生成室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究與分析。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，氣樣中甲烷含量與氮?dú)夂恐涂勺鳛榕袛嗵烊粴馍伤衔镫y易程度的標(biāo)準(zhǔn)；氣樣中雜質(zhì)對水合物生成有一定促進(jìn)作用，實(shí)驗(yàn)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(zhì)顆粒越多越容易生成水合物，氣井產(chǎn)量越大且開關(guān)井頻繁越容易生成水合物。研究結(jié)果可為指導(dǎo)氣井水合物預(yù)測與預(yù)防提供依據(jù)。

準(zhǔn)噶爾盆地；天然氣；水合物；生成實(shí)驗(yàn)；預(yù)防措施

氣井測試或者生產(chǎn)過程中，當(dāng)井口處于高壓低溫狀態(tài)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(xiàn)結(jié)冰凍堵現(xiàn)象，大大威脅著安全穩(wěn)定生產(chǎn)。準(zhǔn)噶爾盆地高壓氣井井口作業(yè)溫度較低，比較容易出現(xiàn)這種情況，而且測試過程中也發(fā)生了多起井筒結(jié)冰凍堵導(dǎo)致壓力計無法提出井筒的事故，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度［1-2］。為了更科學(xué)準(zhǔn)確地分析準(zhǔn)噶爾盆地氣井水合物生成的條件，有必要對氣井的產(chǎn)出氣樣進(jìn)行水合物生成室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，由此來判斷不同氣體組分生成水合物的難易程度，進(jìn)而來指導(dǎo)測試過程中的預(yù)防措施制定。

1 實(shí)驗(yàn)方法

生成天然氣水合物的反應(yīng)屬于高壓、低溫反應(yīng)，且反應(yīng)過程中需要不停攪拌，最后生成晶狀水合物。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1［3］，主體部分包括高壓反應(yīng)釡、恒溫裝置、溫度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)。

高壓反應(yīng)釜是水合物生成的空間，通過手搖泵給轉(zhuǎn)樣釜加壓，將氣體向反應(yīng)釜中推進(jìn)并不斷加壓，反應(yīng)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(yùn)動，通過反應(yīng)釜側(cè)面的視窗可直接觀察冰渣是否形成，并通過溫度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀出水合物形成的溫度壓力。改變不同的溫度重復(fù)實(shí)驗(yàn)，即可得到水合物生成的p-t圖。

圖1 天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 天然氣水合物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地滴西氣田的水樣分析結(jié)果，確定實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)曲線對比

分析彩510的差異原因，是因?yàn)闅鈽又杏心鲇痛嬖?，而凝析油對水合物的生成有一定的抑制作用?］，因此出現(xiàn)異常。但仍遵循大致規(guī)律，即：溫度達(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）氣體密度是影響水合物生成的關(guān)鍵因素，密度越大，同一溫度下生成水合物的壓力就越?。?］。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(dāng)溫度升高，差別逐漸明顯。實(shí)驗(yàn)氣體密度由小到大為彩510、DX1428、DX184和DX1835井，曲線表現(xiàn)的形式為同一溫度下，密度大的易生成水合物，即彩510對應(yīng)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(dá)到某一溫度時，即便壓力再高也較難生成水合物，曲線表現(xiàn)為上翹趨勢，除彩510異常外，其他井實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)分析水合物生成影響因素時，都認(rèn)為甲烷含量越高越容易形成水合物［6-7］，與本實(shí)驗(yàn)正好相反。事實(shí)上本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此結(jié)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(shí)驗(yàn)的氣樣中非甲烷成分尚有部分是烷烴，因此產(chǎn)生表面上矛盾的結(jié)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(xiàn)錯誤的結(jié)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?dú)猓?-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(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎn)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(zhǔn)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(dá)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(yīng)該越大，由此判斷，生成水合物壓力由大到小的順序?yàn)椴?510、DX1428、DX184、DX1835，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。實(shí)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(jìn)行。

4 影響因素分析

4.1 水中雜質(zhì)的影響

為研究水中的顆粒雜質(zhì)對水合物的生成影響，將含雜質(zhì)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(zhì)的水樣容易生成天然氣水合物，反映到氣井中則產(chǎn)出氣的水中含有雜質(zhì)越多，同等條件下越容易生成水合物。

4.2 攪拌器轉(zhuǎn)速的影響

氣樣選自彩510井，實(shí)驗(yàn)溫度21.6、23.7和25.4℃，攪拌器轉(zhuǎn)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(dá)到最大生成量的時間（圖3）。

圖3 攪拌器轉(zhuǎn)速對水合物生成時間的影響

由圖3可看出，隨著攪拌器轉(zhuǎn)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(chǎn)量，產(chǎn)量越大流動越快，攪動越劇烈，但產(chǎn)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(qiáng)所產(chǎn)生的水合物易生成的結(jié)果；二是開關(guān)井頻繁或過快開關(guān)井會造成井筒氣體與水分子的攪動加劇，因此，開關(guān)井也成為氣井水合物生成的誘因。

5 結(jié)論

（1）天然氣水合物在高壓低溫情況下生成，對氣井生產(chǎn)具有一定危害，通過實(shí)驗(yàn)把握了某一溫度下生成水合物的壓力，例如20 ℃時，當(dāng)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(dāng)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)非水合物氣體組分較大時，如該區(qū)域N2的含量高于5%，則需要依據(jù)甲烷與氮?dú)庵妥鳛榕袛嘁罁?jù)。

（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(zhì)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(shí)時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（2）：113-116.

［2］ 張亮，馬認(rèn)琦，蘇杰，等.天然氣水合物形成機(jī)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(jīng)濟(jì)性研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，31（2）：109-113.

［4］ 劉士鑫，郭平，達(dá)世攀，等. 氣田生產(chǎn)中天然氣水合物生成體系的實(shí)驗(yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（1）：97-100.

［5］ 吳志良.井筒中天然氣水合物生成條件預(yù)測及應(yīng)用［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，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(fā)，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(zhǔn)噶爾盆地氣井天然氣水合物生成實(shí)驗(yàn)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?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)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〕