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甲醇與聚乙烯吡咯烷酮復(fù)配體系抑制水合物生成效果實(shí)驗(yàn)

文檔作者：姚自義１，２，３，劉懷珠４，何水良４，趙康寧４，李　玲４，李芳芳４，馬　攀１，２，３，汪　杰１，２，３文檔來(lái)源：１長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心２長(zhǎng)江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室３長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院４唐山冀油瑞豐化工有限公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月20日
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收稿日期：２０２４０６２９；改回日期：２０２５０１１１
　　基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“低滲透油藏降阻增注納米乳液體系作用機(jī)理及影響因素研究”（Ｄ２０２３１３０１）；油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)
實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金“水合物藏滲透率演變機(jī)理及產(chǎn)能預(yù)測(cè)研究”（ＹＱＺＣ２０２４０１）
　　作者簡(jiǎn)介：姚自義（１９９９—），男，２０２２年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，現(xiàn)為該校油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事天然氣水合物
的開(kāi)發(fā)與防治、非常規(guī)油氣藏提高油氣采收率技術(shù)方面的研究工作。
　　通訊作者：汪杰（１９８７—），男，副教授，２０１０年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，２０２０年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主
要從事油氣田開(kāi)發(fā)與水合物開(kāi)采相關(guān)技術(shù)、非常規(guī)油氣藏提高油氣采收率與儲(chǔ)層改造方面的研究工作。
引文：姚自義，劉懷珠，何水良，等 甲醇與聚乙烯吡咯烷酮復(fù)配體系抑制水合物生成效果實(shí)驗(yàn)［Ｊ］特種油氣藏，２０２５，３２
（２）：１０３－１０９
ＹＡＯＺｉｙｉ，ＬＩＵＨｕａｉｚｈｕ，ＨＥＳｈｕｉｌｉａｎｇ，ｅｔａｌＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔｈａｎｏｌａｎｄｐｏｌｙｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅｃｏｍｐｏｕｎｄｓｙｓｔｅｍｔｏｉｎｈｉｂｉｔｈｙｄｒａｔｅ
ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］ＳｐｅｃｉａｌＯｉｌ＆ＧａｓＲｅｓｅｒｖｏｉｒｓ，２０２５，３２（２）：１０３－１０９
甲醇與聚乙烯吡咯烷酮復(fù)配體系抑制
水合物生成效果實(shí)驗(yàn)
姚自義１，２，３，劉懷珠４，何水良４，趙康寧４，李　玲４，李芳芳４，馬　攀１，２，３，汪　杰１，２，３
（１長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北　武漢?。矗常埃保埃埃?
２長(zhǎng)江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北　武漢　４３０１００；
３長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北　武漢　４３０１００；
４唐山冀油瑞豐化工有限公司，河北　唐山?。埃叮常担埃埃?
摘要：工業(yè)常用的熱力學(xué)抑制劑存在使用量大、成本高、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，根據(jù)熱
力學(xué)與動(dòng)力學(xué)抑制劑復(fù)配協(xié)同抑制原理，對(duì)甲醇與聚乙烯吡咯烷酮（ＰＶＰ）復(fù)配體系抑制水合
物生成的效果及變化規(guī)律進(jìn)行研究。研究表明：甲醇分子通過(guò)親水性羥基和親油性甲基抑制
水合物生成，水合物生成量隨甲醇用量的增加而降低甚至消失，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 １０００％時(shí)甲醇抑
制水合物生成的效果最優(yōu)。ＰＶＰ通過(guò)內(nèi)部溶解與表面吸附抑制水合物成核與生長(zhǎng)，ＰＶＰ抑制
水合物生成的效果由相對(duì)分子質(zhì)量和物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)共同決定，且存在抑制效果最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
一定范圍內(nèi)，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相同的抑制劑溶液中，ＰＶＰ對(duì)水合物生成的抑制性能隨相對(duì)分子
質(zhì)量增加而增強(qiáng)。ＰＶＰ與甲醇復(fù)配體系抑制水合物生成的效果均優(yōu)于單獨(dú)使用相同質(zhì)量分
數(shù)的甲醇，具有良好的協(xié)同抑制性能。不同類型抑制劑復(fù)配使用，既可降低使用成本，又可提
高抑制水合物生成的效果，確保氣井安全生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：甲烷水合物；甲醇；聚乙烯吡咯烷酮；協(xié)同抑制原理；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
中圖分類號(hào)：ＴＥ１３５　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ　　文章編號(hào)：１００６－６５３５（２０２５）０２－０１０３－０７
ＤＯＩ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００６－６５３５２０２５０２０１３
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔｈａｎｏｌａｎｄｐｏｌｙｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅｃｏｍｐｏｕｎｄｓｙｓｔｅｍ ｔｏｉｎｈｉｂｉｔｈｙｄｒａｔｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ＹＡＯＺｉｙｉ１，２，３，ＬＩＵＨｕａｉｚｈｕ４，ＨＥＳｈｕｉｌｉａｎｇ４，ＺＨＡＯＫａｎｇｎｉｎｇ４，ＬＩＬｉｎｇ４，ＬＩＦａｎｇｆａｎｇ４，ＭＡＰａｎ１，２，３，ＷＡＮＧＪｉｅ１，２，３
（１．ＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＵｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＯｉｌａｎｄＧａｓ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３０１００，Ｃｈｉｎａ；
２．ＨｕｂｅｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３０１００，Ｃｈｉｎａ；
３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ４３０１００，Ｃｈｉｎａ；
４．ＴａｎｇｓｈａｎＪｉｙｏｕＲｕｉｆｅｎｇＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ，Ｈｅｂｅｉ０６３５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｈａｖｅｉｓｓｕｅｓｓｕｃｈａｓｌａｒｇｅｕｓａｇｅａｍｏｕｎｔｓ，ｈｉｇｈ
ｃｏｓｔｓ，ａｎｄｓｅｖｅｒｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｓｕｃｈｉｓｓｕｅｓ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｂｙｔｈｅｃｏｍｂｉｎａ
ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｎｄｋｉｎｅｔｉｃｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｍｅｔｈａｎｏｌａｎｄｐｏｌｙｖｉ
ｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ（ＰＶＰ）ｃｏｍｐｏｕｎｄｓｙｓｔｅｍｉｎｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔＭｅｔｈａｎｏｌ
ｍｏｌｅｃｕｌｅｓｉｎｈｉｂｉｔｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｉｒｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃｈｙｄｒｏｘｙｌｇｒｏｕｐｓａｎｄｌｉｐｏｐｈｉｌｉｃｍｅｔｈｙｌｇｒｏｕｐｓ．Ｔｈｅａ
ｍｏｕｎｔｏｆｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍｅｄｄｅｃｒｅａｓｅｓａｎｄｍａｙｅｖｅｎｄｉｓａｐｐｅａｒｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｍｅｔｈａｎｏｌｕｓａｇｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｉｎｈｉｂｉ
ｔｏｒｙｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔｈａｎｏｌｏｎｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｃｈｉｅｖｅｄａｔａｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｏｆ１０．００％．ＰＶＰｉｎｈｉｂｉｔｓｈｙｄｒａｔｅｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ
ａｎｄｇｒｏｗｔｈｔｈｒｏｕｇｈｉｎｔｅｒｎａｌｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｓｕｒｆａｃｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆＰＶＰｉｎｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｊｏｉｎｔｌｙｂｙｉｔｓｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｍａｓｓａｎｄｍｏｌｅｆｒａｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓａｎｏｐｔｉｍａｌｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅ
?。薄。埃?特 種 油 氣 藏 第 ３２卷　
ｂｅｓｔｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｅｆｆｅｃｔ．Ｗｉｔｈｉｎａｃｅｒｔａｉｎｒａｎｇｅ，ｉｎｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｍｏｌｅｆｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｐｅｒｆｏｒｍ
ａｎｃｅｏｆＰＶＰａｇａｉｎｓｔｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｌａｔｉｖｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｍａｓｓ．ＴｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄｓｙｓｔｅｍｏｆＰＶＰ
ａｎｄｍｅｔｈａｎｏｌｉｓｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｉｎｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈａｎｕｓｉｎｇｍｅｔｈａｎｏｌａｌｏｎｅａｔｔｈｅｓａｍｅｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ，
ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇｇｏｏｄｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｕｓｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓｃａｎｂｏｔｈｒｅ
ｄｕｃｅｃｏｓｔｓａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇｈｙｄｒａｔｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｓａｆｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｇａｓｗｅｌｌｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｈａｎｅｈｙｄｒａｔｅ；ｍｅｔｈａｎｏｌ；ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ；ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
０　引　言
當(dāng)前，天然氣水合物普遍采用降壓法開(kāi)采，但
其分解產(chǎn)生的天然氣在輸送過(guò)程中易受溫度和壓
力影響，二次形成水合物，導(dǎo)致管線堵塞 ［１－２］。傳
統(tǒng)的抑制水合物生成方法以注入醇類、電解質(zhì)等熱
力學(xué)抑制劑為主，但存在注入量大、成本高、污染嚴(yán)
重等弊端。與之相比，動(dòng)力學(xué)抑制劑費(fèi)用低、用量
少、效果明顯［３－５］。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將 ２類
抑制劑混合使用，達(dá)到降低熱力學(xué)抑制劑用量的目
的。張永田等［６－１０］認(rèn)為，在醇類熱力學(xué)抑制劑中，
甲醇對(duì)水合物生成的抑制效果最佳，其常用質(zhì)量分
數(shù)為 １５％～５０％，有 時(shí) 候 甚 至 高 達(dá) ６０％。ＭＡＩＴＩ
等［１１－１３］認(rèn)為，低劑量聚乙烯吡咯烷酮（ＰＶＰ）對(duì)水
合物具有較強(qiáng)的抑制效果，質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常低于 ５％。
唐翠萍等［１４］的研究表明：ＰＶＰ分子結(jié)構(gòu)中的內(nèi)酰胺
環(huán)通過(guò)在水合物晶體顆粒表面吸附的方式，達(dá)到抑
制水合物成核的效果；且相對(duì)分子質(zhì)量為 ７０００～
１１０００的 ＰＶＰ對(duì)水合物生成沒(méi)有抑制效果，當(dāng)
ＰＶＰ相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò) ３００００時(shí)，ＰＶＰ抑制水合
物生成效果會(huì)顯著增強(qiáng)。Ｐｏｓｔｅｒａｒｏ等［１５－１９］認(rèn)為，
相對(duì)分子質(zhì)量為 １００００～３６０００的 ＰＶＰ對(duì)水合物
生成均具有一定的抑制效果，且隨著分子質(zhì)量的增
加，抑制效果逐漸增強(qiáng)［１５－１９］。以上研究分別對(duì)單
獨(dú)使用甲醇或 ＰＶＰ時(shí)，抑制水合物生成效果進(jìn)行
研究與分析，并未對(duì) ２類抑制劑混合使用時(shí)的抑制
效果進(jìn)行研究，且對(duì) ＰＶＰ分子質(zhì)量變化時(shí)抑制水
合物生成的效果分析存在爭(zhēng)議。
為此，基于恒定溫度法，開(kāi)展平行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試
與分析甲醇、ＰＶＰ單獨(dú)使用時(shí)抑制水合物生成的效果
和原理，以及 ＰＶＰ與甲醇復(fù)配體系抑制水合物生成
規(guī)律，揭示 ２類抑制劑協(xié)同抑制水合物生成機(jī)理。
１　實(shí)驗(yàn)方法
１１　實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)溶劑為實(shí)驗(yàn)室自制去離子水。依據(jù) ＰＶＰ
動(dòng)力學(xué)抑制劑相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍，選擇 ＰＶＰ
Ｋ１５、ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ６０、ＰＶＰＫ９０四種類型的抑制
劑，對(duì)應(yīng)的黏均相對(duì)分子質(zhì)量分別為 ３５００～１１０００、
３１５００～５１０００、２７００００～５２００００、７８００００～１２５００００。
熱力學(xué)抑制劑為純度為 ９９５％的甲醇。實(shí)驗(yàn)用氣
為常用工業(yè)甲烷氣，純度為 ９９９９％。
１２　實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案
抑制劑抑制水合物生成效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)采用自
研可視化低溫高壓雙反應(yīng)釜水合物模擬裝置（圖
１）。溫度為－３００～１０００℃，精度為±０１℃；可
視化反應(yīng)釜工作壓力為 ０００～２５００ＭＰａ，精度為
±００１ＭＰａ；反應(yīng)釜容積為 ００～５０００ｍＬ，精度為
±０１ｍＬ；磁力攪拌器轉(zhuǎn)速為 ０～１０００ｒ／ｍ。
圖 １　可視化低溫高壓雙反應(yīng)釜水合物模擬裝置示意圖
對(duì)單獨(dú)使用甲醇、ＰＶＰ以及甲醇和 ＰＶＰ復(fù)配
體系的抑制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，步驟如下：①開(kāi)啟水合
物評(píng)價(jià)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，將水浴溫度降至 ３℃；②按
照實(shí)驗(yàn)方案加入藥劑，充分?jǐn)嚢枞芙?；③用石油?
和蒸餾水清洗反應(yīng)釜，清除釜內(nèi)殘留水；④向反應(yīng)
釜內(nèi)倒入 １５０ｍＬ配置好的抑制劑溶液，將反應(yīng)釜
完全浸沒(méi)在水浴溫度控制系統(tǒng)中，連接溫度和壓力
傳感器；⑤注入甲烷氣至反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)到 ２０～
３０ＭＰａ，待 釜 內(nèi) 壓 力 穩(wěn) 定 后，卸 壓 至 ０２～０３
ＭＰａ；⑥再次向反應(yīng)釜內(nèi)注入甲烷氣體至釜內(nèi)壓力
達(dá)到 １５０ＭＰａ；⑦待反應(yīng)釜內(nèi)部壓力溫度穩(wěn)定后，
將磁力攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)為 ３００ｒ／ｍ，開(kāi)始攪拌，并每
　第 ２期 姚自義等：甲醇與聚乙烯吡咯烷酮復(fù)配體系抑制水合物生成效果實(shí)驗(yàn) １?。埃怠?
隔 ２ｍｉｎ采集一次數(shù)據(jù)；⑧實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出反應(yīng)
釜，觀察水合物形態(tài)，稱量水合物生成量；⑨重復(fù)步
驟①～⑧，進(jìn)行多次平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表 １
（抑制劑含量簡(jiǎn)稱為含量，下同）。
表 １　水合物生成與抑制分析實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)方案 化學(xué)劑含量
甲醇單獨(dú)使用，共 ７組 ０００％、３００％、５００％、７００％、１０００％、１５００％、２０００％
ＰＶＰＫ３０、Ｋ９０單獨(dú)使用，共 １２組 ＰＶＰ種類：ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ９０
ＰＶＰ含量：００１％、０１０％、０５０％、１００％、２００％、４００％
甲醇與低相對(duì)分子質(zhì)量 ＰＶＰ復(fù)配，共 ４組
甲醇含量：５００％；ＰＶＰ含量：０５０％、１００％
ＰＶＰ種類：ＰＶＰＫ１５、ＰＶＰＫ３０
甲醇與高相對(duì)分子質(zhì)量 ＰＶＰ復(fù)配，共 ４組
甲醇含量：５００％；ＰＶＰ含量：０１０％、０５０％
ＰＶＰ種類：ＰＶＰＫ６０、ＰＶＰＫ９０
甲醇與 ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ６０復(fù)配，共 ２組 ０１０％ＰＶＰＫ３０＋５００％甲醇
０７０％ＰＶＰＫ６０＋５００％甲醇
甲醇與 ＰＶＰＫ６０、ＰＶＰＫ９０復(fù)配，共 ２組 ０１０％ＰＶＰＫ６０＋５００％甲醇
０３０％ＰＶＰＫ９０＋５００％甲醇
２　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
２１　甲醇抑制水合物生成的作用機(jī)理
水合物熱力學(xué)抑制劑分子角度的抑制機(jī)理包
括吸附說(shuō)和局部擾動(dòng)說(shuō)［２０－２１］。吸附說(shuō)即抑制劑吸
附到水合物晶格表面，阻止甲烷分子進(jìn)入，從而達(dá)
到抑制效果；局部擾動(dòng)說(shuō)即局部結(jié)構(gòu)的水分子重排
以增加形成水合物籠型結(jié)構(gòu)的難度。
圖 ２為甲醇與甲烷水合物分子作用過(guò)程（圖
中綠色小球?yàn)樗肿?，灰白色小球、藍(lán)色小球與紅
褐色小球組合為甲醇分子，藍(lán)色圓形連接鍵為甲烷
與水分子形成的水合物籠型結(jié)構(gòu)，藍(lán)色虛線為氫鍵
斷裂）。由圖 ２可知：甲醇分子的存在改變了體系
的相平衡條件，部分甲烷分子從水溶液中逃逸后形
成氣相，甲醇分子則位于氣液界面處，運(yùn)動(dòng)至水合
物籠型結(jié)構(gòu)附近并覆蓋水合物表面。與純水體系
相比，甲醇分子同時(shí)含有親水性羥基和親油性甲
基［２２－２３］，一方面甲醇分子清水性羥基與水合物表
面水分子形成氫鍵破壞水合物的結(jié)構(gòu)，另一方面親
油性甲基和水合物中客體甲烷分子一樣，對(duì)周圍水
分子具有簇效應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)重新排列，阻礙了水分
子結(jié)合形成水合物籠型結(jié)構(gòu)。因此，甲醇體系中的
氫鍵數(shù)目增長(zhǎng)緩慢，水合物形成速率也大幅減弱。
圖 ２　甲醇與甲烷水合物分子作用過(guò)程
２２　甲醇抑制水合物生成的效果
圖 ３為純水體系中反應(yīng)釜內(nèi)溫度壓力變化曲
線。水合物生成時(shí)會(huì)消耗氣體并伴隨放熱現(xiàn)象，因
此，反應(yīng)體系壓力驟降、溫度驟升點(diǎn)可作為水合物
大量生成的標(biāo)志。由圖 ３可知：甲烷大量快速溶解
結(jié)束后，在第 ８５ｍｉｎ時(shí)出現(xiàn)壓力下降轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)
伴隨溫度略微升高的現(xiàn)象，說(shuō)明在 ８５ｍｉｎ后水合
物開(kāi)始大量成核；在第 ３５０～５５０ｍｉｎ階段，壓力持
續(xù)波動(dòng)，可視窗口中有大量水合物聚集生成；在第
５５０ｍｉｎ之后，反應(yīng)釜內(nèi)剩余甲烷壓力變化率趨于平
圖 ３　純水體系中反應(yīng)釜內(nèi)溫度壓力變化
緩，體系內(nèi)的水合物穩(wěn)定生長(zhǎng)。因此，純水體系中
?。薄。埃?特 種 油 氣 藏 第 ３２卷　
水合物的形成可分為 ４個(gè)階段：①甲烷氣體溶解階
段，②水合物成核階段，③水合物大量生長(zhǎng)階段，④
水合物穩(wěn)定生長(zhǎng)階段。
圖 ４為甲醇溶液中反應(yīng)釜內(nèi)甲烷氣體壓力變
化曲線，圖 ５為甲醇溶液中反應(yīng)釜內(nèi)甲烷氣體平均
壓力變化率隨甲醇含量變化曲線。由圖 ４、５可知：
圖 ４　甲醇溶液中反應(yīng)釜內(nèi)壓力變化
圖 ５　甲醇溶液中反應(yīng)釜內(nèi)甲烷氣體平均壓力變化率
當(dāng)溶液中的甲醇含量不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水合物抑制效
果變差，隨著溶液中甲醇含量的增加，反應(yīng)釜內(nèi)甲
烷氣體平均壓力變化率逐漸減小，可視窗口中最終
無(wú)渾濁或絮狀水合物生成，說(shuō)明甲醇含量增加對(duì)水
合物的抑制效果也逐漸增強(qiáng)。當(dāng)溶液中甲醇含量
達(dá)到 ５００％時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)水合物生成量開(kāi)始顯著
降低，甲 烷 氣 體 平 均 壓 力 變 化 率 由 ４３８×１０－３
ＭＰａ／ｍｉｎ降至 ２１５×１０－３ＭＰａ／ｍｉｎ；當(dāng)溶液中甲醇
含量達(dá)到 １０００％以上后，反應(yīng)釜內(nèi)沒(méi)有水合物生
成。Ｋｖａｍｍｅ等［２４］研究認(rèn)為，甲醇含量為 ５００％
是抑制氣液界面水合物膜形成的臨界值，因此，選
取含量為 ５００％的甲醇與動(dòng)力學(xué)抑制劑 ＰＶＰ進(jìn)行
混配，測(cè)試 ２類抑制劑復(fù)配抑制水合物生成效果。
２３　ＰＶＰ抑制水合物生成效果與作用機(jī)理分析
　?。校郑械南鄬?duì)分子質(zhì)量由碳主鏈長(zhǎng)度決定，為
１００００～３５００００。ＰＶＰ通過(guò)五元內(nèi)酰胺環(huán)的酰胺
基團(tuán)（－ＮＣ＝Ｏ）與碳主鏈相連，羰基上的氧原子與
水分子形成氫鍵，吸附到水合物晶核表面，抑制水
合物的成核或生長(zhǎng)。表 ２、３為 ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ９０
溶液中水合物生成模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表 ２、３可知：
當(dāng) ＰＶＰ的含量較低時(shí)，隨溶液中 ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰ
Ｋ９０含量增加，反應(yīng)釜內(nèi)水合物生成量均呈下降趨
勢(shì)，ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ９０達(dá)到最佳抑制效果所需的
含量分別為 １００％、０５０％；達(dá)到最佳抑制效果時(shí)
ＰＶＰＫ９０的用量低于 ＰＶＰＫ３０，說(shuō)明 ＰＶＰＫ９０對(duì)
水合物生成的抑制性能優(yōu)于 ＰＶＰＫ３０。隨著溶液
中 ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ９０的含量進(jìn)一步增加，溶液中
ＰＶＰ含量與抑制水合物生成的效果成負(fù)相關(guān)性。
表 ２?。校郑校耍常叭芤褐兴衔锷赡M實(shí)驗(yàn)后水合物狀態(tài)統(tǒng)計(jì)
ＰＶＰＫ３０含量 ／％ ０００ ００１ ０１０ ０５０ １００ ２００ ４００
水合物最終生成量 ／ｇ １３４８６ １１２２４ ７５４１ ３５４２ ０００ １２４ ３４５５
表 ３　ＰＶＰＫ９０溶液中水合物生成模擬實(shí)驗(yàn)后水合物狀態(tài)統(tǒng)計(jì)
ＰＶＰＫ９０含量 ／％ ０００ ００１ ０１０ ０５０ １００ ２００ ４００
水合物最終生成量 ／ｇ １３４８６ １２３３６ ６５７８ ０６８ ３６５９ ５９５７ ９４６７
　?。校郑袑?duì)水合物生成的抑制效果不僅受含量的
影響，還受 ＰＶＰ相對(duì)分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)的影
響［２５－２９］。ＰＶＰ抑制水合物成核與生長(zhǎng)的作用機(jī)理
包括水合物籠型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溶解與表面吸附雙重
作用機(jī)理［３０－３７］。ＰＶＰ抑制水合物生成的作用效果
不僅與 ＰＶＰ的相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，溶液中 ＰＶＰ物
質(zhì)的量分?jǐn)?shù)對(duì)水合物抑制效果也至關(guān)重要。當(dāng)
ＰＶＰ含量較低時(shí)，隨著抑制過(guò)程中 ＰＶＰ逐漸被消
耗，游離的 ＰＶＰ分子數(shù)量逐漸減少，無(wú)法有效抑制
水合物成核與生長(zhǎng)，導(dǎo)致水合物大量生成。
２４　甲醇與 ＰＶＰ復(fù)配體系抑制水合物生成效果
２４１　甲醇與 ＰＶＰ復(fù)配協(xié)同抑制水合物生成的
效果
依據(jù) ２２、２３小節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取甲醇（質(zhì)量
分?jǐn)?shù) 為 ５００％）分 別 與 低 相 對(duì) 分 子 質(zhì) 量 的 ＰＶＰ
　第 ２期 姚自義等：甲醇與聚乙烯吡咯烷酮復(fù)配體系抑制水合物生成效果實(shí)驗(yàn) １?。埃贰?
Ｋ１５、ＰＶＰＫ３０（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 ０５０％、１００％）和高
相對(duì) 分 子 質(zhì) 量 的 ＰＶＰ Ｋ６０、ＰＶＰ Ｋ９０（含 量 為
０１０％、０５０％）復(fù)配，測(cè)試復(fù)配體系協(xié)同抑制水合
物生成的效果。
表 ４為 １２００ｍｉｎ時(shí) ＰＶＰ與甲醇復(fù)配體系中
剩余甲烷氣體壓力。由表 ４可知：０１０％的 ＰＶＰ
Ｋ６０、ＰＶＰＫ９０和甲醇復(fù)配對(duì)水合物生成的抑制效
果弱于單獨(dú)使用 ５００％甲醇（剩余甲烷氣體壓力
為 １２４２ＭＰａ），但其余 ６種復(fù)配體系對(duì)水合物生
成的抑制效果均得到提升，且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，
０５０％ ＰＶＰＫ１５＋５００％甲醇、１００％ ＰＶＰＫ１５＋
５００％甲 醇、０５０％ ＰＶＰ Ｋ３０＋ ５００％甲 醇 和
１００％ ＰＶＰＫ３０＋５００％甲醇 ４種復(fù)配體系內(nèi)無(wú)
水合物生成，說(shuō)明 ２種類型的抑制劑混合可產(chǎn)生較
好的協(xié)同抑制效果。當(dāng) ＰＶＰ含量相同時(shí)，隨 著
ＰＶＰ相對(duì)分子質(zhì)量增加，溶液中 ＰＶＰ抑制劑物質(zhì)
的量分?jǐn)?shù)逐漸減少，混合溶液協(xié)同抑制水合物生成
的效果逐漸減弱，說(shuō)明 ＰＶＰ抑制水合物生成的效
果與溶液中 ＰＶＰ物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相關(guān)。
表 ４?。保玻埃埃恚椋顣r(shí) ＰＶＰ與甲醇混合溶液中
剩余甲烷氣體壓力
體系配方 剩余甲烷氣體壓力 ／ＭＰａ
０５０％ＰＶＰＫ１５＋５００％甲醇 １４６７
１００％ＰＶＰＫ１５＋５００％甲醇 １４００
０５０％ＰＶＰＫ３０＋５００％甲醇 １４０８
１００％ＰＶＰＫ３０＋５００％甲醇 １４７０
０１０％ＰＶＰＫ６０＋５００％甲醇 １１６５
０５０％ＰＶＰＫ６０＋５００％甲醇 １３０５
０１０％ＰＶＰＫ９０＋５００％甲醇 １１７１
０５０％ＰＶＰＫ９０＋５００％甲醇 １２８６
２４２　物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)近似相同的 ＰＶＰ與甲醇復(fù)
配抑制水合物生成的效果
為了進(jìn)一步驗(yàn)證 ＰＶＰ相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)復(fù)配體
系性能的影響，依據(jù) ＰＶＰ相對(duì)分子質(zhì)量，計(jì)算并配
制物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)近似相同的 ＰＶＰ與 ５００％甲醇混
合溶液，測(cè)試復(fù)配體系抑制水合物生成的效果。
ＰＶＰＫ６０相對(duì)分子質(zhì)量約為 ＰＶＰＫ３０的 ５５～
１６５倍，ＰＶＰＫ９０相對(duì)分子質(zhì)量約為 ＰＶＰＫ６０的
２５～３０倍，２組對(duì)照實(shí)驗(yàn)分別設(shè)定 ＰＶＰＫ３０、
ＰＶＰＫ６０的含量為 ０１０％、０７０％，ＰＶＰＫ６０、ＰＶＰ
Ｋ９０的含量為 ０１０％、０３０％。圖 ６為物質(zhì)的量分
數(shù)近似相同的 ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ６０、ＰＶＰＫ９０與甲
醇混合溶液中反應(yīng)釜內(nèi)壓力變化曲線。由圖 ６可
知：當(dāng)物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)近似相同時(shí)，３種 ＰＶＰ抑制水
合物生成的性能由強(qiáng)到弱分別為 ＰＶＰＫ９０、ＰＶＰ
Ｋ６０、ＰＶＰＫ３０，說(shuō)明隨著 ＰＶＰ相對(duì)分子質(zhì)量增加，
混合溶液協(xié)同抑制水合物生成的效果逐漸增強(qiáng)。
結(jié)合 ２４１小節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再次證明 ＰＶＰ抑制水
合物生成的性能由相對(duì)分子質(zhì)量和物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)
共同決定。
圖 ６　物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)近似相同的 ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ６０、
ＰＶＰＫ９０與甲醇復(fù)配抑制水合物壓力曲線
２５　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
選擇冀東油田西部某作業(yè)區(qū)生產(chǎn)氣井作為現(xiàn)
場(chǎng)應(yīng)用試點(diǎn)井，該地區(qū)冬天溫度可達(dá)－２０℃，冬季
生產(chǎn)時(shí)，氣井井口及地面輸氣管線內(nèi)常生成大量水
合物堵塞管線。為了提高抑制劑對(duì)水合物生成的
抑制效 果，將 甲 醇 含 量 提 高 至 １０００％，而 ＰＶＰ
Ｋ９０的含量設(shè)定為 ０５０％，并根據(jù)氣井出水量計(jì)算
混合抑制劑每天加注量，具體參數(shù)如表 ５所示。試
驗(yàn)期間，氣井生產(chǎn)平穩(wěn)，未發(fā)生水合物堵塞管道設(shè)
備等現(xiàn)象，水合物抑制效果良好，實(shí)現(xiàn)了氣井安全
生產(chǎn)。
表 ５　冀東油田 ３口實(shí)驗(yàn)井組合型抑制劑注入?yún)?shù)
序號(hào)
管線長(zhǎng)度 ／
ｍ
加注前日
產(chǎn)水量 ／
（ｍ３·ｄ－１）
ＰＶＰＫ９０
加注量 ／
（Ｌ·ｄ－１）
甲醇注入量 ／
（Ｌ·ｄ－１）
１ ３５００ ３５ １７５ ３５０
２ ４０００ ４０ ２００ ４００
３ ２８００ ３０ １５０ ３００
３　結(jié)　論
（１）甲醇分子通過(guò)親水性羥基和親油性甲基
抑制水合物生成，水合物生成量隨甲醇含量的增加
而降低甚至消失，含量為 １０００％時(shí)甲醇抑制水合
物生成的效果最優(yōu)。
?。薄。埃?特 種 油 氣 藏 第 ３２卷　
（２）ＰＶＰ通過(guò)內(nèi)部溶解與表面吸附抑制水合
物成核與生長(zhǎng)，其抑制水合物生成的效果由 ＰＶＰ
的相對(duì)分子質(zhì)量和物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)共同決定。當(dāng)
ＰＶＰ的含量較低時(shí)，隨溶液中 ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ９０
的含量增加，反應(yīng)釜內(nèi)水合物生成量均呈下降趨
勢(shì)，ＰＶＰＫ３０、ＰＶＰＫ９０達(dá)到最佳抑制效果所需的
含量分別為 １００％、０５０％。隨著溶液中 ＰＶＰ的
含量進(jìn)一步增加，溶液中 ＰＶＰ含量與抑制水合物
生成的效果成負(fù)相關(guān)性。
（３）ＰＶＰ與甲醇的復(fù)配溶液抑制水合物生成
的效果均優(yōu)于單獨(dú)使用相同含量的甲醇，具有良好
的協(xié)同抑制性能。當(dāng)物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)近似相同時(shí)，３
種 ＰＶＰ抑制水合物生成的性能由強(qiáng)到弱分別為
ＰＶＰＫ９０、ＰＶＰＫ６０、ＰＶＰＫ３０。ＰＶＰ作為動(dòng)力學(xué)抑
制劑使用時(shí)，必須以溶液中有效含量為準(zhǔn)。
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編輯　張?jiān)娨?

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