川西气田水合物防治工艺技术研究.pdf

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1、CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University 单位代码：单位代码： 10615 西西 南南 石石 油油 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目：论文题目： 川西气田水合物防治工艺技术研究川西气田水合物防治工艺技术研究 研究生姓名研究生姓名 ： 邓邓 柯柯 导师姓名导师姓名 ： 李颖川（教授）李颖川（教授） 学科专业：学科专业： 油气田开发工程油气田开发工程 研究方向：研究方向： 采油采气工艺采油采气工艺 2007 年年 4 月月 25 日日 CopyRight 2007 Library of SouthWes

2、t Petroleum University CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University I 摘 要 川西气田在每年冬季和初春季节气井易生成水合物堵塞生产设备和管线， 降低开井时 率，严重影响气井正常生产。针对川西气田目前在井筒解堵过程中采用产量控制法存在储 层伤害、影响气井产量，以及在集输管线解堵时采用高压管网气吹扫存在较大安全隐患、 增加生产耗气等缺点。对生产年限较长的低压气井、井眼轨迹复杂、井筒内壁较脏的气井， 以及新投产高压气井的水合物防治，本文开展了注醇工艺和井下节流工艺应用基础研究， 在理论研究方面主要完成如下工

3、作： 1） 在深入分析水合物生成热力学行为基础上， 应用 DuGuo 模型描述纯水体系水合 物生成条件； 针对含混合抑制剂 （电解质和醇） 水溶液体系， 采用精度较高的 Jafar Javanmardi 模型预测水合物生成条件， 该模型在求解电解质溶液体系中水活度时， 不需要进行复杂的闪蒸计算， 同时考虑了含高溶解性的气体组份 （如 CO2和 H2S） 情况； 2） 本文建立了气井井筒及集输管线压力温度预测模型，在计算压力温度沿井深分布 时，考虑了井筒与地层之间的传热，采用 RameyWillhite 井筒传热模型计算总 传热系数；当井筒中下入节流器时，基于临界流动状态时气体嘴流过程的特性分

4、析，建立了节流压降温降预测模型； 3） 应用天然气饱和含水量数学拟合方法，结合计算抑制剂最低液相浓度的 Hammerschmidt 经验公式，给出抑制剂合理注入量计算模型，用于注醇工艺参数 设计。由临界流动时气产量与节流嘴径、嘴前后压力的关系式可导出节流嘴径计 算公式。按照设计气产量和井口外输压力，运用基于径向传热的井筒压力温度耦 合模型来计算节流嘴前温度，结合水合物生成条件、节流后气流温度，提出了适 合川西气田、新的节流器下入深度计算方法，将上述理论和方法用 Visual Basic 语言实现，开发了水合物预测与防治应用程序。 在工程应用方面，基于川西气田的生产特征，选取四口气井开展了注醇和

5、井下节流工 艺参数设计、现场施工。对联益 101 和 105 井进行注醇工艺设计，在对比甲醇和乙二醇抑 制效果及经济效益的基础上优选出甲醇（工业酒精）作为施工药剂，并作出具体施工方案； 通过对川孝 452 和马蓬 43 两口井的井下节流工艺设计，对该工艺适应性、工艺流程进行 深入研究，并对节流后影响井口温度的诸多因素如节流器下入深度、井口压力等进行敏感 性分析。通过现场应用，气井的生产压力及气产量保持稳定，生产形势良好，表明该两种 工艺能有效防治水合物冻堵，保证了气井正常生产，提高了经济效益。 关键词：关键词：川西气田，水合物防治， 注醇工艺，井下节流，经济效益 CopyRight 2007

6、Library of SouthWest Petroleum University II ABSTRACT At frigid winter and spring prime season,gas wells of Western Sichuan Gas Field probably form the gas- hydrate,which block up production facilities and gathering pipeline,it reduce well startup time and seriously affect regular production of gas

7、wells.At the moment, Western Sichuan Gas Field mainly take production control means and high-pressure grid gas scavenging line method to prevent gas hydrate blockage in wellbore and gathering line sepatately,many problems are still remains: harming reservoir,affecting gas production,existing potenti

8、al safety hazard and increasing gas consumption.For effectively prohibiting the hydrate blockage of gas wells,which have complex well course or dirty inner wall tube,or longer production period and whcih have high-pressure. This article do the application of basic researches of alcohol injection and

9、 downhole throttle technology respectively.In theory the main research workes have done as follows. 1） Based on deeply analysesing the thermodynamics behavious of hydrate formation, using the Du-Guo Model to compute the gas-hydrate generation condition for pure water system. Apply highly accuracy Ja

10、far Javanmardi Model to predicte the hydrate formation temperature to giving pressure for inhibiters system(electrolyte and alcohol),but no flash calculation algorithm is needed for electrolyte system,which can be suit for the conditon containing high solubility gas ingredients,for example: carbon d

11、ioxide and hydrogen sulfide. 2） This article establish temperature and pressure prediction models of wellbore and surface pipeline,which consider the heat transfer process between borehole and layer when calculate pressure and temperature distribution of entire borehole,using Ramey-Willhits wellbore

12、 heat transfer model to compute the overall heat transfer coefficient.While placing the bean choke in the wellbore,on the foundation of performance analysis for critical choke flow process, suitable model can be seek to compute the choked pressure and temperature droping values. 3） Applying mathemat

13、ics fitting means of the gas saturated moisture chart,and combining Hammerschmidt empiric equation to calculate minimum inhibitors concentration in liquid phase,the appropriate inhibitor usage model can be presented,using it to design the alcohol injection parameters.Through relational expression be

14、tween gas flow rate and choke diameter and heel-and-toe choke pressures under critical flow condition, calculation formula of choke diameter can be derived. According to designed well flow rates and SWHP,on the ground of temperature-pressure model based on wellbore radial thermal conduction,coupling

15、 hyrate formation condition and gas temperature after CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University III choking,this article build the new calculation method of choke setting depth,which suited to Western Sichuan Gas Field.Using Visual Basic 6.0 software to compile computer programs for f

16、orementioned theorise and methods. In engneering applications,based on the analysis of production characteristics of Western Sichuan Gas Field, this article make alcohol injection and downhole throttle technology parameters designs and site applications of four gas wells.Doing the alcohol injection

17、technological designs for LianYi 101 and 105. Comparing the inhibitory effect and economic benefit of methanol or glycol.,methanol(industrial alcohol)be taken as execution medicament,and detailed construction scheme be maken.Through the downhole throttle technological designs of ChuanXiao 452 and Ma

18、Peng 43 to deeply study the its adaptiveness and technological process,and do some research on the factors such as setting depth of choke and wellhead pressure,which effect wellhead temperature after choking.The four gas wells keep up persistent producing pressure and gas flow rate after practising

19、this two hydrate prevention measures,which demonstrate that alcohol injection or downhole choke technology can effectively prevent hydrate blockage, guarantee regular production of gas well and improve economic benefit. Key words: Western Sichuan gas field hydrate prevention alcohol injection techno

20、logy downhole throttle economic benefit CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University 目录 IV 目 录 摘要摘要I ABSTRACTII 目录目录IV 1 引言引言1 1.1 研究的目的和意义1 1.2 国内外研究现状和发展概况2 1.3 本文的主要工作5 2 天然气水合物形成条件预测天然气水合物形成条件预测7 2.1 天然气水合物物理性质及结构7 2.2 天然气水合物的生成条件9 2.3 天然气水合物形成机理9 2.4 天然气水合物生成条件预测10 2.5 本章小结26 3 注醇防治

21、水合物堵塞工艺注醇防治水合物堵塞工艺27 3.1 醇类抑制剂作用机理及物化性质27 3.2 井筒水合物形成预测28 3.3 地面管线水合物形成预测33 3.4 注醇工艺参数设计34 3.5 注醇工艺的适应性38 3.6 本章小结38 4 井下节流防治水合物堵塞工艺井下节流防治水合物堵塞工艺39 4.1 井下节流防止水合物生成机理39 4.2 井下节流热力学过程39 4.3 井下嘴流压降温降预测模型42 4.4 气井井下节流压力温度模型求解46 4.5 井下节流工艺参数设计46 4.6 井下节流工艺的适应性51 4.7 本章小结51 5 川西气田水合物防治工艺现场应用川西气田水合物防治工艺现场应

22、用52 5.1 注醇工艺设计52 5.2 注醇施工流程57 CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University 目录 V 5.3 注醇效果评价58 5.4 井下节流工艺设计59 5.5 井下节流现场施工流程69 5.6 节流效果评价71 5.7 本章小结73 6 结论与建议结论与建议75 致谢致谢77 参考文献参考文献78 附录附录81 CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University CopyRight 2007 Library of SouthWest Petrol

23、eum University 引言 1 1 引言 在天然气开采、集输过程中，在地面管线和井筒发生温度压力变化时，极易生成水合 物，水合物会对油管、计量孔板、地面管线造成堵塞和阻碍设备的热传导等危害，严重影 响气井生产，甚至会危及人与设备的安全，如何开展高效、经济水合物防治工艺措施成为 气田开发中的难题之一，本文内容就涉及此方面。针对川西气田生产特征和目前水合物防 治工艺措施存在的不足，本文对注醇和井下节流两种工艺进行基础应用研究，选取川西气 田的四口气井开展现场应用， 结果表明上述工艺有效防治水合物冻堵， 具有良好经济效益。 1.1 研究目的及意义 天然气从地层进入地面流程主要包括地层、井筒、

24、地面三个流动过程，由于天然气在 高压、低温、含水情况下极易生成水合物，压力越高，水合物生成温度越高，从而堵塞井 筒生产管柱和地面管线，影响气井的正常生产，降低开井时率。因此在常规的高压天然气 开采过程中，主要采用水套炉加热天然气后节流降压方式，维持气井的正常生产。 川西气田普遍产少量凝析水，气井开采初期具有较高压力，在天气寒冷的冬季和初春 季节，气井井筒及地面管线极易出现天然气水合物堵塞以及由水合物引发的其它复杂混合 物堵塞（尤其是新场 JS 气藏气井、洛带 JSn 气藏气井尤为严重） ，2005 年2006 年新场上 沙溪庙气藏、马井蓬莱镇组气藏、洛带遂宁组气藏高压气井的气井管线堵塞次数高达

25、 468 次，其堵塞次数占年堵塞总井次的 60%左右，整个川西气田气井年堵塞影响产量达到 400104m3。 表 1.1 川西气田 2004 年投产气井部分高压气井堵塞状况 气藏 堵塞 类型 气井 投产时间 影响正常生 产时间,h 堵塞井次 堵塞减产 104m3 金遂 18 井组2004.11.16258 52 19.9 金遂 16 井组2004.12.311103 68 23 金遂 15 井组2004.11.1669 10 0.9 地面 管线 堵塞 金遂 14 井组2004.12.2818 4 0.2 合计 1448 134 44 金遂 18 井组2004.11.1690 8 5.6 金遂

26、15 井组2004.11.165 4 0.1 井筒 堵塞 金遂 14 井组2004.12.289 2 0.08 洛带遂宁组 合计 104 14 5.78 川孝 453 2004.12.1 14 34 0.3 川孝 473 2004.1.18 14 4 1 川孝 482 2004.7.20 78 22 1.95 地面 管线 堵塞 川孝 483 2004.12.203 10 0.5 新场上沙溪庙组 合计 109 70 3.75 川西气田目前主要采用气井水套炉加热后地面节流降压生产方式， 只能降低水套炉之 CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum U

27、niversity 西南石油大学硕士学位论文 2 后流程管线压力，对经过水套炉的低温天然气进行加热，仅能防治水套炉后集输管线水合 物堵塞，井筒和井口至水套炉之间的地面管线仍存在水合物堵塞的危险，一旦形成水合物 堵，就会降低了开井时率，影响气井正常生产。在地面管线解堵过程中，多采用高压管网 气进行吹扫，高压气流不断冲刷管壁，容易造成管线刺漏，不仅消耗大量天然气而且存在 较大的安全隐患。在气井井筒解堵过程中，频频采用提产来提高流速实现，这种大压差降 压生产方式，容易造成气层激动和储层伤害、致使气井产量和压力迅速降低。 基于川西气田天然气流体物性特征及目前水合物防治工艺技术的不足， 对注醇和井下 节

28、流两种工艺进行应用基础研究对于指导川西气田高效开发具有重要的现实意义。开展注 醇工艺及井下节流工艺现场，一方面可以解决气井管柱及地面管线堵塞问题，保证气井正 常生产；另一方面，可节约地面管线解堵时吹扫地面管线所消耗的天然气。此外实施井下 节流后可节约水套炉费用，降低地面采气管线承受压力，简化地面工艺流程等优点；综上 所述采用注醇和井下节流工艺可以大大降低开发成本，具有良好经济效益，对川西气田以 及相类似的气田水合物防治具有重要意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 气水合物研究发展概况 1810 年 Humphrg Davy1在伦敦皇家研究院首次合成氯气水合物。气水合物（Gas

29、Hydrate）一词最早出现在 Davy 次年所著的书中。在这以后的一百二十多年中，人们仅通 过实验室来认识水合物。1832 年 Faraday 在实验室合成氯气水合物 Cl210H2O，并对水合 物的性质作了较系统的描述。其后人们陆续在实验室合成了 Br2、SO2、CO2、H2S 等的气 水合物。提出了著名的 Debray 规则“在给定温度下，所有可分解成固体和气体的固态物质 都有一个确定的分解压力，其随温度变化” 。1884 年 Roozeboom 提出了天然气水合物形成 的相理论。此后不久，Villard 在实验室合成了 CH4、C2H6、C2H4、C2H2等的水合物。1919 年，Sc

30、heffer 和 Meijer 建立了一种新的动力学理论方法来直接分析天然气水合物，他们应 用 ClausiusClapeyron 方程建立三相平衡曲线，来推测水合物的组成1。1990 年，中国科 学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室科研人员曾与莫斯科大学冻土专业学 者 .列别琴科博士成功地进行了天然气水合物人工合成实验。合成实验采用甲烷气体 和蒸馏水为原料，恒温恒压下在高压容器中进行。合成物具有与现场勘探所得固体相同的 外观及可燃性。 19 世纪 30 年代初，人们开始注意到天然气输气管线中形成的天然气水合物。因为水 合物造成的天然气输气管道堵塞问题给天然气工业带来许多麻烦 2。19

31、34 年， Hammerschmidt 发表了水合物造成天然气输气管线堵塞的有关数据，人们开始更加详细地 研究天然气水合物和它的性质。在北美加拿大西北部马更些三角洲 451m 深钻孔中的冰胶 结永冻层内首次发现可见气水合物和可能的孔隙水合物样品。Carson 和 Katz（1942）年研 CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University 引言 3 究了气水合物和富烃流体存在下的四相平衡。 50 年代曾用 X 射线晶体结构分析的方法研究 了水合物的结构。近年来用中子图示法做了研究，它给出了水合物结构更完整的概念（补 充了 X 射线分

32、析中关于水晶格中氢原子排列的资料） 。 19 世纪 60 年代中期前苏联首先在地 层中发现了天然气水合物。 俄罗斯西西伯利亚北部的麦索雅哈气田 （现已关闭） 发现于 1968 年，是天然气水合物气藏的一个典型的实例3。从 70 年代到 80 年代初，从水合物中持续 开采出天然气。另外，1968 年开始的以美国为首的深海钻探计划4（DSDP）和后来的大 洋钻探计划（ODP）以及深水海底取样技术的提高，加快对气水合物的研究。1998 年 4 月， 我国与美国国家科学基金会签署谅解备忘录，正式以六分之一成员国身份加入大洋钻探计 划。美国 2001 年在俄勒冈州海域 396701m 水深的洋面上，针对

33、天然气水合物隆起带布 置了 3 口勘探井。我国 2005 年 10 月在南海北部开展了天然气水合物钻探。除此之外，随 着对水合物研究的不断深入和水合物特殊性质应用的拓展，它在工业上至少还具备以下利 用途径5：近临界和超临界萃取、混合物分离、海水淡化、放射性气体的地下储存、生物 酶活性控制和高级材料特别是微束半导体胶质的制备等。 1.2.2 水合物生成条件热力学预测模型的发展概况 目前预测水合物生成条件的热力学模型几乎都是以经典统计热力学为基础的。 Van der Waals 和 Platteeuw6（1959）提出了一个基于经典吸附理论的基础模型，该模型预测结果 和水冰点很相近， 误差较大，

34、但以后的预测模型大都是在该模型的改进型。 1972 年， Parrish 和 Prausnitz7将 VdWP 模型推广应用到多元气体组分体系中；Ng 和 Robinson8（1976） 对该 VdWP 模型中的项作了经验修正，使预测结果得到改善；1985 年 John 和 Holder9 对模型做了合理的修正。近年来，Klauda 和 Sandler（2000）提出了一种经典热力学方法来 预测水合物生成条件， 该方法中消除了 VdwP 模型中的能量基准参数， 提高了预测精度。 Ballard 和 Sloan10（2002）提出了考虑客体分子的种类和大小对水合物晶格产生影响的热 力学模型，该模

35、型更加符合实际情况，因此对于高压条件下生成条件预测精度更高。 针对含醇类体系，Hammerschmidt11（1934）给出了的水合物生成温度预测的经验公 式，后来 Anderson 和 Prausnitz12（1986） 、Moshfeghian 和 Maddox13（1993）分别提出了 计算模型； 对含电解质体系， Englezos 和 Bishnoi14（1988） 采用 Pitzer 和 Mayorga15（1973） 活度系数模型来计算水在电解质溶液中的活度系数，但是该模型对含可溶性气体组分的水 合物生成条件预测结果不好。Javanmardi 和 Moshfeghian（1996）

36、采用另一种方法，即在纯 水体系水合物生成温度再加上一个温度增量得到含电解质体系的水合物生成温度。 Englezos16（1992）使用闪蒸算法和 AasbergPeterson 逸度系数模型预测了含单电解质体 系的水合物初始生成温度，Javanmardi 和 Moshfeghian17（2000）将其推广到混合电解质 体系。针对含醇和电解质混合体系，Yousif 和 Young18（1994）在 Hammerschmidt 模型的 基础上，提出了一种简单模型计算含多种电解质和单醇体系的生成温度。Jafar Javanmardi 等人（2001）提出了一种新的方法，该方法对水活度模型进行了扩展，

37、可适用于含高溶解 CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大学硕士学位论文 4 性气体组份（如：CO2，H2S）的水合物生成条件预测。 我国的杜亚和和郭天民19（1990）采用经验公式计算 Langmiur 常数，计算形式简单， 且已推广应用于含甲醇体系取得很好的结果；Chen 和 Guo20（1996）基于水合物生成动力 学机理提出了一个完全不同于 VdWP 模型的水合物模型， 对纯水中水合物条件预测取得 了满意的结果。针对含电解质体系，左有祥等人21（1997）利用改进得 PT 状态方程来描 述含电解质溶液水

38、的活度，结合 Barkan 和 Sheinin22（1993）水合物模型来计算水合物生 成条件；梅东海和廖健23等人（1998）通过对 ZuoGommesenGuo 水合物模型的简化 和改进，将其扩展应用于同时含电解质（包括混合电解质）和甲醇水溶液体系的水合物生 成条件预测，其水合物生成压力平均误差为 5.27。 1.2.3 天然气水合物防治方法的研究现状 水合物防治方法24,25包括除水法、加热法、降压法、添加化学抑制剂。除水法26是通 过除去引起水合物生成的水分子来抑制水合物的生成，通常有四种处理方法：吸湿溶剂吸 收，化学吸附，物理吸附和冷却法。 在石油天然气工业中最常用的抑制天然气水合物

39、生成的方法是把操作条件（温度、压 力等）控制在水合物稳定条件以外。加热法25是通过加热天然气，使体系温度高于系统压 力下的水水合物气三相平衡温度，水合物受热分解，避免堵塞，一般采用注蒸汽加热， 水套炉加热和电缆加热。 降压法与加热法原理相似， 通过降低体系压力来防止水合物生成。 除了控制水含量， 控温， 控压这些物理方法， 添加适当的抑制剂也是非常重要的方法， 这在海上作业的条件下有时是唯一的方法。目前抑制剂可以分为两大类，一类是热力学抑 制剂，另一类是动力学抑制剂。 热力学抑制剂24,27，是一些可以改变水合物热力学稳定条件的试剂，最常见的就是甲 醇和乙二醇。特别是在海上，其用量一般占到水相

40、的 10%60%，据报道原苏联每年用作 抑制剂的甲醇消耗量达到 6104吨左右， 通常， 防止水合物的费用约占生产总成本的 5 8，全球油气田每年用于防止水合物生成的抑制剂（甲醇或乙二醇）费用就高达 1.5 亿。 由于甲醇使用成本昂贵，有剧毒，回收不方便等缺点，近年来，发展了抑制效果更好的动 力学抑制剂。 动力学抑制剂28根据分子作用的不同机理，将其分为水合物生长抑制剂、水合物聚集 抑制剂和具有双重功能的抑制剂，水合物生长抑制剂可以延缓水合物晶核生长速率，使水 合物在一定流体滞留时间内不至于生长过快而发生沉积。水合物聚集抑制剂则通过物理和 化学的协同作用，抑制水合物的聚集趋势，使水合物悬浮于流

41、体中随流体流动，不至于造 成堵塞。具有双重功能的抑制剂则是既能延缓晶核生长，又能防治聚集发生的抑制剂，由 于动力学抑制剂具有用量少，效率高等优点，已成为目前研究的热点。 井下节流工艺29,30是将节流油嘴安装于油管内适当位置，实现井筒内节流降压，降低 水合物生成温度，同时利用地温加热节流后的天然气流，使得气流温度升高，达到防治水 CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University 引言 5 合物生成目的。井下节流工艺技术国内最早于 1986 在四川金 11 井试验成功，经过近 20 年发展完善，先后在四川川中八角场、胜利孤岛垦西油气

42、田、新疆马庄气田、克拉玛依油 田、青海油田、长庆的靖边气田、榆林气田、苏里格气田、白马庙浅层气藏、蜀南气矿、 华北大牛地气田等 10 多个油气田得到推广应用，并取得了良好的工艺效果。 图 1.1 节流器示意图 除此之外， 现场还通常采用产量控制法、 管线吹扫等方法来防治天然气水合物的堵塞。 1.3 本文的主要工作 本文分析了当前川西气田水合物防治方法存在的问题， 在广泛调研国内外水合物防治 工艺技术应用基础上，给出注醇和井下节流水合物防治工艺参数设计方法，并结合川西气 田气井开采现状， 选取典型井进行注醇工艺和井下节流工艺试验， 取得了良好的工艺效果。 本文主要开展了以下主要工作： （1）在广

43、泛调研水合物相平衡理论模型研究基础上，建立未含抑制剂和含抑制剂天 然气水合物生成条件预测模型，并验证模型的正确性； （2）基于气井动态分析，建立基于井筒径向传热的气井井筒温度压力耦合计算数学 模型；由管道流动基本方程导出地面管线压力温度分布计算公式；结合天然气水合物生成 条件，可对气井井筒和集输管线水合物生成位置及趋势作出判断； （3）在对天然气饱和含水量图版进行数学拟合的基础上，结合水合物生成条件及用 以计算抑制剂最低液相浓度的 Hammerschmidt 经验公式，给出了抑制剂合理注入量计算模 型，用以确定注醇工艺参数； （4）根据井下节流原理，建立了节流温降预测数学模型，以节流器为函数节

44、点，结 合气井井筒管流动态参数预测方法，给出了气井井下节流压力温度预测方法；根据气井生 CopyRight 2007 Library of SouthWest Petroleum University 西南石油大学硕士学位论文 6 产特征和管网压力，确定节流后的井口压力，结合水合物生成条件和节流嘴前后压力、温 度提出适合川西气田、新的井下节流工艺参数设计方法； （5）用 Visual Basic 程序语言将上述理论和方法实现程序化。利用建立的基于径向传 热的压力温度耦合预测模型，对联 105、川孝 452 和马蓬 43 井井筒温度分布进行预测。利 用建立集输管线压降温降模型对联 101 井 800 米地面管线沿程温度分布进行预测。根据天 然气组份数据，对上述四口井天然气在不同压力条件下的水合物生成温度进行预测，从而 判断出水合物初始生成位置