含硫氣藏硫沉積機(jī)理及其對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

羅啟源 李曉平 耿天鵬 宋代詩(shī)雨

(1.西南石油大學(xué)研究生部;2.西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠)

含硫氣藏硫沉積機(jī)理及其對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

羅啟源1李曉平2耿天鵬3宋代詩(shī)雨1

(1.西南石油大學(xué)研究生部;2.西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠)

在高含硫氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中,易出現(xiàn)元素硫沉積,堵塞孔喉道,降低地層滲透率,導(dǎo)致氣藏減產(chǎn)。因此,研究含硫氣藏元素硫沉積機(jī)理及其對(duì)氣井產(chǎn)能的影響具有一定意義,能為開(kāi)發(fā)高含硫氣藏提供理論指導(dǎo)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,分析了含硫氣藏中的元素硫沉積機(jī)理,根據(jù)物質(zhì)平衡原理和非線性沉積理論得到了在地層流體非達(dá)西流動(dòng)狀態(tài)下的元素硫沉積模型,并推導(dǎo)出含硫氣藏的產(chǎn)能公式。

含硫氣藏 硫沉積 氣井產(chǎn)能影響研究

1 前言

隨著含硫氣藏的不斷開(kāi)發(fā),氣藏中元素硫的沉積一直是人們關(guān)心的問(wèn)題。氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中的溫度和壓力的下降很可能會(huì)導(dǎo)致元素硫沉積,元素硫沉積后附著在孔喉表面,堵塞孔道,導(dǎo)致地層的孔隙度和滲透率降低,直接降低氣井的產(chǎn)能。嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)堵塞孔喉,導(dǎo)致部分孔喉屏蔽,形成封隔氣,以致降低氣藏采收率[1]。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者[2-5]對(duì)含硫氣藏進(jìn)行過(guò)研究,杜志敏等[6]通過(guò)引入空氣動(dòng)力學(xué)理論,建立了描述硫微粒氣固運(yùn)移、沉積數(shù)學(xué)模型。楊學(xué)鋒等[7]考慮了高含硫氣體在近井地帶作高速非達(dá)西流動(dòng),建立了硫的沉積模型。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,分析了含硫氣藏元素硫的沉積機(jī)理以及硫沉積對(duì)氣井產(chǎn)能的影響。

2 含硫氣藏硫元素沉積機(jī)理

硫元素在地層中的沉積是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,其中包含硫在氣體中的溶解,硫微粒在地層中的運(yùn)移以及硫在地層孔隙中的析出。當(dāng)氣體流動(dòng)的速度不足以帶出析出的硫微粒時(shí)硫則沉積在地層中。

2.1 元素硫在地層中的溶解與析出

2.1.1 元素硫在地層中的溶解

截至目前,普遍認(rèn)為硫在地層中的溶解方式有兩種,即物理溶解和化學(xué)溶解[8]。物理溶解學(xué)說(shuō)認(rèn)為,在氣藏條件下,元素硫以物理方式溶解在酸氣中,硫的溶解度比較大,在生產(chǎn)、開(kāi)發(fā)時(shí),隨井筒附近壓力的下降,硫在酸氣中的溶解度迅速下降,這樣就會(huì)在井筒附近的地層中析出、沉積單質(zhì)硫?；瘜W(xué)溶解學(xué)說(shuō)認(rèn)為,在地層條件下,元素硫和硫化氫結(jié)合生成多硫化氫,并存在如下反應(yīng)式:

此反應(yīng)是一可逆化學(xué)反應(yīng),適用于高溫高壓地層。從左到右該反應(yīng)是吸熱反應(yīng),在溫度或壓力升高時(shí),平衡將向多硫化氫方向移動(dòng),使得單質(zhì)硫在地層中的含量減少,天然氣中硫的含量增加。反之,當(dāng)?shù)貙訙囟然驂毫档蜁r(shí),反應(yīng)向有利于多硫化氫分解生成H2S和元素硫的方向進(jìn)行,可能會(huì)發(fā)生元素硫沉積。

2.1.2 硫微粒在地層中的運(yùn)移

杜志敏等[6]認(rèn)為,孔隙中微粒在析出時(shí)有一個(gè)與氣流相同的初速度,若該初速度大于沉降方向的沉降末速,則微粒運(yùn)移,否則沉積。氣固混合流體在最初的高速下作均勻流動(dòng),這種高速足以維持微粒沿孔道截面均勻分布。隨著氣流速度逐漸減小,微粒重力影響變得顯著,微粒分布也變得不均勻。隨著速度進(jìn)一步減小,微粒開(kāi)始沉降,在孔道中開(kāi)始形成波紋狀的砂丘。當(dāng)氣流速度不斷減小,砂丘占據(jù)孔道的橫截面積越來(lái)越大,直至最后將孔道堵塞。

2.1.3 元素硫在地層中的析出

當(dāng)化學(xué)分解出的硫量達(dá)到一定值且流體水動(dòng)力不足以攜帶固態(tài)顆粒的硫時(shí),元素硫就可直接在地層孔隙中沉積并聚集起來(lái)。硫顆粒在氣流中主要受運(yùn)動(dòng)阻力 (Fd)、壓力梯度力 (Fp)、視質(zhì)量力(Fm)、巴西特力 (FB)、馬格努斯力 (FML)、薩夫曼升力(FSL)六種力的作用而發(fā)生團(tuán)聚[9],從而析出。其受力分析如圖1所示。

由圖1分析可知,當(dāng)顆粒垂直方向的合力為零時(shí),即

則硫顆粒在該方向上保持平衡,而不發(fā)生沉降。

圖1 硫顆粒受力分析示意圖

2.2 元素硫在地層中的沉積模型

若氣流中的硫含量達(dá)到飽和,則很可能發(fā)生硫沉積。硫的沉積受溫度、壓力、地層、氣體組分及氣體流速等因素的影響[10],硫在地層中的沉積包括聚集、沉降、吸附等。在靠近井筒附近氣體的流動(dòng)服從達(dá)西滲流,本文通過(guò)運(yùn)用物質(zhì)平衡原理和非線性沉積理論推導(dǎo)出非達(dá)西流動(dòng)的硫沉積模型。假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng),平面徑向流,地層均質(zhì),溫度恒定。根據(jù) Forchheirmer的研究成果,對(duì)平面徑向流有

設(shè)r處在t時(shí)刻因壓降而析出的硫體積量為VS,則其與單位壓差變化條件下硫溶解度的變化關(guān)系為

由孔隙度定義可得孔隙度變化率Δφ的微分關(guān)系式為

(2)式代入 (3)式得

根據(jù)Civan.F[11]對(duì)地層非平衡沉積過(guò)程中沉積物體積與孔隙度的關(guān)系研究結(jié)果,可得孔隙度與地層含硫飽和度的關(guān)系方程:

上式兩端對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),得

根據(jù)Roberts的研究結(jié)果,地層發(fā)生硫沉積時(shí)地層相對(duì)滲透率與含硫飽和度的關(guān)系為

把 (8)式代入 (5)式,得

令

(10)式兩端分別對(duì) t求導(dǎo),得

分別把 (10)式和 (11)式代入 (7)式,整理得

令

將上式合并同類項(xiàng)并分離變量積分得

上式即為飽和氣流在非達(dá)西滲流條件下的硫沉積模型的精確解。該關(guān)系式描述了含硫飽和度與生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)量、井半徑等參數(shù)的關(guān)系。

3 硫沉積對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

根據(jù)Robert提出的孔隙堵塞對(duì)儲(chǔ)層滲透率造成的傷害模型:

將式 (13)代入 (14)式得

對(duì)于紊流,有

(16)式代入 (15)式,整理方程并分離變量積分得

由上式可知,含硫氣井產(chǎn)量與含硫飽和度之間為非常規(guī)函數(shù)關(guān)系,其產(chǎn)量的影響因素包括生產(chǎn)時(shí)間、硫沉積延遲時(shí)間、井半徑等參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)數(shù)值求解的方法得數(shù)值解。

4 結(jié)論及建議

(1)在前人研究的基礎(chǔ)上,分析了含硫氣藏中的元素硫沉積機(jī)理;根據(jù)物質(zhì)平衡原理和非線性沉積理論得到在地層流體非達(dá)西流動(dòng)狀態(tài)下的元素硫沉積模型。

(2)推導(dǎo)出含硫氣藏的產(chǎn)能關(guān)系式,關(guān)系式表明含硫飽和度與含硫氣井產(chǎn)能為非常規(guī)函數(shù)關(guān)系,只能通過(guò)數(shù)值解法求解。

(3)含硫氣井的產(chǎn)能公式表明,影響氣井產(chǎn)能的因素包括生產(chǎn)時(shí)間、硫沉積延遲時(shí)間、井半徑、地層壓力分布等,實(shí)際生產(chǎn)中要合理控制產(chǎn)氣速度,預(yù)防硫的大量沉積。

符號(hào)說(shuō)明

μ、μg——?dú)怏w黏度,mPa·s

k、k0、kg——分別為地層滲透率、地層原始滲透率、氣體有效滲透率,μm2

kr——相對(duì)滲透率

Bg——?dú)怏w體積系數(shù)

C——元素硫的溶解度,g/m3

h——儲(chǔ)集層厚度,m

p——地層壓力,MPa

qg——天然氣產(chǎn)量,104m3/d

r——儲(chǔ)集層中任一點(diǎn)到氣井中心的徑向距離,m SS——含硫飽和度

t——生產(chǎn)時(shí)間,d

T——儲(chǔ)集層溫度,K

VS、V0——分別為元素硫析出的體積量和孔隙體積,m3

v——?dú)怏w在井底下的流速,m/s

ρg——地層條件下天然氣的密度,kg/m3

φ0、φ、Δφ ——分別為原始地層孔隙度、地層孔隙度和孔隙度的變化

β——速度系數(shù),m-1

τ——沉積延遲時(shí)間,s

A、B、a ——待定系數(shù)

δ——紊流系數(shù)

pe、pwf——分別為地層壓力和井底壓力,MPa

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