高含硫氣藏液硫沉積對(duì)儲(chǔ)層傷害的實(shí)驗(yàn)研究

王 寧， 張廣東*， 孫大龍， 曾大乾， 顧少華

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500； 2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083)

中國(guó)高含硫氣藏主要分布在四川盆地，但由于氣藏中硫氫的腐蝕性和劇毒性以及硫的沉積現(xiàn)象，導(dǎo)致高含硫氣藏的開發(fā)過程比其他普通氣藏更為困難[1-2]。該類氣藏多為深層碳酸鹽巖，原始地層溫度壓力高，如元壩氣田最大埋深達(dá)到了7 500 m，原始?xì)獠貕毫s70 MPa，氣藏溫度約150 ℃。單質(zhì)硫在儲(chǔ)層中以液態(tài)硫的形式析出，對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。

中外對(duì)高含硫氣藏元素硫含量、元素硫沉積和元素硫溶解度的問題展開大量的研究[3-6]。張廣東[1]提出在埋深較深的高含硫氣藏中，單質(zhì)硫?qū)?huì)以液態(tài)形式析出，研究了含硫飽和度大于束縛硫飽和度時(shí)的兩相滲流特征。張文亮[7]和Shedid[8]建立了硫沉積預(yù)測(cè)模型，前者引入氣相的穩(wěn)定滲流理論，后者分析多孔介質(zhì)中硫微粒的運(yùn)移和沉積規(guī)律。且對(duì)天然氣元素硫沉積對(duì)儲(chǔ)層傷害的研究多集中在固態(tài)硫。劉成川等[9]、郭肖等[10]研究了固硫沉積對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的影響，建立了元素硫沉積的損害模型。李繼強(qiáng)等[11]研究了液態(tài)硫析出的數(shù)值模擬計(jì)算方法。由此可見，關(guān)于液態(tài)硫沉積傷害方面的實(shí)驗(yàn)研究很少，多局限在研究氣-液硫兩相滲流特征，缺少量化的液硫飽和度低于束縛硫飽和度時(shí)的液硫?qū)?chǔ)層的傷害實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但真實(shí)氣藏中，液態(tài)硫的束縛硫飽和度較高，很難在地層中實(shí)現(xiàn)兩相流動(dòng)。因此，研究低含硫飽和度下的儲(chǔ)層傷害具有非常重要的意義。

現(xiàn)以元壩氣田為研究對(duì)象，采用真實(shí)高含硫氣藏的流體，建立研究液態(tài)硫沉積對(duì)儲(chǔ)層的傷害評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法，開展低于束縛硫飽和度時(shí)深層海相碳酸鹽巖高含硫氣藏液硫沉積對(duì)儲(chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)研究，揭示硫沉積微觀分布特征，為同類高含硫氣藏的合理高效開發(fā)提供參考。

1 液硫?qū)?chǔ)層沉積能力實(shí)驗(yàn)

高含硫氣藏剛開始發(fā)生硫沉積時(shí)，部分液硫在界面張力作用下，會(huì)被沉積在多孔介質(zhì)內(nèi)，使得儲(chǔ)層物性發(fā)生變化。在該過程中儲(chǔ)層物性逐漸變差，進(jìn)而引起儲(chǔ)層的滲流性發(fā)生改變。測(cè)試Ⅰ、Ⅱ儲(chǔ)層巖心不同液態(tài)硫飽和度下的氣測(cè)滲透率變化，對(duì)比分析不同類型儲(chǔ)層液硫的沉積量及傷害程度。

1.1 液硫?qū)嶒?yàn)方法及流程

實(shí)驗(yàn)裝置主要由驅(qū)替系統(tǒng)(巖心夾持器)、增壓系統(tǒng)(增壓泵、回壓泵)、儲(chǔ)集系統(tǒng)(氮?dú)馄?、?chǔ)水中間容器、儲(chǔ)硫中間容器)、圍壓控制系統(tǒng)(圍壓泵)、環(huán)境模擬系統(tǒng)(恒溫箱)、氣-液硫分離及收集系統(tǒng)(液硫收集容量瓶)、氣-液硫自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)(高精度天平、流量計(jì)、計(jì)算機(jī))以及控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。

該裝置的主要性能和技術(shù)指標(biāo)如下：最高驅(qū)替壓力為100 MPa，流量為0.000 1～5 000 mL/min，圍壓為100 MPa，工作溫度為室溫～200 ℃。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：①按照實(shí)驗(yàn)流程連接，加壓檢查氣密性；②將恒溫箱內(nèi)部溫度升至實(shí)驗(yàn)溫度(120、140、160 ℃)，將硫粉制備成液態(tài)硫；③回壓閥調(diào)壓至75 MPa，使用自動(dòng)泵將地層水飽和進(jìn)巖心，使用氮?dú)怛?qū)替至沒有水驅(qū)出，建立束縛水；④更換新的收集容量瓶，利用加熱帶將處于恒溫箱外的管線加熱至120 ℃，然后啟動(dòng)驅(qū)替泵將中間容器中的液硫泵入巖心中，使巖心充分飽和液態(tài)硫；⑤將氮?dú)獗萌霂r心夾持器驅(qū)替巖心中飽和的液硫，直至天平示數(shù)沒有變化；⑥記錄驅(qū)出硫的體積，將回壓分別調(diào)到60、45、30、20 MPa，重復(fù)上述步驟。獲取不同地層壓力下的束縛硫飽和度。

實(shí)驗(yàn)巖心的基礎(chǔ)物性如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Experimental flow chart

表1 巖心物性Table 1 Core physical property

1.2 不同溫度下巖心液硫沉積能力實(shí)驗(yàn)

采用上述實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了I、II類巖心的最大沉積硫能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。通過上述實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論。

圖2 不同溫度Ⅰ類、Ⅱ類巖心液態(tài)硫飽和 度隨實(shí)驗(yàn)壓力變化曲線Fig.2 The variation curve of liquid sulfur saturation of class Ⅰ, class II core with experimental pressure at different temperatures

(1)相同地層壓力下，隨實(shí)驗(yàn)溫度(120～160 ℃)增加，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力減弱；相同實(shí)驗(yàn)溫度下，隨地層壓力的降低，巖心承受的有效壓力增加，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力增加，含硫飽和度增加。這是由于在120～160 ℃，液硫的黏度隨著溫度的增加而減少，溫度增加，液硫的流動(dòng)能力增加，氣-液硫黏度比降低，液態(tài)硫飽和度降低。巖心承受的有效應(yīng)力增加，孔隙被壓縮，減少了巖心的連通孔隙，液硫的飽和度也會(huì)增加。

(2)對(duì)比I、II類巖心的最大沉積硫能力可知，相同條件下，巖心物性越差，液態(tài)硫的沉積能力越強(qiáng)，I類巖心120 ℃條件下，地層壓力由75 MPa下降到20 MPa過程中，液態(tài)硫飽和度由39.88%增加到47.10%；II類巖心120 ℃條件下，地層壓力由75 MPa下降到20 MPa過程中，液態(tài)硫飽和度由47.13%增加到52.33%。I類巖心物性較好，平均孔隙半徑大于II類巖心，允許液硫流動(dòng)的能力較強(qiáng)，因此I類巖心的液硫飽和度低于II類巖心。

2 液硫?qū)?chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)

選擇Ⅰ、Ⅱ儲(chǔ)層巖心各一塊，向巖心中飽和4種不同含液硫飽和度，測(cè)試此時(shí)氣體流速的變化，進(jìn)而獲取儲(chǔ)層傷害前后滲透率的變化情況。在此飽和度下改變實(shí)驗(yàn)壓差測(cè)定氣體流量的變化，結(jié)合前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析液硫的傷害程度。

2.1 液硫?qū)?chǔ)層傷害實(shí)驗(yàn)方法及流程

采用上述實(shí)驗(yàn)流程(圖1)，測(cè)試低于束縛硫飽和度時(shí)液硫在儲(chǔ)層巖心的滲透性傷害程度。具體實(shí)驗(yàn)方法如下：①連接試驗(yàn)流程，檢查氣密性；②加溫至實(shí)驗(yàn)溫度(140 ℃)，向巖心飽和地層水，采用氮?dú)夥糯髩翰铗?qū)替至束縛水飽和度；③在最大沉積硫?qū)嶒?yàn)基礎(chǔ)上，采用氮?dú)怛?qū)替至穩(wěn)定后在不同壓差下測(cè)定此時(shí)的氣測(cè)滲透率；④向巖心中注入少量的CS2，采用氮?dú)怛?qū)替干凈后，測(cè)定產(chǎn)出的單質(zhì)硫量，然后換算得到巖心中的單質(zhì)硫飽和度，采用氮?dú)庠诓煌瑝翰钕聹y(cè)定此時(shí)的氣測(cè)滲透率。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)得到不同含硫飽和度下的滲透率傷害情況。實(shí)驗(yàn)所用巖心物性如表2所示。

表2 巖心物性Table 2 Core physical property

圖3 3號(hào)、4號(hào)巖心滲透率隨液態(tài)硫飽和度變化曲線Fig.3 Change curve of core permeability with liquid sulfur saturation of Core 3, Core 4

2.2 液硫沉積巖心滲透率傷害實(shí)驗(yàn)

測(cè)定了I、II類巖心的液硫沉積對(duì)滲透率的傷害程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著液態(tài)硫飽和度增加，巖心的滲透率減小，在相同含硫飽和度下，驅(qū)替壓差越大，巖心滲透率越大，液硫沉積對(duì)巖心的傷害越低。

2.3 液硫沉積對(duì)儲(chǔ)層滲透性傷害預(yù)測(cè)模型

對(duì)3號(hào)和4號(hào)巖心進(jìn)行相同圍壓下液態(tài)硫飽和度對(duì)滲透率傷害進(jìn)行擬合，獲取巖心的傷害率預(yù)測(cè)模型。3號(hào)和4號(hào)巖心滲透率傷害結(jié)果如表3和圖4所示。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合可以看出，滲透率隨著硫沉積飽和度增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)。巖心滲透率越低，硫沉積傷害越明顯。

3號(hào)巖心(I類儲(chǔ)層)無因次滲透率與含硫飽和度的關(guān)系為

表3 3號(hào)和4號(hào)巖心滲透率傷害實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Permeability damage test results of Cores 3 and Core 4

(1)

4號(hào)巖心(II類儲(chǔ)層)無因次滲透率與含硫飽和度的關(guān)系為

(2)

根據(jù)高含硫氣藏?zé)o因次滲透率與含液硫飽和度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可以求得兩類儲(chǔ)層不同含液硫飽和度的滲透率傷害程度，為高含硫氣藏液硫沉積的防治提供基礎(chǔ)。

3 液硫沉積后的微觀分布特征

為揭示硫沉積傷害微觀機(jī)理，利用掃描電鏡觀測(cè)了實(shí)驗(yàn)后3號(hào)和4號(hào)巖心不同孔隙中單質(zhì)硫的分布形態(tài)及特征，結(jié)果如圖5所示。

由上述微觀圖片可以看出，在巖心孔隙中確實(shí)可以觀測(cè)硫沉積的存在，在孔隙中單質(zhì)硫以結(jié)晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。在不同類型的巖心不同孔徑中均有液態(tài)硫發(fā)生沉積，巖心中沉積的單質(zhì)硫粒徑主要分布在3～16 μm，結(jié)晶體形態(tài)為層狀累積，單結(jié)晶體邊界菱角不明顯。

圖4 3號(hào)、4號(hào)巖心無因次滲透率與含硫飽和度的關(guān)系Fig.4 Relationship between dimensionless permeability and sulfur saturation of Core 3 and Core 4

圖5 3號(hào)、4號(hào)巖心掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph of Core 3 and Core 4

4 結(jié)論

(1)建立了低于最大束縛硫含液硫飽和度實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，測(cè)試I、II類巖心在不同溫度、壓力下的最大沉積硫能力。結(jié)果表明：相同地層壓力下，隨實(shí)驗(yàn)溫度(120～160 ℃)增加，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力減弱；相同實(shí)驗(yàn)溫度下，隨地層壓力的降低，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力增加，含硫飽和度增加；相同條件下，巖心物性越差，液態(tài)硫的沉積能力越強(qiáng)。

(2)測(cè)定I、II類巖心在同一溫度、不同地層壓力下的含硫飽和度傷害程度，含硫飽和度增加，滲透率下降加快，總體來講，物性較好巖心傷害程度小于物性較差巖心。

(3)實(shí)驗(yàn)后巖心硫沉積微觀實(shí)驗(yàn)表明，在巖心不同孔隙中均發(fā)生硫沉積，單質(zhì)硫的粒徑主要分布在3～16 μm，結(jié)晶體形態(tài)為層狀累積，單結(jié)晶體邊界菱角不明顯。