普光高含H2S氣田硫沉積規(guī)律及其對開發(fā)的影響

彭鑫嶺，蔣光跡，彭松，彭雪葳，付德奎，陳建，李濤，徐劍明，肖盈

（1.中國石化中原油田普光分公司，四川 達州 635000；2.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001；3.昆侖數(shù)智科技有限責任公司，北京 100000）

0 引言

普光氣田位于四川省宣漢縣境內(nèi)，屬超深高壓高含硫碳酸鹽巖氣田，累計探明天然氣地質(zhì)儲量4 157×108m3，含氣層段為三疊系飛仙關(guān)組和二疊系長興組。氣田儲層巖石類型比較復雜，其中：飛仙關(guān)組主要為鮞粒云巖、殘余鮞粒云巖、含砂屑泥晶云巖和結(jié)晶云巖等；長興組主要為粉晶灰質(zhì)云巖、砂屑云巖、生屑云巖、海綿礁云巖等［1］。儲集空間以孔隙（溶孔）為主，局部發(fā)育裂縫。天然氣中，CH4摩爾分數(shù)為71.03%～77.91%，平均74.99%；H2S為11.42%～17.05%，平均14.28%；CO2為7.77%～14.25%，平均10.02%，并含有一定量的單質(zhì)硫（簡稱硫，下同）和微量的硫醇、硫醚等重組分。隨著壓力和溫度的持續(xù)下降，天然氣中的硫?qū)来卧诘孛婕斄鞒獭⒉蓺庀到y(tǒng)和儲層中達到過飽和，并從氣相中析出。當天然氣流量和流速下降到不足以攜帶時，硫就會附著沉積在地面集輸設(shè)備和管線、井口、油管（節(jié)流部位）內(nèi)壁和儲層孔喉中，形成硫沉積堵塞，嚴重影響氣井正常生產(chǎn)［2-7］。

截至目前，普光氣田硫沉積堵塞主要發(fā)生在地面集輸流程和井筒中。近1 a多來，隨著地層壓力的持續(xù)下降，逐步發(fā)展為井筒沉積堵塞，表現(xiàn)為從井口向井筒深部發(fā)展。初期在采氣樹節(jié)流閥和近井口100 m井筒內(nèi)出現(xiàn)硫沉積引起的縮徑現(xiàn)象，導致氣井產(chǎn)能快速下降15%～45%。動態(tài)監(jiān)測結(jié)果表明，目前氣井硫沉積引起的縮徑現(xiàn)象已發(fā)生在井深1 300 m左右，套管探測和治理難度不斷加大［8-9］。針對地面集輸流程堵塞及井筒硫堵問題，逐步形成了“地面流程清洗+節(jié)流閥優(yōu)化+空穴射流”、“井筒熱洗+井筒注溶硫劑+連續(xù)油管沖洗”等組合措施控制和治理硫堵塞技術(shù)，基本上保障了氣井的正常生產(chǎn)。隨著地層壓力的進一步下降，普光高含H2S氣田天然氣中的硫質(zhì)量濃度將逐步達到過飽和并析出，在儲層中形成硫沉積，導致氣井產(chǎn)能降低，甚至停噴。為了做好儲層硫沉積堵塞治理工作，需提前開展普光高含H2S氣田硫沉積規(guī)律研究，明確儲層硫沉積對開發(fā)的影響。

基于普光高含H2S氣田天然氣性質(zhì)，本文圍繞天然氣中硫初始質(zhì)量濃度、不同溫度壓力下硫溶解度、相態(tài)特征等開展了實驗研究，進行了硫沉積巖心滲透率傷害室內(nèi)實驗，構(gòu)建了硫沉積滲透率傷害經(jīng)驗預測模型；模擬評價井筒周圍徑向硫沉積分布特征及滲透率傷害情況；綜合建立了多區(qū)復合產(chǎn)能預測模型，評價了硫沉積對氣井產(chǎn)能的影響。本文研究成果可用于指導普光高含H2S氣田硫沉積治理工作。

1 天然氣中硫質(zhì)量濃度及相態(tài)特征

高含H2S天然氣中硫的初始質(zhì)量濃度及在不同溫度壓力下的溶解度、析出量、析出狀態(tài)等參數(shù)，是研究硫沉積規(guī)律的重要內(nèi)容。為此，基于井下PVT取樣，開展測試及分析化驗，獲取上述關(guān)鍵參數(shù)，建立了適用于普光高含硫氣田的硫溶解度預測模型，為系統(tǒng)評價不同壓力和溫度條件下硫析出狀態(tài)及析出量奠定基礎(chǔ)。

普光高含硫氣田流體中硫質(zhì)量濃度較低，常規(guī)測試方法（稱重法、燃燒法）誤差大，成本高，精度低［10-11］。為此，借鑒有機化學定量分析方法，建立了基于高效溶硫劑+氣質(zhì)聯(lián)用儀（即氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀）的硫質(zhì)量濃度測試方法［12］（見圖1）。

圖1 天然氣中硫質(zhì)量濃度測試裝置流程示意

測試步驟為：1）配制高效溶硫劑，利用氣質(zhì)聯(lián)用儀，測試分析得到標準硫溶液（硫質(zhì)量濃度分別為0.05，0.10，0.20 g/m3）的硫色譜峰面積分別為2.235×107，6.168×107，1.580×108mAu·s，建立標準硫溶液的硫色譜峰面積-硫質(zhì)量濃度關(guān)系曲線（見圖2）。2）向樣品中加入過量的溶硫劑，并且充分溶解硫；利用氣質(zhì)聯(lián)用儀測定溶液中硫色譜峰面積，并且計算其對應(yīng)的硫質(zhì)量濃度。3）結(jié)合氣量、消耗的溶硫劑質(zhì)量，計算天然氣中的硫質(zhì)量濃度。

圖2 硫色譜峰面積與硫質(zhì)量濃度的關(guān)系

按上述實驗步驟，測得普光高含硫氣田天然氣中硫初始質(zhì)量濃度為0.39 g/m3（見表1）。

表1 實驗測試數(shù)據(jù)

在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)實驗溫度及壓力，進一步開展了不同壓力（20，25，30，35，40，45，50，55 MPa）以及不同溫度（70，100，118，130℃）條件下天然氣中硫溶解度測試。實驗結(jié)果表明（見圖3）：天然氣中硫溶解度為0.037～3.121 g/m3。當測試溫度保持一定時，硫溶解度隨壓力增加而增大；當測試壓力保持一定時，硫溶解度隨溫度增加而增大。

圖3 不同測試溫度下硫溶解度與測試壓力的關(guān)系

根據(jù)實驗結(jié)果，基于Chrastil三參數(shù)公式［13-16］，考慮溫度對經(jīng)驗常數(shù)的影響，建立了普光高含硫氣田硫溶解度計算模型：

其中 k=-0.015 8T+6.275 2

式中：cr為硫在天然氣中的溶解度，g/L；ρg為氣體密度，g/cm3；T為溫度，℃。

利用式（1）計算在普光高含H2S氣田地層溫度條件下不同壓力下的硫溶解度。與實驗結(jié)果對比，平均相對誤差僅為4.89%，可滿足工程計算要求（見圖4）。

圖4 硫質(zhì)量濃度的模型計算值與實驗測試值對比

本研究測定硫質(zhì)量濃度后，實驗分析確定了天然氣硫飽和狀態(tài)及臨界析出條件。實驗裝置由溫控系統(tǒng)、高溫高壓釜、觀測系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等構(gòu)成（見圖5）。利用該裝置觀測到天然氣中硫沉積形態(tài)和沉積過程，測定了硫熔點。根據(jù)硫析出曲線、熔點曲線，結(jié)合硫在天然氣中的質(zhì)量濃度測試結(jié)果，繪制了P104-a井在地層條件下飽和硫的氣樣PVT相圖（見圖6）。

圖5 硫熔點測試流程示意

圖6 P104-a井氣樣PVT相圖

由圖6可以看出，在開發(fā)過程中，普光高含H2S氣田天然氣將由氣相（含硫天然氣）向氣-液（即天然氣和液態(tài)硫）兩相發(fā)展。目前，普光高含H2S氣田平均地層壓力為24 MPa，地層中流體處于氣相狀態(tài)；當?shù)貙訅毫抵?1 MPa時，硫開始以液態(tài)形式在儲層中析出，將出現(xiàn)氣-液兩相。預計1.5 a后，普光高含H2S氣田儲層中即將發(fā)生硫析出現(xiàn)象，形成氣-液兩相。根據(jù)不同壓力下硫熔點測試結(jié)果，結(jié)合普光高含H2S氣田溫度與深度的關(guān)系可知，當儲層溫度高于120℃時，儲層中析出的硫為液態(tài)。

2 硫沉積儲層傷害室內(nèi)實驗

隨著開發(fā)的持續(xù)推進，當?shù)貙訅毫档椭僚R界壓力時，儲層天然氣中的硫就會達到過飽和，并析出、沉積，這對儲層的孔隙度、滲透率造成一定傷害［17-19］。本研究借助微觀滲流可視化裝置、高溫高壓三軸超聲波飽和度分析裝置等實驗設(shè)備，研究了普光高含H2S氣田儲層中硫沉積分布特征，評價了硫沉積傷害規(guī)律。

2.1 儲層硫沉積微觀特征

本研究利用微觀滲流可視化裝置，開展儲層中硫沉積微觀分布實驗，揭示氣-液態(tài)硫、氣-固態(tài)硫在巖心多孔介質(zhì)中的微觀運移、沉積形態(tài)及分布特征。

實驗步驟為：在配樣器中加入一定量的硫，將普光高含硫天然氣樣品加入配樣器中；升溫至70℃或130℃，加壓至55 MPa，并讓氣樣中硫質(zhì)量濃度達到過飽和狀態(tài)；在同一溫度、壓力下，將氣樣轉(zhuǎn)入到中間容器中，驅(qū)入微觀滲流可視化裝置中，在顯微鏡下觀察硫在巖心中的析出、沉積形態(tài)及分布情況。微觀滲流可視化裝置主要由高溫交變箱、高溫高壓反應(yīng)釜、壓力控制系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)、微觀運移物理模型、排放吸收系統(tǒng)等部分組成（見圖7）。

圖7 硫在巖心中的沉積形態(tài)及分布實驗測試流程示意

2.1.1 氣-固態(tài)硫在巖心中的沉積形態(tài)及分布

實驗溫度為70℃，實驗壓力初始為55 MPa，逐步降至10 MPa。實驗結(jié)果見圖8。

圖8 氣-固態(tài)硫在巖心中的沉積形態(tài)實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明：當硫質(zhì)量濃度處于飽和狀態(tài)的高含H2S氣樣緩慢通過微觀模型時，析出的固態(tài)硫優(yōu)先在小孔隙和喉道處沉積，而小裂縫通道是次優(yōu)先沉積區(qū)域，主要沉積在滲流通道壁面上。隨著壓力下降，滲流通道上沉積的硫逐漸增多，最終在狹窄孔道處形成堵塞，導致其滲流能力下降。

2.1.2 氣-液態(tài)硫在巖心中的沉積形態(tài)及分布實驗

實驗溫度為130℃，實驗初始壓力為55 MPa，逐步降至10 MPa。實驗結(jié)果見圖9。

圖9 氣-液態(tài)硫在巖心中的沉積形態(tài)實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明：當硫質(zhì)量濃度處于飽和狀態(tài)的高含H2S氣樣緩慢通過微觀模型時，析出的液態(tài)硫首先在不平整凸起處沉積，主要以不規(guī)則流動形態(tài)沉積于孔隙壁面；隨著壓力下降，沉積的液態(tài)硫不斷聚集，聚積到一定程度后，部分液態(tài)硫開始流動，孔喉及孔隙始終有部分液態(tài)硫滯留，但并未堵塞滲流通道。這說明，硫沉積主要發(fā)生在巖心的裂縫、大孔隙中。在裂縫和基質(zhì)孔隙共存區(qū)域，硫沉積主要發(fā)生在氣體易流動區(qū)域，先沉積在裂縫中，總體呈非均勻分布特征。儲層非均質(zhì)性對硫沉積具有較大影響。固態(tài)硫沉積時，硫逐漸聚積，最終在狹窄孔道處形成部分—完全堵塞；而液態(tài)硫沉積到一定程度時，在氣流作用下部分液態(tài)硫可以流動，不會完全堵塞滲流通道。

2.2 儲層硫沉積滲透率傷害實驗

采用現(xiàn)場巖心，利用高溫高壓超聲波硫沉積滲流實驗裝置（見圖10），測試不同含硫飽和度條件下，硫析出及沉積對滲透率的影響，定量分析硫沉積對儲層滲透率的傷害程度及規(guī)律。

圖10 高溫高壓超聲波硫沉積滲流實驗裝置

依據(jù)國家標準GB/T 29172—2012《巖心分析方法》測定巖心滲透率，巖心含硫飽和度采用超聲波裝置測得。儲層硫沉積滲透率傷害實驗步驟為：1）烘干巖心，測試長度、直徑、干重、孔隙度、滲透率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2）將巖心放入夾持器，加溫至130℃，測定氣相滲透率；3）驅(qū)替氣樣和液態(tài)硫，使得巖心中流體具有不同的含硫飽和度，利用超聲波測試含硫飽和度，以及130℃下不同含硫飽和度對應(yīng)的超聲波縱波速度；4）測定不同含硫飽和度下的氣相滲透率。

實驗測試結(jié)果表明，巖心的質(zhì)量分別為58.862 4，61.951 5 g，含硫飽和度分別為0，46.67%，超聲波縱波速度分別為4 376.754，4 745.048 m/s。

采用現(xiàn)場巖心22#和32#（見表2），按照實驗步驟開展實驗研究，測試結(jié)果見圖11。

圖11 巖心滲透率傷害程度與含硫飽和度的關(guān)系

表2 實驗巖心基本參數(shù)

利用實驗測試滲透率與原始滲透率對比結(jié)果以及滲透率降低幅度，定量評價巖心滲透率傷害程度。實驗結(jié)果表明：隨著含硫飽和度的增加，巖心滲透率傷害程度先快速增大再趨緩。以32#巖心為例，當巖心流體中含硫飽和度由0增加到10%，滲透率傷害程度由0快速增加至60%左右；當巖心流體中含硫飽和度進一步增加至20%，滲透率傷害程度由60%增加至78%；當巖心流體中含硫飽和度大于35%后，滲透率傷害程度在95%左右。從不同巖心滲透率傷害程度來看，滲透率越大，硫析出對巖心造成的滲透率傷害程度越輕；滲透率越小，硫析出造成的滲透率傷害程度越嚴重。在不同含硫飽和度條件下，22#巖心滲透率傷害程度低于32#巖心8～12百分點。

3 硫沉積預測模型

影響儲層硫沉積的主要因素，除了硫析出量、相態(tài)變化和儲層物性，還有氣相流速（攜硫能力）、井筒周圍徑向流態(tài)等。為系統(tǒng)評價普光高含硫氣田不同開發(fā)階段硫沉積規(guī)律，本研究在室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)學模型，計算硫顆粒在儲層中被攜帶所需要的臨界流速，預測儲層內(nèi)硫沉積動態(tài)分布特征，認清了硫在井筒周圍儲層徑向沉積規(guī)律。

3.1 儲層中臨界攜硫速度

在氣-固兩相混合物流動過程中，氣相速度一般會大于固相，即固相會存在一個滯后過程。硫微粒在多孔介質(zhì)流動過程中的能量損失包括氣體與多孔介質(zhì)表面的摩擦、硫微粒與孔隙表面的摩擦、硫微粒之間相互碰撞和摩擦、硫微粒與氣體相互碰撞和摩擦等。借鑒前人研究成果，確定儲層中臨界攜硫速度［17］。如果氣相流動速度大于或等于臨界攜硫速度，硫微?？呻S氣流一起流動；反之，硫微粒將沉積在儲層中。

3.2 硫沉積井筒周圍徑向分布特征

采用達西滲流公式，建立硫沉積井筒周圍儲層徑向分布預測模型。模型假設(shè)條件為氣體服從達西滲流規(guī)律，穩(wěn)定徑向流動，儲層水平、等厚且均質(zhì)，孔隙不可壓縮，氣井以恒定產(chǎn)量生產(chǎn)，儲層溫度恒定，硫析出后就地沉降，不考慮運移。其表達式為

式中：Ss為含硫飽和度；α為高孔高滲巖心液態(tài)硫沉積系數(shù)，通常由實驗分析獲得，取值-0.035；p為地層壓力，MPa；qg為氣井產(chǎn)量，104m3/d；Bg為氣體體積系數(shù)；μg為氣體黏度，mPa·s；K為儲層滲透率，10-3μm2；h為有效厚度，m；φ為孔隙度；Swi為束縛水飽和度；rw為井眼半徑，m；t為生產(chǎn)時間，d。

利用該模型計算硫沉積在井筒周圍儲層徑向分布（見圖12。圖中紅色箭頭為氣流方向，re為泄氣半徑，r1為硫沉積嚴重區(qū)半徑，r2為硫沉積發(fā)生區(qū)半徑），計算結(jié)果表明：儲層中硫沉積程度隨生產(chǎn)時間（地層壓力低于硫臨界析出壓力）的延長而不斷加劇。氣相中析出的硫主要在井筒徑向4.5 m范圍儲層內(nèi)沉積，在井筒徑向0.5 m范圍儲層內(nèi)沉積最為嚴重。

圖12 硫井筒周圍儲層徑向沉積分布示意

通過開展生產(chǎn)時間、孔隙度、滲透率、儲層厚度等對含硫飽和度的敏感性分析得出（見圖13—16）：儲層物性越差，硫沉積堵塞越嚴重，對儲層滲流能力傷害越大；對于物性差、厚度小的儲層，硫沉積堵塞快而嚴重，這和不同滲透率巖心液態(tài)硫沉積傷害實驗結(jié)果一致。

圖13 生產(chǎn)時間對含硫飽和度的影響

圖14 孔隙度對含硫飽和度的影響

圖15 滲透率對含硫飽和度的影響

圖16 儲層厚度對含硫飽和度的影響

4 硫沉積對氣井產(chǎn)能影響研究

硫沉積必然導致儲層滲流通道變小、滲透率下降，影響氣井產(chǎn)能。本研究基于硫在井筒周圍儲層徑向沉積規(guī)律及滲透率傷害研究成果，建立多區(qū)復合產(chǎn)能預測模型，預測硫沉積對氣井生產(chǎn)的影響，明確產(chǎn)能變化規(guī)律，為高含H2S氣田防硫、控硫、治硫技術(shù)措施的制訂與實施提供科學依據(jù)。

儲層硫沉積傷害室內(nèi)實驗結(jié)果表明，不同滲透率巖心樣品發(fā)生硫沉積以后，巖心滲透率Ks與Ss均呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。巖心滲透率不同，指數(shù)關(guān)系式的系數(shù)b也不同，即系數(shù)與滲透率有關(guān)。Ks的計算公式為

式中：K0為巖心初始滲透率，10-3μm2。

通過實驗數(shù)據(jù)回歸分析發(fā)現(xiàn)，式（3）中b與K0呈現(xiàn)較好的半對數(shù)關(guān)系。將回歸的b-ln K0關(guān)系式（b=0.863 3ln K0-7.385 2）代入式（3）中，則硫沉積滲透率傷害程度經(jīng)驗預測模型為

根據(jù)不同地層壓力下的含硫飽和度預測結(jié)果，可以計算分析硫沉積導致的滲透率下降程度（見圖17）。

圖17 不同壓力下滲透率、含硫飽和度與徑向距離的關(guān)系

氣井泄氣范圍內(nèi)，由遠及近，含硫飽和度先單調(diào)遞增，對滲透率的傷害程度也逐漸增大；當含硫飽和度達到最大值時，滲透率的傷害程度也達到最大。距離井筒更近的區(qū)域，受高速流的動力效應(yīng)作用，含硫飽和度呈單調(diào)遞減的規(guī)律，對儲層滲透率的傷害程度逐漸變小。

硫沉積導致的儲層滲透率傷害程度與含硫飽和度相關(guān)，并且儲層傷害最大的區(qū)域處于含硫飽和度峰值附近。因此，可將發(fā)生硫沉積后的單井徑向模型視作由不同滲透率地層組成的多區(qū)復合模型（見圖18。圖中以井軸為中心劃分了n個同心圓環(huán)，r0為初始半徑（即rw），rn為第n個圓半徑（即泄氣半徑re），ri為第i個圓半徑（i=0，1，2，…，n）；不同顏色表示硫沉積程度由內(nèi)向外減輕）。

圖18 硫沉積徑向分布示意

根據(jù)達西滲流原理，在含硫飽和度分布預測基礎(chǔ)上，結(jié)合硫沉積滲透率傷害程度經(jīng)驗?zāi)Ｐ停⒘硕鄥^(qū)復合產(chǎn)能預測模型，評價硫沉積對產(chǎn)能的影響：

式中：psc為標準狀態(tài)下壓力，MPa；T，Tsc分別為地層條件及標準狀態(tài)下溫度，K；Z為偏差系數(shù)；qsc為標準狀態(tài)下氣井產(chǎn)量，104m3/d；β為系數(shù)。

對于第i個圓環(huán)（見圖19），儲層初始滲透率為Kg，硫沉積后，含硫飽和度為Ssi，則地層滲透率Ksi為

圖19 第i個圓環(huán)區(qū)域硫沉積區(qū)域示意

式中：pi+1為第i+1個圓環(huán)區(qū)域地層壓力，MPa；pi-1為第i-1個圓環(huán)區(qū)域地層壓力，MPa；ri+1為第i+1個圓半徑，m；ri-1為第i-1個圓半徑，m。

采用同樣方法，分別求得n個環(huán)形區(qū)域的方程，將方程相加，可得考慮硫沉積影響的氣井產(chǎn)能預測模型：

分析硫沉積對氣井產(chǎn)能的影響，繪制了不同氣井硫沉積對產(chǎn)能影響的IPR曲線。由圖20可知，預測氣井硫沉積后產(chǎn)能下降了36.8%～52.8%。當?shù)貙訅毫Φ陀?1 MPa時，地層中發(fā)生硫沉積，會不同程度降低氣井產(chǎn)能。在開發(fā)后期，隨著地層壓力的持續(xù)下降，硫沉積對氣井產(chǎn)能的傷害程度將趨于更大。

圖20 硫沉積對普光103-b井產(chǎn)能的影響

5 結(jié)論

1）普光高含H2S氣田硫初始質(zhì)量濃度為0.39 g/m3，儲層中主要析出液態(tài)硫。本文建立了適用于普光高含H2S氣田的硫溶解度預測模型，與實驗測試結(jié)果對比平均誤差為4.89%。

2）實驗表明，硫沉積主要發(fā)生在氣體流動主通道裂縫、大孔隙中。隨著含硫飽和度的增加，巖心滲透率傷害程度先快速增大再趨緩。采用數(shù)學回歸方法建立了儲層硫沉積滲透率傷害程度定量預測模型。普光高含H2S氣田硫沉積主要發(fā)生區(qū)域為井筒周圍4.5 m左右范圍，集中分布在井筒周圍0.5 m范圍內(nèi)。這為下一步硫沉積治理指明了方向。

3）應(yīng)用多區(qū)復合產(chǎn)能預測模型預測，普光氣田硫沉積可導致氣井產(chǎn)能降低36.8%～52.8%。隨著地層壓力持續(xù)下降，硫沉積對產(chǎn)能的影響越來越大。