含硫氣藏硫沉積機理及其對氣井產能的影響

羅啟源 李曉平 耿天鵬 宋代詩雨

(1.西南石油大學研究生部;2.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室;3.大慶油田有限責任公司第四采油廠)

含硫氣藏硫沉積機理及其對氣井產能的影響

羅啟源1李曉平2耿天鵬3宋代詩雨1

(1.西南石油大學研究生部;2.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室;3.大慶油田有限責任公司第四采油廠)

在高含硫氣藏開發過程中,易出現元素硫沉積,堵塞孔喉道,降低地層滲透率,導致氣藏減產。因此,研究含硫氣藏元素硫沉積機理及其對氣井產能的影響具有一定意義,能為開發高含硫氣藏提供理論指導。本文在前人研究的基礎上,分析了含硫氣藏中的元素硫沉積機理,根據物質平衡原理和非線性沉積理論得到了在地層流體非達西流動狀態下的元素硫沉積模型,并推導出含硫氣藏的產能公式。

含硫氣藏 硫沉積 氣井產能影響研究

1 前言

隨著含硫氣藏的不斷開發,氣藏中元素硫的沉積一直是人們關心的問題。氣藏開發過程中的溫度和壓力的下降很可能會導致元素硫沉積,元素硫沉積后附著在孔喉表面,堵塞孔道,導致地層的孔隙度和滲透率降低,直接降低氣井的產能。嚴重時可能會堵塞孔喉,導致部分孔喉屏蔽,形成封隔氣,以致降低氣藏采收率[1]。國內外有許多學者[2-5]對含硫氣藏進行過研究,杜志敏等[6]通過引入空氣動力學理論,建立了描述硫微粒氣固運移、沉積數學模型。楊學鋒等[7]考慮了高含硫氣體在近井地帶作高速非達西流動,建立了硫的沉積模型。本文在前人研究的基礎上,分析了含硫氣藏元素硫的沉積機理以及硫沉積對氣井產能的影響。

2 含硫氣藏硫元素沉積機理

硫元素在地層中的沉積是一個復雜的過程,其中包含硫在氣體中的溶解,硫微粒在地層中的運移以及硫在地層孔隙中的析出。當氣體流動的速度不足以帶出析出的硫微粒時硫則沉積在地層中。

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,普遍認為硫在地層中的溶解方式有兩種,即物理溶解和化學溶解[8]。物理溶解學說認為,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、開發時,隨井筒附近壓力的下降,硫在酸氣中的溶解度迅速下降,這樣就會在井筒附近的地層中析出、沉積單質硫。化學溶解學說認為,在地層條件下,元素硫和硫化氫結合生成多硫化氫,并存在如下反應式:

此反應是一可逆化學反應,適用于高溫高壓地層。從左到右該反應是吸熱反應,在溫度或壓力升高時,平衡將向多硫化氫方向移動,使得單質硫在地層中的含量減少,天然氣中硫的含量增加。反之,當地層溫度或壓力降低時,反應向有利于多硫化氫分解生成H2S和元素硫的方向進行,可能會發生元素硫沉積。

2.1.2 硫微粒在地層中的運移

杜志敏等[6]認為,孔隙中微粒在析出時有一個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,則微粒運移,否則沉積。氣固混合流體在最初的高速下作均勻流動,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。隨著速度進一步減小,微粒開始沉降,在孔道中開始形成波紋狀的砂丘。當氣流速度不斷減小,砂丘占據孔道的橫截面積越來越大,直至最后將孔道堵塞。

2.1.3 元素硫在地層中的析出

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

由圖1分析可知,當顆粒垂直方向的合力為零時,即

則硫顆粒在該方向上保持平衡,而不發生沉降。

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到飽和,則很可能發生硫沉積。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服從達西滲流,本文通過運用物質平衡原理和非線性沉積理論推導出非達西流動的硫沉積模型。假設流動為穩定流動,平面徑向流,地層均質,溫度恒定。根據 Forchheirmer的研究成果,對平面徑向流有

設r處在t時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系為

由孔隙度定義可得孔隙度變化率Δφ的微分關系式為

(2)式代入 (3)式得

根據Civan.F[11]對地層非平衡沉積過程中沉積物體積與孔隙度的關系研究結果,可得孔隙度與地層含硫飽和度的關系方程:

上式兩端對時間t求導,得

根據Roberts的研究結果,地層發生硫沉積時地層相對滲透率與含硫飽和度的關系為

把 (8)式代入 (5)式,得

令

(10)式兩端分別對 t求導,得

分別把 (10)式和 (11)式代入 (7)式,整理得

令

將上式合并同類項并分離變量積分得

上式即為飽和氣流在非達西滲流條件下的硫沉積模型的精確解。該關系式描述了含硫飽和度與生產時間、產量、井半徑等參數的關系。

3 硫沉積對氣井產能的影響

根據Robert提出的孔隙堵塞對儲層滲透率造成的傷害模型:

將式 (13)代入 (14)式得

對于紊流,有

(16)式代入 (15)式,整理方程并分離變量積分得

由上式可知,含硫氣井產量與含硫飽和度之間為非常規函數關系,其產量的影響因素包括生產時間、硫沉積延遲時間、井半徑等參數。在實際生產中可通過數值求解的方法得數值解。

4 結論及建議

(1)在前人研究的基礎上,分析了含硫氣藏中的元素硫沉積機理;根據物質平衡原理和非線性沉積理論得到在地層流體非達西流動狀態下的元素硫沉積模型。

(2)推導出含硫氣藏的產能關系式,關系式表明含硫飽和度與含硫氣井產能為非常規函數關系,只能通過數值解法求解。

(3)含硫氣井的產能公式表明,影響氣井產能的因素包括生產時間、硫沉積延遲時間、井半徑、地層壓力分布等,實際生產中要合理控制產氣速度,預防硫的大量沉積。

符號說明

μ、μg——氣體黏度,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——相對滲透率

Bg——氣體體積系數

C——元素硫的溶解度,g/m3

h——儲集層厚度,m

p——地層壓力,MPa

qg——天然氣產量,104m3/d

r——儲集層中任一點到氣井中心的徑向距離,m SS——含硫飽和度

t——生產時間,d

T——儲集層溫度,K

VS、V0——分別為元素硫析出的體積量和孔隙體積,m3

v——氣體在井底下的流速,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,m-1

τ——沉積延遲時間,s

A、B、a ——待定系數

δ——紊流系數

pe、pwf——分別為地層壓力和井底壓力,MPa

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.12.016

2010-04-14)