高含硫氣藏固態(tài)硫顆粒微觀運移沉積機理

莫超平 ，張廣東 ，張志偉 ，王寧 ，楊森 ，張明迪 ，何友才

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610095；3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司西南物探分公司裝備制造與服務(wù)中心，四川 成都 610213）

0 引言

高含硫氣藏在開發(fā)過程中，隨著地層壓力的降低，硫在氣藏中析出沉積，對地層造成傷害［1-2］。若地層溫度低于硫熔點，硫在地層中的沉積呈現(xiàn)固態(tài)硫特征。目前，國內(nèi)外學(xué)者對高含硫氣藏固態(tài)硫沉積的研究多局限在沉積條件、飽和硫溶解度測試及預(yù)測、固態(tài)硫沉積對儲層傷害等方面［3］。氣體中硫顆粒直徑為3～ 16 μm的結(jié)晶體在孔喉壁面析出，對儲層滲透率有主要影響，但是硫顆粒在不同孔隙中的分布及規(guī)律并不明確［4-7］。目前對高含硫氣藏相態(tài)特征［8-10］、宏觀滲流機理［11-13］已形成相對成熟的研究方法，而對高含硫氣藏固態(tài)硫顆粒微觀運移沉積機理的研究尚未見報道。本文通過ICEM軟件構(gòu)建孔喉簡化模型［14］，運用Fluent的離散相DPM模型，模擬分析固態(tài)硫顆粒在孔喉中的微觀運移沉積機理，研究影響固態(tài)硫顆粒沉積的主要因素，為高含硫氣藏硫沉積機理研究及防治提供依據(jù)。

1 孔喉簡化模型構(gòu)建

本文參照Wang等［15］利用納米尺度描述原油流動的流體動力學(xué)模型，通過ICEM軟件構(gòu)建孔喉簡化模型（見圖1），研究固態(tài)硫顆粒的沉積機理。研究中考慮氣體的滑脫效應(yīng)，認為氣體在孔喉壁面的速度不為0［16］。為了保證接近孔喉壁面流動顆粒的運動軌跡，對孔喉壁面的網(wǎng)格進行了加密，其中孔隙直徑為10 μm，喉道直徑為 5 μm。

圖1 孔喉簡化模型示意

2 硫顆粒模型

2.1 模型構(gòu)建

高含硫氣體在生產(chǎn)過程中，當壓力低于硫析出點后，就會析出固態(tài)硫，形成氣-固態(tài)硫兩相流動。當固態(tài)硫進入儲層中某一孔隙時，由于硫顆粒的運移受到孔喉形狀、顆粒間碰撞、壓差、硫顆粒大小和重力等因素的影響，硫顆粒的運動軌跡往往不是直線，而是以不規(guī)則的螺旋線形式運移，之后在一系列復(fù)雜運移條件下，被壁面捕獲發(fā)生沉積。固態(tài)硫顆粒沉積主要是重力沉積、壁面吸附、碰撞沉積等多種因素共同作用的結(jié)果。

本文假設(shè)氣藏開發(fā)過程中的某一時刻，固態(tài)硫已在氣體中析出，形成穩(wěn)定的氣-固態(tài)硫兩相流動。由于模擬孔喉直徑較小，本研究忽略微小壓力降造成氣體中固態(tài)硫進一步沉積的影響。在模擬過程中，假設(shè)氣體為連續(xù)相，硫顆粒作為固態(tài)以離散相形式存在，顆粒形狀不明顯，可看作球形［17］，運用歐拉-拉格朗日方程進行氣-固態(tài)硫兩相流動模擬。

2.2 模擬條件設(shè)置

將孔喉簡化模型壁面的邊界條件設(shè)置為捕捉，進出口的邊界條件設(shè)置為逃逸，進出口的逃逸用以保證硫顆粒可以隨著氣體進出孔喉模型。氣體運移時以多組分形式存在，其物理性質(zhì)受氣體種類和組分影響，因此設(shè)置模型為多相流，并設(shè)置出口氣體的摩爾分數(shù)。選用某氣藏實際的氣體組分作為模擬氣體組分（見表1）。

表1 模擬氣體組分

本文模擬計算基于標準κ-ε模型和SIMPLE求解，求解精度為一階迎風格式，模型采用混合網(wǎng)格進行初始化。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 硫顆粒直徑對硫沉積的影響

本文模擬直徑分別為 0.1，0.2，0.5，1.0，2.0 μm 的硫顆粒在孔喉模型中的運移過程，分析了不同壓差下硫顆粒直徑對硫沉積的影響（見圖2。其中，硫沉積率是指孔喉結(jié)構(gòu)壁面附著的硫顆粒數(shù)占入口端釋放的硫顆粒數(shù)的百分比）。

圖2 不同壓差下硫顆粒直徑對硫沉積的影響

由圖2可知：在相同壓差下，隨著硫顆粒直徑增大，硫沉積率也增大；當硫顆粒直徑小于0.2 μm時，壓差變化對硫沉積率的影響較小；當硫顆粒直徑大于0.2 μm時，壓差變化對硫沉積率的影響越來越大；當硫顆粒直徑一定，隨著壓差增大，硫沉積率逐漸減小。說明在硫沉積早期，硫顆粒直徑較小時更易被攜帶出孔喉。

3.2 孔喉直徑對硫沉積的影響

為了模擬孔喉直徑對硫沉積的影響，利用構(gòu)建的孔喉簡化模型，在保證硫顆粒質(zhì)量流量（2×10-11kg/s）和壓差（4 Pa）恒定的條件下，改變孔喉簡化模型的尺寸。本文模擬了固態(tài)硫顆粒直徑分別為0.5，1.0，2.0 μm時的硫沉積情況，分析了不同孔喉直徑對硫沉積的影響（見圖3）。

圖3 不同孔喉直徑對硫沉積的影響

由圖3可以看出：當硫顆粒直徑一定時，孔喉直徑對硫沉積的影響十分明顯，隨著孔喉直徑增大，硫沉積率逐漸減小；當模型放大8倍（孔隙直徑80 μm，喉道直徑40 μm）以上，硫沉積率趨于平穩(wěn)。這說明當孔喉直徑一定時，固態(tài)硫顆粒可以被攜帶出孔喉。固態(tài)硫顆粒直徑越大，硫沉積率越大，越難被氣體攜帶出孔喉。由此可見，在高含硫氣藏開發(fā)過程中，大孔喉的硫沉積率較小，而對于小孔喉，尤其是微米級孔喉，硫沉積率較大。

3.3 硫顆粒質(zhì)量流量對硫沉積的影響

針對高含硫氣藏的含硫量不同，設(shè)計了硫顆粒質(zhì)量流量分別為 2×10-11，4×10-11，6×10-11，8×10-11kg/s 的 4組模擬實驗。當壓差為4 Pa時，對硫沉積率進行分析（見圖 4）。

圖4 不同硫顆粒直徑和質(zhì)量流量下的硫沉積率變化

由圖4可以看出：硫顆粒質(zhì)量流量對硫沉積的影響較小，當硫顆粒直徑小于0.2 μm時，硫顆粒質(zhì)量流量的變化對硫沉積的影響并不明顯；當硫顆粒直徑大于0.5 μm時，隨著硫顆粒質(zhì)量流量增大，硫沉積率稍有增大。

3.4 壓差對硫沉積的影響

通過模擬實驗，得到不同壓差下的硫沉積率變化曲線（見圖5）。由圖可知：硫沉積率和壓差呈負相關(guān)，隨著壓差增大，硫沉積率變化幅度減小；硫顆粒直徑不同，硫沉積率穩(wěn)定時需要的壓差也不同，當硫顆粒直徑為0.1 μm、壓差達20 Pa時，硫沉積率基本趨于穩(wěn)定；當硫顆粒直徑為0.5 μm、壓差達40 Pa時，硫沉積率趨于穩(wěn)定，此時硫沉積率為4.42%。由此可見，硫顆粒直徑越大，硫沉積率穩(wěn)定時需要的壓差也越大。

圖5 不同硫顆粒直徑和壓差下的硫沉積率變化

平衡壓差（硫沉積率穩(wěn)定時需要的壓差）與硫顆粒直徑的關(guān)系見圖6。由圖可知，平衡壓差與硫顆粒直徑呈對數(shù)形式增長。

圖6 平衡壓差與硫顆粒直徑的關(guān)系

3.5 硫顆粒在孔喉簡化模型中的流線分布

為了模擬氣體中固態(tài)硫顆粒析出后在孔喉中的運移沉積機理，通過Fluent動畫捕捉模塊，記錄不同時間下硫顆粒的運動狀態(tài)，得到迭代過程中硫顆粒在孔喉簡化模型中的流線分布（見圖7）。根據(jù)流線分布，將硫顆粒隨氣體在孔喉中運移的過程分為3個階段。

圖7 硫顆粒在孔喉簡化模型中的流線分布

1）進入孔喉階段。混合氣體中攜帶著硫顆粒，在壓差作用下開始進入喉道，通過喉道和孔隙的交界處后，氣體開始充溢整個孔喉，氣體速度由快變慢，向喉道內(nèi)未被填充區(qū)域擴散。

2）通過孔喉階段。氣體繼續(xù)運移，通過連接的喉道離開孔隙，實現(xiàn)了從喉道到孔隙，再從孔隙到喉道的運移過程，慢慢接觸孔喉壁面，硫顆粒運移速度在靠近孔喉壁面處逐漸減小。

3）顆粒沉積階段。由于氣體速度降低，硫顆粒的速度也隨之下降，在重力、壓力梯度等因素的共同作用下，氣體運動軌跡逐漸趨于穩(wěn)定，氣體速度下降到一個相對低值，其中攜帶的硫顆粒開始逐漸向孔喉壁面聚集，然后發(fā)生沉積。

4 結(jié)論

1）在高含硫氣藏開發(fā)過程中，氣體運移的主要通道為直徑較大的孔喉，而硫沉積容易發(fā)生在直徑較小的孔喉中。當硫顆粒直徑小于0.2 μm時，硫顆粒質(zhì)量流量對硫沉積的影響不明顯。

2）硫沉積率隨著壓差增大而下降，當壓差達到一定值時，硫沉積率趨于穩(wěn)定，平衡壓差隨硫顆粒直徑的增大而增大。以直徑0.5 μm的固態(tài)硫顆粒為例，當孔隙直徑10 μm，喉道直徑5 μm時，平衡壓差達40 Pa，硫沉積率為4.42%。

3）根據(jù)硫顆粒在孔喉中運動的流線分布，將硫顆粒隨著氣體在孔喉中運移的過程分為進入孔喉、通過孔喉和顆粒沉積3個階段。