含硫气藏硫沉积机理及其对气井产能的影响

罗启源 李晓平 耿天鹏 宋代诗雨

(1.西南石油大学研究生部;2.西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室;3.大庆油田有限责任公司第四采油厂)

含硫气藏硫沉积机理及其对气井产能的影响

罗启源1李晓平2耿天鹏3宋代诗雨1

(1.西南石油大学研究生部;2.西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室;3.大庆油田有限责任公司第四采油厂)

在高含硫气藏开发过程中,易出现元素硫沉积,堵塞孔喉道,降低地层渗透率,导致气藏减产。因此,研究含硫气藏元素硫沉积机理及其对气井产能的影响具有一定意义,能为开发高含硫气藏提供理论指导。本文在前人研究的基础上,分析了含硫气藏中的元素硫沉积机理,根据物质平衡原理和非线性沉积理论得到了在地层流体非达西流动状态下的元素硫沉积模型,并推导出含硫气藏的产能公式。

含硫气藏 硫沉积 气井产能影响研究

1 前言

随着含硫气藏的不断开发,气藏中元素硫的沉积一直是人们关心的问题。气藏开发过程中的温度和压力的下降很可能会导致元素硫沉积,元素硫沉积后附着在孔喉表面,堵塞孔道,导致地层的孔隙度和渗透率降低,直接降低气井的产能。严重时可能会堵塞孔喉,导致部分孔喉屏蔽,形成封隔气,以致降低气藏采收率[1]。国内外有许多学者[2-5]对含硫气藏进行过研究,杜志敏等[6]通过引入空气动力学理论,建立了描述硫微粒气固运移、沉积数学模型。杨学锋等[7]考虑了高含硫气体在近井地带作高速非达西流动,建立了硫的沉积模型。本文在前人研究的基础上,分析了含硫气藏元素硫的沉积机理以及硫沉积对气井产能的影响。

2 含硫气藏硫元素沉积机理

硫元素在地层中的沉积是一个复杂的过程,其中包含硫在气体中的溶解,硫微粒在地层中的运移以及硫在地层孔隙中的析出。当气体流动的速度不足以带出析出的硫微粒时硫则沉积在地层中。

2.1 元素硫在地层中的溶解与析出

2.1.1 元素硫在地层中的溶解

截至目前,普遍认为硫在地层中的溶解方式有两种,即物理溶解和化学溶解[8]。物理溶解学说认为,在气藏条件下,元素硫以物理方式溶解在酸气中,硫的溶解度比较大,在生产、开发时,随井筒附近压力的下降,硫在酸气中的溶解度迅速下降,这样就会在井筒附近的地层中析出、沉积单质硫。化学溶解学说认为,在地层条件下,元素硫和硫化氢结合生成多硫化氢,并存在如下反应式:

此反应是一可逆化学反应,适用于高温高压地层。从左到右该反应是吸热反应,在温度或压力升高时,平衡将向多硫化氢方向移动,使得单质硫在地层中的含量减少,天然气中硫的含量增加。反之,当地层温度或压力降低时,反应向有利于多硫化氢分解生成H2S和元素硫的方向进行,可能会发生元素硫沉积。

2.1.2 硫微粒在地层中的运移

杜志敏等[6]认为,孔隙中微粒在析出时有一个与气流相同的初速度,若该初速度大于沉降方向的沉降末速,则微粒运移,否则沉积。气固混合流体在最初的高速下作均匀流动,这种高速足以维持微粒沿孔道截面均匀分布。随着气流速度逐渐减小,微粒重力影响变得显著,微粒分布也变得不均匀。随着速度进一步减小,微粒开始沉降,在孔道中开始形成波纹状的砂丘。当气流速度不断减小,砂丘占据孔道的横截面积越来越大,直至最后将孔道堵塞。

2.1.3 元素硫在地层中的析出

当化学分解出的硫量达到一定值且流体水动力不足以携带固态颗粒的硫时,元素硫就可直接在地层孔隙中沉积并聚集起来。硫颗粒在气流中主要受运动阻力 (Fd)、压力梯度力 (Fp)、视质量力(Fm)、巴西特力 (FB)、马格努斯力 (FML)、萨夫曼升力(FSL)六种力的作用而发生团聚[9],从而析出。其受力分析如图1所示。

由图1分析可知,当颗粒垂直方向的合力为零时,即

则硫颗粒在该方向上保持平衡,而不发生沉降。

图1 硫颗粒受力分析示意图

2.2 元素硫在地层中的沉积模型

若气流中的硫含量达到饱和,则很可能发生硫沉积。硫的沉积受温度、压力、地层、气体组分及气体流速等因素的影响[10],硫在地层中的沉积包括聚集、沉降、吸附等。在靠近井筒附近气体的流动服从达西渗流,本文通过运用物质平衡原理和非线性沉积理论推导出非达西流动的硫沉积模型。假设流动为稳定流动,平面径向流,地层均质,温度恒定。根据 Forchheirmer的研究成果,对平面径向流有

设r处在t时刻因压降而析出的硫体积量为VS,则其与单位压差变化条件下硫溶解度的变化关系为

由孔隙度定义可得孔隙度变化率Δφ的微分关系式为

(2)式代入 (3)式得

根据Civan.F[11]对地层非平衡沉积过程中沉积物体积与孔隙度的关系研究结果,可得孔隙度与地层含硫饱和度的关系方程:

上式两端对时间t求导,得

根据Roberts的研究结果,地层发生硫沉积时地层相对渗透率与含硫饱和度的关系为

把 (8)式代入 (5)式,得

令

(10)式两端分别对 t求导,得

分别把 (10)式和 (11)式代入 (7)式,整理得

令

将上式合并同类项并分离变量积分得

上式即为饱和气流在非达西渗流条件下的硫沉积模型的精确解。该关系式描述了含硫饱和度与生产时间、产量、井半径等参数的关系。

3 硫沉积对气井产能的影响

根据Robert提出的孔隙堵塞对储层渗透率造成的伤害模型:

将式 (13)代入 (14)式得

对于紊流,有

(16)式代入 (15)式,整理方程并分离变量积分得

由上式可知,含硫气井产量与含硫饱和度之间为非常规函数关系,其产量的影响因素包括生产时间、硫沉积延迟时间、井半径等参数。在实际生产中可通过数值求解的方法得数值解。

4 结论及建议

(1)在前人研究的基础上,分析了含硫气藏中的元素硫沉积机理;根据物质平衡原理和非线性沉积理论得到在地层流体非达西流动状态下的元素硫沉积模型。

(2)推导出含硫气藏的产能关系式,关系式表明含硫饱和度与含硫气井产能为非常规函数关系,只能通过数值解法求解。

(3)含硫气井的产能公式表明,影响气井产能的因素包括生产时间、硫沉积延迟时间、井半径、地层压力分布等,实际生产中要合理控制产气速度,预防硫的大量沉积。

符号说明

μ、μg——气体黏度,mPa·s

k、k0、kg——分别为地层渗透率、地层原始渗透率、气体有效渗透率,μm2

kr——相对渗透率

Bg——气体体积系数

C——元素硫的溶解度,g/m3

h——储集层厚度,m

p——地层压力,MPa

qg——天然气产量,104m3/d

r——储集层中任一点到气井中心的径向距离,m SS——含硫饱和度

t——生产时间,d

T——储集层温度,K

VS、V0——分别为元素硫析出的体积量和孔隙体积,m3

v——气体在井底下的流速,m/s

ρg——地层条件下天然气的密度,kg/m3

φ0、φ、Δφ ——分别为原始地层孔隙度、地层孔隙度和孔隙度的变化

β——速度系数,m-1

τ——沉积延迟时间,s

A、B、a ——待定系数

δ——紊流系数

pe、pwf——分别为地层压力和井底压力,MPa

[1]Roberts B E.The effect of sulfur deposition on gas well in flow performance:SPE 36707[R].

[2]王琛.硫的沉积对气井产能的影响[J].石油勘探与开发,1999(10):56-58.

[3]杨满平,等.高含硫气田元素硫沉积模型及应用研究[J].西南石油大学学报,2004,26:55-59.

[4]Shedid A Shedid,Abdulrazag Y Zekri.Formation damage due to sulfur deposition in porous media:SPE 73721[R].

[5]Ali M A,Islam M R.The effect of asphalting precipitation on carbonate rock permeability:an experimental and numerical approach:SPE 38856[R],1997.

[6]杜志敏,等.高含硫气藏中的硫微粒运移和沉积[J].西安石油大学学报(自然科学版),2008,23(1):69-72.

[7]杨学锋等.高速非达西流动时元素硫沉积模型研究[J].天然气地球科学,2007,18(5):764-766.

[8]杨继盛.采气工艺基础[M].北京:石油工业出版社,1992.

[9]曾平.高含硫气藏元素硫沉积预测及应用研究[D].硕士学位论文,2004.

[10]翟广福,等.气藏中硫的沉积机理及其对生产的影响[J].新疆石油地质,2005,26(3):301-303.

[11]Civan F.Modeling well performance under no equilibrium deposition conditions:SPE 67234[R].

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

2010-04-14)