含硫气藏硫沉积机理及试井解释方法研究(编辑修改稿)

含硫气藏硫沉积机理及试井解释方法研究(编辑修改稿)内容摘要：

，因此，模型存在与现实不符合的地方。 Shedid 等人用岩心实验验证 ： 在含硫天然气和含硫原油中硫沉积对地层渗透率的伤害情况，并推导出了两者之间的关系式 [8]。 但缺乏必需的理论依据。 Kuo 给出了一个 H2S 与天然气混合的一维径向流动模型，通过这个模型可以看出井筒半径、井距、产气速度对硫沉积的影响。 该模型假定 [53]：（ 1）外边界以及顶底都是封闭的；（ 2）均质地层；（ 3） 气体 流动符合达 西 定律。 通过该模型可以对硫沉积机理进行定性的认识。 Roberts 利用常规黑油模型模拟含硫气藏及其硫沉积问题。 通过设置油相相对渗透率为 0，来表示硫沉积。 同时用一维以及二维的径向单井模型来考察纵向非均质性、流体流速和表皮因子三种因素对硫沉积的影响大小。 因此，该模型局只能进行单井的模拟，气藏中组分变化也不能处理。 研究的 目标、技术路线及 主要研究成果 研究目标 根据现有的文献资料和硫沉积以及试井分析的相关知识，在前人研究工作基础上，预期完成的主要研究内容如下： （ 1）分析硫单质从溶解、析出到沉积的详细过程； （ 2）建立达西渗流和费达西渗流时的硫沉积预测模型； （ 3）根据预测模型，分析硫沉积对气井产能的影响； （ 4）建立均质和复合地层 的试井解释模型，利用 Stehfest 提出的 Laplace 数值反演法绘制出特征 曲线。 技术路线 在研究含硫气藏硫单质的溶解、析出、运移和沉积机理的基础上，根据空气动力学中气固 流动理论 和硫沉积热力学原理 ，建立描述硫微粒运移的动力学模型和描述微粒沉降的含硫气藏硫沉积机理及试井解释方法研究 4 携带微粒临界气流速度模型。 以上述两模型为基础，并考虑沉积的硫微粒对地层孔隙度和渗透率的影响，建立在达西渗流和非达西渗流时的硫沉积预测模型，分析硫沉积对气井产能的影响。 建立均质地层模型，在拉氏空间求解各种边界条件下的均质模型，用 Stehfest 提出的laplace 数值反演算法绘制出对应的特征曲线；然后针对复合地层，论文以硫未沉积区地层渗透率为基础定义无因次变量，建立并求解了试井解释模型，绘制了双对数样板曲线，更直观的反映了硫沉积程度对 气井井底压力动态的影响。 图 11 技术框图 主要研究成果 （ 1）在研究硫单质的溶解、析出、运移和沉积机理的基础上，根 据空气动力学中气固流动理论，建立了描述硫微粒运移的动力学模型和携带微粒临界气流速度模型。 含硫气藏硫沉积机理及试井解释方法研究 硫的移动理论 硫沉积动力原理 硫沉积热力学原理 析出条件 实验测定 被产出物直接运载 气体中的受力分析 宏观气固运移模型 化学溶解和沉积 物理溶解和沉积 理论经验式 溶于有机溶液运载 复合地层模型不稳定试井解释 非达西渗流 硫沉积预测模型 硫沉积对气井产能的影响 建立硫沉积的预测模型 均质地层模型不稳定试井解释 达西渗流时硫沉积预测模型 以硫化氢气体运载 无限大地层模型 圆形封闭地层模型 圆形定亚地层模型 无限大地层模型 圆形封闭地层模型 圆形定亚地层模型 西南石油大学硕士研究生学位论文 5 （ 2）以上述两模型为基础，并考虑沉积的硫微粒对地层孔隙度和渗透率的影响，建立了在达西渗流和非达西渗流条件下的硫沉积预测模型。 （ 3）根据所建立的预测模型，分析了硫沉积对气井产能的影响； （ 4）建立均质地层的试井解释模型，利用 Stehfest 提出的 Laplace 数值反演法绘制出特征曲线，详细分析了试井曲线特征和压力动态； （ 5）当近井地带有硫沉积时，将均质地层转变为复合地层，以硫未沉积区地层渗透率为基础，定义无因次变量，建立并求解了各种外边界条件下的试井解释模型，绘制出了相对应双对数样板曲线，通过曲线对比分析，得出硫沉积对试井分析的影响。 含硫气藏硫沉积机理及试井解释方法研究 6 第 2 章 硫微粒运移的基础理论 硫的沉积条件 硫的 性质 硫受温度的影响很大， 当温度达到 157℃ 时，硫 的环状结构就会重新排列，形成一个有更多分子组成的长链；当温度达到 ℃ （沸点） 时硫被汽化，会以不同的分子类型存在，如以 S S S6和 S8形式存在。 当硫呈液态时，通常以 S8分子 形式存在，有个八个硫原子组成，形成环状结构，如图 21 所示。 （ d（ ss） =,∠ sss=176。 ） 图 21 S8 的环状结构图 硫的状态受到它所处的温度、压力、组成等参数影响。 固态条件下的硫为黄色晶体，摩尔质量为 ， 无味，微溶于酒精，难溶于水。 硫在游离态下，会有几种同素异形体，比如 ： α 硫 是一种 菱形的正交晶体 ； β硫 则是一种 单斜晶体。 在室温下 ， 单斜硫可慢 慢转化成正交硫，也称 “ 橡胶 ” 硫 [47]。 硫在固、液、气不同状态下，呈现出不同的分子结构，其不同的存在状态和对应的物理性质见表 21 所示。 表 21 硫的存在状态和物理性质 [47] 状态 颜色 摩尔 质量 密度（ g/cm3） 熔点 （ ℃ ） 常沸点 （ ℃ ） 在水中 溶解度 标准生成焓（ kJ/mol） 标准生成自由焓（ kJ/mol） 摩尔定压热容 菱形（固体） 黄 色 113 不溶解 0 32 23 单斜（固体） 黄 色 2 119 445 不溶解 33 24 气体 279 168 24 8 个硫原子 组成 256 102 431 156 西南石油大学硕士研究生学位论文 7 硫的 移动理论 J .B. Hyne 等人（ 1980）认为 单质 硫从地层到地面运载的方式主要 有 3 种 [15]： （ 1）溶入液体的形式，当地层压力达到 136MPa 时，高压缩的甲烷、二氧化碳以及部分凝析液组成的 混合流体 对 单质 硫 的 溶解 较好 ； （ 2） 以 H2S 气体的 方式 运载 ， 当 温度 低于 硫的熔点， 温度继续降低或者压强降低亦或者温度、压强同时降低，就会 出现大量单质 硫 的 沉积， 从而降低 气井的产能； PTPTx2 2 x + 1 H S + S H S  （ 21） （ 3） 元素硫以粒状（低于熔点）或液滴状（高于熔点）被 流体 运载到地面，液硫还具有过冷的特点，因此 ， 当温度低于液硫的凝固点时 ， 还可见到元素硫以液滴的形式被运载，这也就是含硫气井具有较大温度梯度的原因，但一旦开始有固态硫析出，流体中的其它元素硫就会被催化而很快聚集 沉积 下来。 在 等人提出的元素硫在高温高压下主要以化学多硫化氢的形式运载的观点的基础上， （ 1996）分析了 较低压力温度下的元素硫的运载机理问题 [5]。 他认为，较低压力温度下出现多硫化氢的可能性较低，元素硫主要以物理溶解的形式存在，其理由为： ① （ 1970）等人的实验证实饱和元素硫的液态硫化氢在加热到 100 ℃ 时还未出现多硫化氢， ② 压力低于 20MPa 时，由（ 1980）等人观测到的元素硫溶解度随温度增加而降低的现象 [36]。 硫沉积的动力学 原理 关于 硫 运移 与 沉积 的 问题 一般有两种研究方法 ： 一种是 数学 分析法 ： 将单质硫 在多孔介质内的运移 和沉积视为 是 一种 随机现象 ，然后用随机过 程的数学法来研究此问题 ；根据质量守恒定律建立数学模型，用 MonteCarlo 法进行计算机模拟。 另一种则是实验法： 包括宏观岩心流动实验和微观流动实验研究。 下面主要介绍数学分析法： 1. 在气流中的沉降 当颗粒在气流中流动时，由于颗粒的密度比气流大，因此重力对颗粒运移的影响较大。 在气固两相流中，重力对颗粒运移的影响主要反映在颗粒在气流中的沉降。 假设 研究对象为 球状 物体 ， 在静止气体中自由沉降 ， 由 图 22 的受力分析图可知： 颗粒的受力 状况为 ： 竖直向下的 重力、 与沉降方向相反的 阻力 和浮力。 由图 22 可以得出 颗粒的重 力为 ： 316g s sF d g （ 22） 颗粒的 所受 浮力为： gdFgsr  361 （ 23） 而颗粒所受的阻力为 [30]： 含硫气藏硫沉积机理及试井解释方法研究 8 22 )(81 ssD udCR  （ 24） gdFFGgssrg )(61 30   （ 25） 即 有 ： 0 duF G R m dt   （ 26） 图 22 颗粒在静止气体中沉降时的 受力分析 图 将（ 24）和（ 25） 两式 代入 公式 （ 26） 中化简得 ： dtduudCg sss Ds gs  2)(43)(   （ 27） 其中令 ： ggsgs   )(0  ， 2)(43 sss DR udCa  其中 g0—— 颗粒在气流中的重力加速度 ， m/s2； aR—— 阻力加速度 ， m/s2。 则 （ 27） 式 可以化简为 ： dtduagR 0 （ 28） 当颗粒匀速下沉时，表明 颗粒所受的外力达到平衡，则 有 ： Rag 0 即： 2)(43)( sss Ds gs udCg    整理化简得 ： 西南石油大学硕士研究生学位论文 9 sD gst gdCu 3 )(4  （ 29） 其中 ut—— 颗粒的沉降速度 ， m/s； ds—— 颗粒直径 ， m； R—— 颗粒在沉降时所受到气流的阻力； Fg—— 颗粒的重力； Fr—— 颗粒在气流中受到的浮力。 从这个 公式可以看出：沉降末速 （ ut） 与气体密度和气体阻力系数成反比；而 与其 直径 以及 颗粒与气体密度差成正比。 2. 气流携带颗粒临界速度 根据气固动力学原理可知：，颗粒 若要 悬浮在气流中 的话，那么 气流 的 速度 就必须 大于颗粒的悬浮速度，即 存在： ta uu （ 210） 把颗粒的悬浮速度作为沉降末速时。 由前面的推导 可得： ,4 ( )3 sgg s sDu g dC （ 211） 上式所得到的就是气体携带颗粒的临界速度 硫沉积的热力学 原 理 在 了解元素硫在天然气中的析出、沉积机理 之前 ，要首先了解元素硫在气相中的溶解本质，元素硫在天然气中的溶解 通常 分为物理溶解 沉积和 化学溶解 两 种方式。 物理溶解和物理沉积 稠密流体对单质硫的物理溶解与解析能力 不容忽视。 高压下的酸性气体对单质硫有 显著的物理溶解能力。 国 内 外的学者通过实验研究得到了酸性气体中硫的溶解度定量数据，测得硫在纯 H2S 气体的溶解度如图 23 所示 [8][30]。 不难看出，硫的溶解度受温度和压强的影响很大：首先，随压强的增大是硫的溶解度是不断增加的。 其次， 在气体压强低于 30MPa时，温度越高溶解度越低；当气体压强高于 30MPa 时，硫溶解度受温度的影响与前面恰恰相反，温度越高，溶解度越大。 物理溶解就是指溶质硫分子 通过 分子扩散进入并溶解于含硫 气体 中。 含硫气体在临界温度以上的高压下不呈液态，但其密度较大，与液相烃 类似， 而高压压缩的硫化 氢、二氧化碳、甲烷和酸性气体对元素硫有明显的溶解作用。 谷明星 [34]等人实验数据得到的元素硫在高压压缩的纯 H2S、 CO CH4和酸性气体中的溶解度 如 图 24 所示。 在这几种气体中，纯 H2S 对元素硫的溶解能力最强，几乎是 CO2和甲烷溶解能力的数百上千倍，甲烷含硫气藏硫沉积机理及试井解释方法研究 10 的溶解能力最小，其次是 CO2，它的溶解能力大概是甲烷的 2～ 3 倍。 酸性气体的溶解能力要低于纯 H2S 的溶解能力，但是要远高于 CO甲烷溶解能力。 同样也可以看到除了压力外，温度也能影响元素硫在这些气体中的溶解，例如 110℃ 下 CO2对元素硫的溶解要高于 90℃ 下时 的 CO2。 010020030040010 20 30 40 50 60 70压力（ MPa）溶解度（g/m3)100℃120℃140℃160℃ 图 23 元素硫在纯 H2S 中的溶解度 [30] 压力 (M P a )硫溶解度(g/m3) 纯硫化氢（9 0 ℃） 纯二氧化碳（9 0 ℃） 纯二氧化碳（1 1 0 ℃） 纯甲烷（1 1 0 ℃） 酸性气体（9 0 ℃） 图 24 硫在高压。