【正文】 ，則元素硫為液態(tài)，并 隨 氣體攜帶出地層，不會對地層造成影響；但如果溫度 比 凝固點 低 的話，則這部分硫就以固體顆粒 存在于地層中，那么，一部分 硫單質(zhì)會 被攜帶出地層，而另一部分就沉積在地含硫氣藏硫沉積機理及試井解釋方法研究 2 層中，這部分硫單質(zhì)沉積在地層的孔隙中，占據(jù)孔隙空間，從而引起孔隙度變小 ，堵塞地層 ，降低氣井的產(chǎn)能， 嚴重的甚至?xí)?導(dǎo)致氣井的報廢。建 立相應(yīng)的硫沉積預(yù)測模型，除了可以了解硫沉積的一些特點外，還能將其用于指導(dǎo)生產(chǎn)，這對改善含硫氣藏 開發(fā)中硫沉積這一難題有很重大指導(dǎo)意義。 通過對 含硫 氣藏 開發(fā)實踐 ， 表明 硫沉積 對氣井產(chǎn)能 有 很 重要影響 。 （ 1996 年） 和 Nacholas（ 2020 年） 在研究了 加拿大洛磯山山麓 地區(qū) 含硫 氣藏 硫沉積 的 特征 后 發(fā)現(xiàn) [5]： 即使 產(chǎn)量 不到 2g/m3的氣井 ，沒有幾個月 就會 發(fā)生 “ 硫 堵” ， 導(dǎo)致氣井的停產(chǎn)，甚至廢棄 。（ 2）壓力和溫度下降越大，氣體中硫單質(zhì)的析出量就越大 ，也就越有可能發(fā)生硫沉積。在 1998 年， Jamal [13]通過巖心流動實驗，得到流體流速對硫沉積影響實驗依據(jù)，同時也提出臨界攜硫速度的概念。 Shedid 等人用巖心實驗驗證 ： 在含硫天然氣和含硫原油中硫沉積對地層滲透率的傷害情況，并推導(dǎo)出了兩者之間的關(guān)系式 [8]。通過該模型可以對硫沉積機理進行定性的認識。因此，該模型局只能進行單井的模擬，氣藏中組分變化也不能處理。 建立均質(zhì)地層模型，在拉氏空間求解各種邊界條件下的均質(zhì)模型，用 Stehfest 提出的laplace 數(shù)值反演算法繪制出對應(yīng)的特征曲線；然后針對復(fù)合地層，論文以硫未沉積區(qū)地層滲透率為基礎(chǔ)定義無因次變量，建立并求解了試井解釋模型，繪制了雙對數(shù)樣板曲線，更直觀的反映了硫沉積程度對 氣井井底壓力動態(tài)的影響。 含硫氣藏硫沉積機理及試井解釋方法研究 6 第 2 章 硫微粒運移的基礎(chǔ)理論 硫的沉積條件 硫的 性質(zhì) 硫受溫度的影響很大， 當溫度達到 157℃ 時，硫 的環(huán)狀結(jié)構(gòu)就會重新排列，形成一個有更多分子組成的長鏈；當溫度達到 ℃ （沸點） 時硫被汽化，會以不同的分子類型存在，如以 S S S6和 S8形式存在 。固態(tài)條件下的硫為黃色晶體，摩爾質(zhì)量為 ， 無味，微溶于酒精，難溶于水。 表 21 硫的存在狀態(tài)和物理性質(zhì) [47] 狀態(tài) 顏色 摩爾 質(zhì)量 密度（ g/cm3） 熔點 （ ℃ ） 常沸點 （ ℃ ） 在水中 溶解度 標準生成焓（ kJ/mol） 標準生成自由焓（ kJ/mol） 摩爾定壓熱容 菱形（固體） 黃 色 113 不溶解 0 32 23 單斜（固體） 黃 色 2 119 445 不溶解 33 24 氣體 279 168 24 8 個硫原子 組成 256 102 431 156 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 7 硫的 移動理論 J .B. Hyne 等人（ 1980）認為 單質(zhì) 硫從地層到地面運載的方式主要 有 3 種 [15]： （ 1）溶入液體的形式，當?shù)貙訅毫_到 136MPa 時，高壓縮的甲烷、二氧化碳以及部分凝析液組成的 混合流體 對 單質(zhì) 硫 的 溶解 較好 ； （ 2） 以 H2S 氣體的 方式 運載 ， 當 溫度 低于 硫的熔點， 溫度繼續(xù)降低或者壓強降低亦或者溫度、壓強同時降低，就會 出現(xiàn)大量單質(zhì) 硫 的 沉積， 從而降低 氣井的產(chǎn)能； PTPTx2 2 x + 1 H S + S H S ???? （ 21） （ 3） 元素硫以粒狀（低于熔點）或液滴狀（高于熔點）被 流體 運載到地面，液硫還具有過冷的特點，因此 ， 當溫度低于液硫的凝固點時 ， 還可見到元素硫以液滴的形式被運載，這也就是含硫氣井具有較大溫度梯度的原因，但一旦開始有固態(tài)硫析出，流體中的其它元素硫就會被催化而很快聚集 沉積 下來。 另一種則是實驗法： 包括宏觀巖心流動實驗和微觀流動實驗研究 。 由圖 22 可以得出 顆粒的重 力為 ： 316g s sF d g??? （ 22） 顆粒的 所受 浮力為： gdFgsr ?? 361? （ 23） 而顆粒所受的阻力為 [30]： 含硫氣藏硫沉積機理及試井解釋方法研究 8 22 )(81 ssD udCR ??? （ 24） gdFFGgssrg )(61 30 ??? ???? （ 25） 即 有 ： 0 duF G R m dt? ? ? （ 26） 圖 22 顆粒在靜止氣體中沉降時的 受力分析 圖 將（ 24）和（ 25） 兩式 代入 公式 （ 26） 中化簡得 ： dtduudCg sss Ds gs ??? 2)(43)( ??? ?? （ 27） 其中令 ： ggsgs ? ?? )(0 ?? ， 2)(43 sss DR udCa ??? 其中 g0—— 顆粒在氣流中的重力加速度 ， m/s2； aR—— 阻力加速度 ， m/s2。 由前面的推導(dǎo) 可得： ,4 ( )3 sgg s sDu g dC????? （ 211） 上式所得到的就是氣體攜帶顆粒的臨界速度 硫沉積的熱力學(xué) 原 理 在 了解元素硫在天然氣中的析出、沉積機理 之前 ，要首先了解元素硫在氣相中的溶解本質(zhì)，元素硫在天然氣中的溶解 通常 分為物理溶解 沉積和 化學(xué)溶解 兩 種方式。 不難看出，硫的溶解度受溫度和壓強的影響很大：首先，隨壓強的增大是硫的溶解度是不斷增加的。 谷明星 [34]等人實驗數(shù)據(jù)得到的元素硫在高壓壓縮的純 H2S、 CO CH4和酸性氣體中的溶解度 如 圖 24 所示 。 010020030040010 20 30 40 50 60 70壓力（ MPa）溶解度（g/m3)100℃120℃140℃160℃ 圖 23 元素硫在純 H2S 中的溶解度 [30] 壓力 (M P a )硫溶解度(g/m3) 純硫化氫（9 0 ℃） 純二氧化碳（9 0 ℃） 純二氧化碳（1 1 0 ℃） 純甲烷（1 1 0 ℃） 酸性氣體（9 0 ℃） 圖 24 硫在高壓壓縮的純 H2S、 CO CH4 和酸性氣體中的溶解 [30] 化學(xué)溶解和化學(xué)沉積 一般情況下，硫像糖溶于水一樣簡單地以物理溶解方式溶解在酸性天然氣（含 H2S和 CO2氣體）中。在 氣藏投入開發(fā) 后 ，地層能量 就會隨之逐漸降低 ，當含 H2SX+1天然氣穿過 溫度和壓力 遞減的地層剖面時， H2SX+1分解生成單質(zhì)硫。 目前通常認為當超過 壓力時就需要對硫的溶解機理做一個評價，即判斷究竟是物理溶解還是化學(xué)溶解處于支配地位。 圖 25 元素硫在酸性氣體中的不同溶解機理 單質(zhì)硫因為地層溫度、壓力變化而導(dǎo)致硫的溶解度變化，從而使硫微粒從天然氣中析出、沉積的過程稱 之為 物理沉積。當含硫氣藏投入開發(fā)后， 地層 壓力、溫度不斷降低， 而 硫 的 溶解度 也逐漸減小 ，當壓力 和溫度下降至 臨界 條件 以下時，單質(zhì)硫 便會大量 析出， 當流體中的硫含量超過 流體攜帶 能力時 ， 單質(zhì)硫便會沉積在地層孔隙表面 ， 造成 孔隙 度的減小以及 滲透率 的降低 。 首先，看看理論計算： 在初始含硫量未知的情況下，可以假定初始狀態(tài)硫在含硫氣體中處于飽和的狀態(tài)下，則只要溫度壓力降低，便會有硫析出，此時可以利用溶解度經(jīng)驗公式 [35]（ Chrastil 經(jīng)驗公式）計算不同溫度壓力下硫的析出量。 含硫氣藏在氣體開采過程中，隨著地層壓力不斷下降，元素硫達到臨界飽和態(tài)后將從氣相中析出，并在儲層孔隙及喉道中沉積，從而導(dǎo)致地層孔隙度和滲透率降低，影響氣井的產(chǎn)能，嚴重時可造成氣井停產(chǎn)。這是微粒運移造成堵塞的主要機理[30][38]。 （ 2） 捕獲 ： 在流動通道表面粗糙不光滑且流體對固相顆粒具有足夠大的能量作用時，固相顆粒在捕獲能量后將隨流體向壓降方向運動，其運動往往受流動邊界的干擾而雜亂無章。稱之為光滑沉降，這是過濾效應(yīng)的主要機理。因此 ， 硫沉積 影響孔隙介質(zhì)的主要表現(xiàn)在于對 地層孔隙度和滲透率的影響。描述因硫沉積 而造成 滲透率變化的方法主要有： 機理模型和實驗經(jīng)驗式法兩種： Civan 和 Schechter（ 1992 年）根據(jù)堵塞非堵塞連通模型提出了描述巖心平均滲透率的關(guān)系式 [6]： npnppp KfKfK ?? （ 211） Jamal（ 2020 年）利用 上面的 模型模擬了 單質(zhì)硫在含硫氣藏中的 運移沉積。在實驗中，通過不同的巖心流體 流速以及 初始含硫濃度來實現(xiàn) 硫的析出量的變化 。圖 210 為實驗 所 得到的不同滲透率 下的 PDF 值變化 情況 。硫沉積相當于 在 巖石骨架上增加 一種 新的礦物成分 —— 硫 ，而這些元素硫 將 堵塞 孔隙空間， 降低孔隙度大小 。因此，本文在通過廣泛調(diào)研后，通過流體穩(wěn)定滲流理論，在流體滿足 Dacy 和非 Dacy 條件下，對其中硫元素的析出和沉積進行了理論建模。 此后， Roberts 以 Chrastil 的研究基礎(chǔ)上，通過分析 Brunner 和 Woll 的研究結(jié)果，得到了酸性氣體的硫溶解度模型為： )57 66e xp(4 ??? Tc ? （ 32） 為了體現(xiàn)對硫溶解度的主要影響因素即溫度和壓力 ，通過氣體狀態(tài)方程可以將（ 32）式 中的密度 ρ用壓力 p 和溫度 T 來表示。例如，一天然氣井有如下參數(shù)， γg=， Z=， T=，由（ 39） 式 可推出： 34 ) xp () 84 (4 pdpdc ???? ?? （ 311） 經(jīng)過推導(dǎo)后得： 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 19 3410295 pdpdc ??? （ 312） 通過（ 312） 式， 以 dc/dp 為縱坐標，壓力 p 為橫坐標，我們可以得到溶解度對壓力的導(dǎo)數(shù)與地層壓力本身的關(guān)系圖（見圖 31）。但是如果到了開采后期，由于儲層能量衰減，采出流體流速無法保證到達臨界速度之上時，我們就要考慮硫沉積的 情況 了。 （ 1）首先要確定硫析出后固體硫顆粒的運移范圍：我們假設(shè) 流體流速低于臨界速度的時，析出的硫是全部沉積在地層中的，也就是不能被流體攜帶出地層。 達西滲流時硫沉積預(yù)測模型 的建立 地質(zhì)模型 及假設(shè)條件 （ 1）地層中流體的流動為單相流動； （ 2）地層為 水平、等厚和均質(zhì)； （ 3）天然氣在地層中的流動滿足 Dacy 定律； （ 4）氣體為平面徑向流； （ 5）氣井產(chǎn)量 穩(wěn) 定。 通過 Darcy 公式可知：沿著徑向方向的壓力降可表示為： rhkqdrdp ??2? （ 314） 其中 q—— 地層條件下的天然氣流量 ， m3/s； r—— 地層中任一點到氣井中心的距離 ， m； 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 21 h—— 地層的厚度 ， m； 又： gg qqB ? （ 315） r akk k? （ 316） 將（ 315）和（ 316）兩式都代入（ 314） 式 中化簡： 2 ggarqBdpdr rhk k??? （ 317） 其中 Bg—— 天然氣氣體體積系數(shù)，無量綱； qg—— 氣井地面產(chǎn)量 ， m3/d； k—— 氣體有效滲透率 ， μm2； kr—— 氣體相對滲透率，無量綱； ka—— 地層絕對滲透率 ， μm2。通過（ 324）式 采用線性回歸方法，我們可計算出 a。 將 （ 325） 式代入 （ 322） 式，并積分可得 2242 2 2 00() 10 4 Sg g g T SdcqBd dp edt r h k ????? ??? ?? （ 328） 令 ： 242 00() 10 4 gTdcBdpmk???? ? ? （ 329） 則： 222 Sgg Smqd ed t r h ??? ?? ? （ 330） 將（ 330）式求導(dǎo)： 222 2 2 Sg S Smq dSd ed t r h d t???? ?? ?? （ 331） 將（ 330）式和（ 331）式代入（ 324）式中： 222 2 2 21 SSggSm q m qdSeer h d t r h??? ? ? ?? ?????????? （ 332） 令： 222gmqA rh?? 將（ 332）式積分化簡得： 11SS St e a SA a A a? ?? ? ? （ 333） 如果 SS=1， 則表示析出的固體硫完全將儲層空隙空間封堵 ， 即地層的孔隙度 φ =0。 地質(zhì)模型見圖 3