高含硫气藏元素硫形成机理及硫沉积预测研究

高含硫气藏的开发过程中,随着气藏压力的不断下降,硫在地层天然气中的溶解度不断降低,在适当的条件下,单质硫就会从天然气中析出并沉积下来,从而堵塞地层孔隙,降低地层渗透率。因此,确定硫沉积的析出条件可以为高含硫气藏的开发方案设计提供重要依据,对指导高含硫气藏合理高效开发具有重要的指导意义。研究单质硫化学沉积和物理沉积机理,并提出硫沉积的判断条件,最后建立了达西和非达西渗流条件的硫沉积模型,并进行求解和分析。计算结果表明,对于距离气井一定位置处,随着生产时间的增加含硫饱和度也增加,硫沉积越严重;初始地层渗透率越低,硫沉积对地层造成的伤害越严重,硫沉积范围越大;渗流速度越大,对地层的伤害越严重。     

高含硫气藏元素硫沉积对储集层的伤害

元素硫是高含硫气藏开发的有害物质。随着气井的投产，地层压力和温度沿径向不断降低，在气流达到或超过含硫饱和度时，元素硫将会从气流中析出，并在储集层岩石的孔隙或喉道中沉积下来，使得地层孔隙度和渗透率降低，严重时造成气井的停产甚至报废。在推导了元素硫沉积对储集层伤害的模拟模型基础上，分析了在高含硫气藏的开发过程中，元素硫沉积的特征及对储集层物性的伤害情况，发现元素硫在地层中的沉积主要在离井筒较近的范围之内，且沉积量沿径向由井筒向地层深处逐渐减小；沉积于孔隙的元素硫对储集层的伤害也主要在该区域之内，越靠近井筒伤害程度越严重，且随着生产时间的延长。对储集层的伤害程度加速。图4表1参6     

高速非达西流动时元素硫沉积模型研究

元素硫沉积是含硫气藏开发过程中广泛存在而又必须解决的难题之一。高含硫气藏一旦投入开发，地层压力会逐步下降，使得元素硫溶解度下降而沉积下来，沉积的元素硫会堵塞地层孔隙，降低渗流通道，影响气井产能。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，并利用该模型对实际气藏进行预测和对比研究，再通过实例计算发现，硫非瞬时平衡沉积比瞬时平衡沉积对地层的伤害更严重，高速非达西流动沉积比达西流动时对地层伤害更严重，认为在开发高含硫气藏时，必须合理选择开发速度，有效防止元素硫沉积。     

高含硫气藏硫沉积预测及实施除硫作业时机选择

高含硫气藏在开发过程中,随着气藏压力和温度的降低,元素硫将从气体中析出,从而堵塞天然气的渗流通道,当硫沉积严重降低地层有效孔隙空间及渗透率时,需要实施除硫作业。在考虑气体高速非达西不稳定流动、硫沉积、水动力对硫沉积冲刷与运移、硫沉积对储层危害（孔隙度、渗透率）的基础上,建立了预测硫沉积分布的气固耦合渗流模型。该模型与除硫工艺（溶硫剂）相结合,能够确定实施除硫工艺的时间,以及除硫后近井地带含硫饱和度随生产时间的变化。通过该研究可为高含硫气藏硫沉积预测提供有效方法。     

含硫气藏硫沉积机理及其对气井产能的影响

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。     

高含硫气藏气体渗流规律研究

在高含硫气藏开发过程中，随着高含硫气体从地层中采出，地层压力不断下降，使元素硫从含硫饱和态气相中析出，并沉积到地层孔隙或喉道中，造成地层渗流通道的严重堵塞，增大气体渗流阻力。文章从物质平衡原理出发，推导了由于受元素硫沉积影响的地层物性参数随生产时间等的变化关系，并建立了高含硫气藏气体渗流模型。通过实例模拟分析了该类气藏气体渗流过程中孔隙度和渗透率的变化规律以及地层压力等的变化特征。研究结果表明，元素硫在地层中的沉积对储层的伤害沿径向呈不均匀变化；气体的渗流阻力增加，地层能量更多地消耗在近井地带，且气体渗流表现为强烈的流固耦合特征。该认识为高含硫气田的合理高效开发提供了参考依据。     

高含硫气藏硫沉积预测模型

高含硫气藏随着开采的进行,元素硫会从天然气中析出,沉积到地层中的元素硫会堵塞孔道,减小流体流动有效空间,并降低地层渗透率,使得流动阻力增大,给气井的正常生产带来严重的伤害。文中给出了预测硫沉积的平面径向流模型及裂缝硫沉积模型,根据模型得出了硫沉积对储层的伤害规律,为合理开发这类油藏提供科学依据。     

高含硫气藏气-固两相多组分数值模型

高含硫气藏属于一类特殊高危性气藏,在开发过程中,伴有元素硫的析出、沉积、气相组成变化和沉积硫堆积在孔隙喉道污染地层等特殊现象。一般气藏数值模型没有考虑这些因素的影响,使得基于一般气藏数值模型的数模软件在模拟中不能反映高含硫气藏的开发特性。因此,文章在综合考虑这些因素的基础上,假设析出的固态硫不随气流运移,建立三维气-固两相多组分数学模型,利用Carman Kozeny沉积伤害模型描述硫沉积对地层孔隙度和渗透率的伤害;使用Roberts所提出的硫溶解关系式描述硫在酸气中溶解度变化;应用IMPES方法将数学模型转换为隐式求解压力、显式求解饱和度的数值模型。在模型中,元素硫的质量守恒关系是从“组分”角度来分析的,因为元素硫在单一的气相或固相中不满足质量守恒。该模型能反映高含硫气藏中元素硫的沉积、气藏流体组分随开发的变化以及沉积硫对储层的伤害等     

高含硫裂缝性气藏储层伤害数学模型

在高含硫裂缝性气藏气体开采过程中,地层压力不断降低,导致硫微粒在气相中的溶解度逐渐减小,在达到临界饱和态后从气相中析出,并在储层孔隙及喉道中运移、沉积,导致地层孔隙度和渗透率降低。地层压力的降低导致裂缝逐渐闭合,也会导致地层孔隙度和渗透率的降低,从而影响气井的产能和经济效益,严重时可导致气井停产。针对高含硫裂缝性气藏复杂渗流特征,基于空气动力学气固理论描述硫微粒在多孔介质中的运移和沉积,建立了一个全新的、能够综合描述多孔介质中硫微粒的析出、运移、沉积、堵塞以及应力敏感的高含硫裂缝性气藏储层伤害数学模型,并以L7井为例进行了实例分析。研究结果表明：在定产量生产条件下,硫沉积对气井生产动态的影响主要表现为气井的稳产时间缩短及气井产量在递减期内的递减速度加快。     

高含硫气藏硫沉积的研究进展

高含硫气藏开采过程中,随温度和压力下降会发生硫沉积现象。当硫在储层岩石的孔隙喉道中沉积时,天然气的渗流通道减小,地层有效孔隙空间及渗透率降低,将影响气井的产能和经济效益。广泛调研了国内外高含硫气藏有关硫沉积的研究成果,对前人的研究作了综述。目前国内外对高含硫气藏开发过程中元素硫沉积研究得到的硫沉积预测模型简单;硫沉积的微观动力学、硫颗粒的运移规律和造成储层堵塞的机制等方面的研究都还相对较少;国内外对元素硫在多孔介质中吸附的研究较少,硫化氢和二氧化碳共存条件下硫沉积的机理还不清楚,硫的相态特征及含CO2的高含硫气藏相态变化特征认识不足。因此,高含硫气藏开发过程中需要进一步解决这些问题,这对于指导高含硫气田的开发具有重要而长远的意义。     

含硫天然气相态及渗流

近年来，四川东北部地区发现了大量硫化氢含量很高的天然气藏。天然气中元素硫的含量受地层压力、温度以及天然气组分的控制，在开采过程中，由于近井区域压力低、气体流速高，将使天然气的状态发生变化，析出的固相硫沉积在储集层的孔隙喉道中堵塞天然气渗流通道，井筒中会沉积更多的元素硫，影响气井产能。采用热力学理论解释了硫随温度和压力变化的沉积规律，建立了在达西流和非达西流条件下渗流过程中的硫沉积方程。图1参20     

硫吸附和地层水存在下的单质硫沉积规律研究

在酸性气藏中,元素硫的沉积会减小气体的流动空间,其进一步的沉积会堵塞气体的流通通道,导致气井产量降低。为加强对高含硫气藏地层中单质硫沉积规律的认识,进行了以下理论研究：考虑元素硫吸附效应,建立一套系统的高含硫气藏元素硫地层沉积预测模型,并利用该模型对某油田实例进行计算;在地层水体存在的条件下,对硫沉积带来的影响。结果表明：当硫吸附效应或者地层水体存在时都会进一步加大硫沉积量,并且随着时间的推移,影响更加明显;在离气井较远的地带,硫吸附效应的影响更强。在理论研究的基础之上,进行了单质硫的聚集实验及其在岩石空隙中的分布规律实验。通过对实验结果的分析,硫的聚集是从纳米级的单质硫晶体聚集形成面状单质硫,再逐渐形成层状似的单质硫;单质硫在孔隙中的分布规律为：孔隙越大,硫沉积量越大。     

高含硫储层硫沉积微观特性

四川盆地川东北地区相继发现了一大批高含硫碳酸盐岩气藏,其储量占四川盆地天然气储量的一半以上。然而,硫沉积一直是制约高含硫气藏高效开发的一大难题。结合微米CT扫描、扫描电镜、能谱分析和气相色谱分析等实验手段,运用储层高含硫气体完成了碳酸盐岩岩样的硫沉积实验,获得了实验前后岩样微观孔隙结构和气体组分的定量变化,首次实现了储层岩石中硫沉积的三维可视化。硫沉积实验结果显示,高含硫气体中总硫含量减小12.58%,有机硫组分减小9.07%;硫微粒主要沉积在半径小于500μm的岩石孔隙中,导致岩石渗透率降低34.40%~67.80%,孔隙度减小3.77%~7.69%。研究结果进一步提升了对硫沉积微观特性的认识,为高含硫气藏增产措施的制定提供了支撑。     

高含硫气井井筒硫沉积预测

随着高含硫气藏的开发,析出的硫会对储层造成伤害,影响气井的正常生产,因此,准确预测硫的沉积对酸性气田的合理高效开发具有十分重要的意义。文中根据气、液、固三相流动规律,建立了高温高压高含硫气井井筒硫沉积预测模型,利用缔合模型的基本原理,建立包含温度、压力和流态3个变量的硫溶解度函数模型,用来预测硫在井筒中的析出位置;再利用缔合模型的相关理论解释硫元素在井筒中的溶解机理,以温度、压力和硫溶解度为变量,判断单质硫是否沉积、沉积位置,并对沉积量进行动态计算。以普光气田×井为例,计算得出硫溶解度和析出量随井筒的变化规律,其结果与实际情况吻合较好。     

Experimental and numerical modeling of sulfur plugging in carbonate reservoirs

Sour gas, mainly in the form of hydrogen sulfide, is produced in large amounts from many oil and gas reservoirs in the United Arab Emirates. In addition to creating problems in production lines, the precipitation of elemental sulfur in vicinity of the wellbore is often reported to cause wellbore damage. While there have been several studies performed on the role of solid deposition in gas reservoirs, the role of sulfur deposition in oil reservoirs has not been investigated. This paper presents experimental results along with a comprehensive wellbore model that predicts sulfur precipitation as well as plugging. Two separate sets of experiments, one for a gas phase system and another for a crude oil system, were conducted to investigate the deposition of elemental sulfur in (linear) carbonate cores. The gas flow tests were conducted with elemental sulfur being carried with nitrogen through limestone cores. Changes in gas flow rate were monitored while the injection pressure was held constant. A series of experiments generated valuable data for plugging with elemental sulfur. X-ray diffraction tests provided evidence of sulfur deposition along the cores. The oil flow tests were carried out to observe sulfur precipitation and plugging in a carbonate core. The crude oil was de-asphalted before conducting these tests in order to isolate the effect of asphaltene plugging. Significant plugging was observed and was found to be dependent on flow rate and initial sulfur concentration. This information was used in a phenomenological model that was incorporated in the wellbore numerical model. The data for the numerical model were obtained from both test tube and oil flow experiments. By using a phenomenological model, the wellbore plugging was modeled with an excellent match (with experimental results).