󰀁󰀁文章编号:1674-5086(2009)05-0109-03

高含硫气藏硫沉积机理研究*

付德奎1,郭肖1,杜志敏1,刘林清2,邓生辉3

(1.󰀂油气藏地质及开发工程 国家重点实验室!西南石油大学,四川成都610500;2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院,四川成都610051;3.中国石油吐哈油田工程技术研究院采油所,新疆鄯善838202)

摘󰀁要:硫沉积是高含硫气藏开发过程中普遍存在而又必须解决的关键难题之一。高含硫气藏硫沉积机理研究是研究高含硫气藏硫沉积预测技术、准确掌握地层硫沉积动态以及指导高含硫气藏高效开发的基础。在分析高含硫气藏气体开采过程中硫化氢含量变化规律基础上,引入无机化学中化学反应平衡理论,建立了由多硫化氢分解析出元素硫的地层含硫饱和度计算方法,以W气田为例,预测了地层压力下降到不同程度时距离井筒不同距离处由多硫化氢分解析出元素硫的量,并与利用解析模型计算的总析出量进行了对比。结果表明,高含硫气藏开发过程中,在硫化氢含量变化不大的情况下,由多硫化氢(H2Sx+1)分解析出的硫的量占总析出量的比例很小,即物理沉积是硫沉积的主要方式,从而进一步完善了元素硫的沉积理论,为认识和解决高含硫气藏开发过程中在地层发生元素硫沉积、合理高效地开发高含硫气藏奠定了坚实的理论基础。关键词:高含硫气藏;硫沉积;机理;化学反应平衡;多硫化氢中图分类号:TE37󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁DOI:10.3863/.jissn.1674-5086.2009.05.023

󰀁󰀁高含硫气藏在世界上分布广泛[1-2]。近年来我国四川东北部也相继发现了普光、罗家寨等一大批

高含硫气藏[3]。高含硫气藏在气体开采过程中,地

层压力不断下降,元素硫在达到临界饱和态后将从气相中析出,并在储层孔隙及喉道中沉积,从而导致

地层孔隙度和渗透率降低,影响气井的产能和经济效益,严重时可以造成气井停产[4-9]。如我国华北

油田赵兰庄气藏,在1976年试采,因对高含硫气藏

开发的认识不足,产生严重的硫沉积而被迫关井,至今尚未投产[10]。因此,研究高含硫气藏硫沉积机理

具有重要的意义,也是研究高含硫气藏硫沉积预测

技术、准确掌握地层硫沉积动态以及指导高含硫气藏高效开发的基础。

高含硫气藏硫沉积机理包括物理沉积和化学沉积2个方面[11]。一些学者认为,物理沉积是硫沉积

的主要方式,而加拿大硫研究有限公司(ASRL)的

Hyne[12]博士则认为:化学沉积实际上是硫沉积的主要控制因素,但都很少有文献来证明。笔者通过引

入无机化学中化学反应平衡理论,建立了由多硫化

氢分解析出元素硫的地层含硫饱和度计算方法,并通过实例分析证明了高含硫气藏开发过程中,在硫

化氢含量变化不大的情况下,由多硫化氢分解析出

硫的量占总析出量的比例很小,从而得出物理沉积

是硫沉积的主要方式。

1󰀁高含硫气藏开发过程中硫化氢含量

上升的原因

󰀁󰀁高含硫气藏在开发过程中一般都伴有不同程度

的硫化氢含量上升的现象[13],上升的原因主要有以

下2种:

(1)地层水的脱气作用

地层水脱气可导致所采天然气中硫化氢含量的

增加,但是这种现象只在气田开发的最后阶段和在

某些水显示活跃的地带出现。

(2)气体开采过程中多硫化氢分解析出硫化氢

在地层条件下,硫与硫化氢能发生可逆反应生

成多硫化氢(H2S+SxH2Sx+1)。气藏投产以

前,反应处于平衡状态(图1),气藏投产以后,随着第31卷󰀁第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西南石油大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vo.l31󰀁No.5󰀁2009年󰀁10月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁JournalofSouthwestPetroleumUniversity(Science&TechnologyEdition)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Oct.󰀁2009

*收稿日期:2008-04-24基金项目:国家863计划󰀂酸性气田安全开采关键技术 (2007AA06Z209);国家自然科学基金项目(50774062;50974104);四川省青年科技基金(09ZQ026-048)。作者简介:付德奎(1978-),男(汉族),吉林伊通人,博士研究生,主要从事油气藏工程及数值模拟研究工作。气体的产出,地层压力不断降低,平衡被打破(图2),反应向生成硫化氢和硫的方向移动,即不断地有

硫和硫化氢以化学方式析出。因此,高含硫气藏在

气体开采过程中,硫化氢含量会有所上升。

图1󰀁化学平衡的建立Fig.1󰀁Thefoundationofchemicalequilibrium

图2󰀁化学平衡的移动

Fig.2󰀁Theshiftofchemicalequilibrium

2󰀁由多硫化氢分解析出元素硫的地层

含硫饱和度计算方法

󰀁󰀁高含硫气藏在气体开采过程中硫化氢含量的增

加主要是由于地层压力降低过程中多硫化氢的分解

造成,因此可以根据道尔顿分压定律利用硫化氢含

量的变化确定反应的压力平衡常数,再由压力平衡

常数(Kp)与浓度平衡常数(Kc)的关系确定浓度平

衡常数[14],进而求得地层压力降低到不同程度时由多硫化氢分解导致的地层含硫饱和度。Kp=Kc(RT)󰀁n(g)(1)式中,󰀁n(g)∀反应中气体物质量的差;T∀反应的

温度,K;R∀通用气体常数,8.314J/(mol!K)。

计算程序如图3所示:

图3󰀁平衡常数法求地层含硫饱和度程序Fig.3󰀁Sulfur󰀁bearingsaturationintheformation󰀁󰀁󰀁procedurebychemicalequilibrium

计算方法如下:

设初始时刻多硫化氢、由多硫化氢分解生成的硫化氢以及元素硫的物质的量分别为A,0,0,压力

由p0下降至p时达到一个新的平衡。

H2Sx+1H2S+Sx起始物质的量(mol)󰀁󰀁A󰀁󰀁0󰀁󰀁0

变化时物质的量(mol)󰀁x󰀁󰀁x󰀁󰀁x

平衡时物质的量(mol)󰀁A-x󰀁x󰀁󰀁x

反应达到平衡时总物质的量(mol)为A+x反应达到平衡时气相总物质的量(mol)为x

故平衡时体系中气相物质的分压󰀁p=pH2S(2)

压力平衡常数󰀁Kp=p(3)

浓度平衡常数󰀁Kc=x(4)

在H2Sx+1H2S+Sx这个方程中,只有H2S

为气体,因此,气体物质量的差󰀁n(g)=1+0-0=

1。带入式(1)得

Kp=Kc(RT)1(5)联立式(3)、(4)、(5)得

p=x(RT)1(6)

x=p(RT)1(7)

同理,可以利用文献[15]中的解析模型求得不

同时间、不同径向距离处的由H2Sx+1分解导致的地

层含硫饱和度。110西南石油大学学报(自然科学版)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年3󰀁实例分析

3.1󰀁实例气藏概况W气藏是硫化氢含量为16.1%的高含硫气藏,

气藏基本参数为:

气体体积系数(B):0.004583;

气体黏度(󰀂):0.0228mPa!s;绝对渗透率(Ka):1.0#10-3󰀂m2;

有效厚度(h):26.0m;

孔隙度( ):0.04;束缚水饱和度(Swi):20%;

地层压力(p):36.6MPa。

3.2󰀁结果分析

图4为W气藏气体开采过程中随着硫化氢含量的变化,利用化学反应平衡方法计算的由多硫化

氢(H2Sx+1)分解导致地层含硫饱和度的变化结果与

文献[8]利用解析模型计算结果的对比曲线(总析出)。从图中可以看出,高含硫气藏开发过程中,在

硫化氢含量变化不大的情况下,由多硫化氢

(H2Sx+1)分解析出的硫占总析出量的比例很小,即

化学沉积在此过程中影响很小,物理沉积是硫沉积的主要方式。

图4󰀁含硫饱和度随径向距离变化曲线Fig.4󰀁Predictedsulfursaturationasafunctionof󰀁󰀁󰀁radialdistancefromthewell

4󰀁结󰀁论

(1)通过引入无机化学中化学反应平衡理论,

建立了由多硫化氢分解析出元素硫的地层含硫饱和

度计算方法。󰀁󰀁(2)高含硫气藏开发过程中,在硫化氢含量变

化不大的情况下,由H2Sx+1分解析出元素硫的量占

总析出量的比例很小,即物理沉积是硫沉积的主要

方式。

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(编辑:宋艾玲)111第5期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁付德奎,等:󰀁高含硫气藏硫沉积机理研究