论文部分内容阅读
含硫气藏在开采过程中往往会出现硫沉积和堵塞问题,严重时将导致气井减产甚至被迫停产。井筒中压力、温度、天然气组分、气体流动状态等发生变化,都可能导致硫沉积,影响气井正常生产。高含硫气井硫沉积是一个非常复杂的过程,目前国内外对硫沉积的研究还不够深入。只有深入研究气液固状态方程及组分相态特征、元素硫物理溶解和化学反应机理、硫的形核条件以及沉积机理,建立合理的预测模型,才能相对准确地预测高含硫气藏井筒硫沉积动态,掌握井筒硫沉积规律,指导生产。针对高含硫气藏流体相态及井筒硫沉积特点,本文结合相态理论、结晶热力学、动力学及流体力学等多种研究方法,从状态方程、相态预测及井筒硫沉积机理及预测等方面展开研究,分别建立了能够同时有效地的描述气、液、固物性及相态特征的状态方程—TPR方程、高含硫气藏具有化学反应的气液固三相相态预测模型及高含硫气井井筒硫扩散沉积动态预测模型,并针对现场实例井进行了硫沉积动态预测,探寻气井生产过程中流体相态及井筒硫沉积动态变化规律,主要取得以下几方面的成果：(1)建立了新的能够同时描述物质气、液、固物性的统一解析状态方程—TPR方程。确定了TPR方程中纯组分参数随温度变化的函数,并采用范德华混合规则确定混合物体系中的各项参数。推导了由TPR方程确定组分逸度、残余焓、残余熵等热力学性质的表达式。方程预测结果与实验数据及PR方程预测结果的对比表明,方程能够准确再现物质的气液固PT相图；对物质的饱和气、液性质预测的结果优于PR状态方程,并可以准确预测固相体积及其变化规律；对不同温度压力下的流体密度预测结果和PR方程及W.wagner等人基于实验数据建立的状态方程的预测结果接近。(2)建立了高含硫气藏具有化学反应的三相相态理论预测模型,并确定了分层次反复迭代相态变化和化学反应平衡计算的模型求解方法。可以预测高含硫气藏流体的相图、硫及其他组分的存在状态及含量、硫的溶解度,同时还可以确定其他体积特征和热力学特性。利用建立的三相相态预测模型,对硫-硫化氢体系、硫-甲烷体系、硫-天然气混合物体系的溶解度进行了预测,并与相应实验数据进行了对比,平均误差为5%左右。结果表明,建立的模型可以准确预测高含硫天然气的多相复杂相态；硫和天然气及硫化氢体系存在多种形式的共存区。(3)从结晶热力学、动力学及流体力学等角度出发,对硫的结晶、扩散传质、沉积及硫微粒和管壁间的相互作用机理进行研究。普光气田元素硫临界形核预测表明,随温度压力降低,元素硫形核半径减小而形核速率增加；预测范围内,普光气田元素硫临界形核半径为0.55-19.52nm,临界形核速率低于1(m3.s)-1；井筒流体内部形成硫微粒沉积的可能性非常小,硫沉积主要为硫在管壁上的异质结晶沉积。普光气田临界携硫能力预测表明,气流所能携带的最大硫微粒直径随压力降低和温度增加而增大,被携带的硫颗粒最大半径远高于单质硫的临界形核半径,说明即使出现流体中出现硫颗粒,气流仍可以将其完全携带出井口。不同尺度的管壁沉积微粒剥离预测发现,颗粒越小,所需的气流剥离速度越大；直径低于100μm的管壁沉积微粒所需的剥离速度远高于普光气田的井筒气流速度,说明普光气田的气井井筒管壁上一旦粘附沉积了硫微粒,气流就不可能将其剥离。(4)从质量、动量、能量守恒定律出发,结合传质理论、相态理论及多相管流理论,建立了高含硫气井井筒硫扩散沉积动态预测模型。采用对方程中的空间求导项隐式差分,非求导参数项显示差分的半隐式处理方法,进行方程离散化;用Marquardt方法对各控制体的差分方程进行迭代,确定了高含硫气井井筒硫扩散沉积动态预测模型的求解方法。(5)实例井的井筒相态预测及硫形核预测结果表明,自井底至井口,随压力温度降低,天然气中的硫溶解度降低,元素硫在某一井深位置以上处于过饱和状态。产气量降低,井筒中天然气的初始析硫位置变深。随井筒温度降低,天然气中元素硫未饱和时的化学溶硫量占气体中总含硫量的比例降低。实例井的化学溶硫量所占比例均较低,其中普光气田井筒中天然气的化学溶硫量占气体中总含硫量的比例为4%～8%。过饱和状态下硫的临界形核半径很小,国外实例井A井硫的临界形核半径1.4-16nm,普光气田气井中硫的临界形核半径3～34nnm,临界形核速率接近于0,说明即使井筒中元素硫处于过饱和状态,但在流体内部仍不易形成硫颗粒。井筒硫沉积为由扩散沉积控制的元素硫在管壁上的结晶沉积。(6)硫沉积动态预测结果表明,自井底至井口,实例气井硫沉积速率随沉积距离增加呈现出先增加后减小和随沉积距离增加而增加的两种变化趋势。流通半径减小,井筒压力梯度和温度梯度增加,气流速度增加,气流所能携带的颗粒最大半径增加,管壁粘附颗粒剥离所需气流速率减小,过饱和流体的临界形核速率增加。随生产时间的增加,井筒中元素硫沉积层厚度的增长速率变快。国外实例井A井的沉积堵塞时间为24年3个月,普光104-1井的沉积堵塞时间11年4个月,普光302-2井的沉积堵塞时间9年10个月。同一气井在相同井底条件下,产气量减小,气井初始沉积位置降低,气井堵塞时间变长。