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高含硫气藏相态特征及渗流机理研究

张广东  
【摘要】:含硫气藏在开发的过程中会发生相态变化产生硫沉积,造成对地层和井筒的伤害,严重时可造成气井停产。硫在地层中沉积会吸附在岩石孔隙壁面上,堵塞气体的流通通道,进而影响气井产能,而目前国内外对于这方面的研究还处于起步阶段。对高含硫气藏,特别是埋深很深、地层温度高的高含硫气藏相态特征研究未见报道,缺少能直接观测高温高压硫析出点和熔解点的实验方法,制约了该类气藏的相态特征的研究;在高含硫气藏研究地层渗流时,主要精力集中在单纯硫沉积对储层伤害方面,没有综合考虑储层应力敏感性的影响,未见到同时考虑储层应力敏感性和硫沉积作用对储层伤害方面的实验和理论预测模型,缺少对高含硫气藏液态硫微观、宏观渗流机理方面的深入研究,严重制约了对该类气田渗流机理的研究。为此本论文以最大埋深为7500m的元坝气田为研究对象,开展高含硫气藏相态特征及渗流机理研究,为同类高含硫气藏的合理高效开发提供参考。通过研究取得以下认识: (1)建立了高温高压天然气中硫析出点和熔解点测量装置,形成了一套酸性气体相态实验测试方法。完成了元坝气田的流体相态实验研究,测试了单质硫在元坝气样中的硫凝固线、析出硫曲线,进而测得了元坝气样的相图。分析地层硫可能存在的状态表明,在原始地层温度下,元坝气田单质硫在井底流压低于25MPa左右时才会在地层中析出,一旦析出即呈现液态硫形态; (2)建立了高含硫气体中硫含量测试装置和方法,完成了元坝气田的气样硫溶解度测定实验。元坝井口气样的单质硫含量为1.0977g/m3,在原始地层条件下单质硫饱和溶解度为6.413g/m3。在同一温度下,随着压力的升高硫的溶解度增大;而在压力相同时,温度越高,硫在天然气中的溶解度越大; (3)建立了高含硫气藏微观渗流机理测试装置及测试方法,研究了气体-液态硫微观渗流过程中多孔介质中硫沉积形态、硫沉积尺寸及分布特征。结果表明,裂缝和基质共存条件下,硫优先沉积在裂缝中,总体呈现非均匀分布特征。硫以结晶体形态吸附在岩心孔隙壁上,在3μm至16μm范围出现晶体的频率较高,结晶体形态为层状累积,单结晶体边界菱角不明显,没有发现丝状或规则立方体,岩心中硫元素含量在0.69%~15.87%之间,证明岩心中发生了硫沉积; (4)建立了同时考虑硫沉积和应力敏感性对气-液态硫影响的试验评价方法,完成了元坝气田不同含硫饱和度下的应力敏感性实验。结果表明,基质和裂缝岩心不同有效应力下的渗透率伤害率不断增强,应力敏感性中等,裂缝应力敏感性强。随着含硫饱和度增加,岩心的应力敏感性变弱;研究了应力敏感对气硫相渗的影响,液态硫临界流动硫饱和度较高,说明元坝地层中析出的硫一般不会流动。随着应力敏感性增加,气相和液相渗透率降低等渗点下移。高温高压气水相渗等渗点含水饱和度为70%左右,束缚水饱和度为28.10%; (5)建立了单独考虑硫沉积和应力敏感性影响的渗透率变化预测模型以及同时考虑液态硫和应力敏感性共同作用的气-液硫两相产能预测新模型; (6)建立了高含硫气藏气液固三相相平衡预测模型,并利用实验数据进行了验证,误差小于5%。对比分析了高含硫气藏流体偏差系数、气体粘度计算模型的优劣性,优选了高含硫气藏气体粘度计算模型; (7)建立了井筒硫沉积流动实验评价方法,完成了不同形态的硫在井筒中的流动实验,结果表明,若单质硫从地层出来为固态,在一定流速下单质硫就能够完全被携带出井筒;若井筒中为液态硫,液硫在管壁上并不是均匀吸附,而优先吸附在管壁有晶核诱导的位置,很难被气流带走;若单质硫直接从气体析出吸附在管壁上,沉积的硫很难清除。管壁上的单质硫直径大小不等,从238.8nm到135.0um不等。说明单质硫的形成是一个由小到大的结晶过程,即先由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。 (8)利用考虑应力敏感和硫沉积共同作用的气-液硫两相产能预测新模型对元坝气田气井进行分析,研究地层中的含硫饱和度分布特征,总体来讲地层中含硫饱和度较小,井底附近地层中最大含硫饱和度为1%左右,对地层的伤害程度较小。 (9)利用建立的气液固三相相态预测模型对元坝气井井筒中的相态变化进行预测。在生产过程中,井筒中会先后出现单相气体流动区、气体-液态硫共流区和气体-固态硫共流区及其组合。


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