高含硫气井中的硫沉积规律.docx

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丁健;石在虹;牛骏;韩冬深;张磊;顾庆东
【摘 要】In consideration of the difficulties of sulfur release and deposition prediction in wellbores with high content of sulfur, a mathematical model was built for multi-phase fluid flow and heat transfer in gas wells with high content of sulfur, and a discrimination rule and computing method were given for multi-field coupling sulfur release in wellbore and sulfur deposition. The computing results show that the sulfur solubility from hole bottom to wellhead in gas well with high sulfur content decreases gradually, showing non-linear variation; sulfur release occurs in the wellbore, and the precipitation location and amount are mainly affected by temperature gradient, pressure gradient and H2S mass concentration; and sulfur deposition in wellbore is mainly affected by gas carrying capacity and local flow field disturbance. The greater the temperature and pressure decrease, the earlier the sulfur precipitates; under the same flow pressure, the higher the gas production is, the earlier the sulfur precipitates and the greater the precipitation is. This study simulates the production performance of gas wells and gives the distribution law of sulfur release, sulfur deposition, pressure and temperature in gas wells with high sulfur content; the calculation results may be used to provide guidance for field adjustment of development scheme and optimization of production parameters and provide basis for formulating a scheme to prevent sulfur deposition.%针对高含硫气井井筒硫析出、硫沉积推测难题，建立了高含硫气井
井筒多相流淌和传热数学模型，给出了多场耦合井筒硫析出、硫沉积判别准则和计
算方法。计算结果说明，高含硫气井从井底至井口硫溶解度渐渐减小，呈非线性变 化规律；井筒中伴随有硫析出，析出位置及析出量主要受温度梯度、压力梯度和硫 化氢质量浓度等影响；井筒中的硫沉积主要受气体携带力量和局部流场扰动的影响。温度、压力下降越大，硫析出越早；在同一流压下，产气量越高，硫析出越早，析 出量越大。该争论模拟了气井生产动态，给出了高含硫气井中的硫析出、硫沉积、 压力及温度分布规律，计算结果可用于指导现场进展开发方案调整、生产参数优化， 为制定硫沉积预防方案供给依据。
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】2025(000)004
【总页数】5 页(P79-83)
【关键词】高含硫;气井;硫析出;硫沉积
【作 者】丁健;石在虹;牛骏;韩冬深;张磊;顾庆东
【作者单位】中国海油伊拉克，北京 100010;化工股份石油勘探开发争论院，北京 100083;化工股份石油勘探开发争论院，北京 100083;辽河油田钻采工艺争论院，辽宁盘锦 124010;华北油田公司采油工程争论院，河北任丘 062552;华北油田公司采油工程争论院，河北任丘062552
【正文语种】中 文
【中图分类】TE34
高含硫气田井筒硫沉积是困扰高酸性气田开采的一大难题。在采气过程中，随着井
筒中气体压力、温度的降低，单质硫会从气体中析出，假设气流携带力量缺乏，硫颗 粒便会沉积在井筒管壁上，一旦形成硫堵塞，会给生产带来严峻困难；同时，单质 硫沉积对井下管柱腐蚀严峻，也会给生产带来极大危害。因此，准确推测高含硫气 井中的硫沉积规律，对于确保安全生产意义重大。目前现场急需硫析出及沉积规律 分析推测手段，以指导现场通过调整生产制度和实行溶硫措施降低硫沉积量［ 1］， 从而避开因硫堵塞和硫腐蚀给生产带来的危害。
高含硫气井在开采过程中，温度、压力下降会影响硫在自然气中的溶解度，同时伴随着硫析出，气体组分会发生变化，其温度和压力变化规律也会受到影响。因此， 硫析出和硫沉积问题是一个伴随温度、压力、质量浓度等多场耦合的简单流体力学问题。前人通过大量争论，得出了一些针对硫溶解度变化及析出量计算的理论模型
［2-7］，但是缺乏针对硫从析出到沉积整个过程的系统分析。本文建立了高含硫气井井筒多场耦合的气液固三相流淌数学模型，针对硫析出及沉积条件进展了深入分析，并依据产量对气井硫析出、硫沉积及压降梯度影响规律的计算和分析结果， 指导现场合理配产。
井筒中硫析出及沉积问题与温度、压力、硫溶解度等因素亲热相关，因此搞清压力分布和温度分布是争论硫沉积规律的前提条件。由于井筒中存在硫结晶颗粒、凝析油甚至含水，所以高含硫气井中自然气沿井筒的流淌属于伴随着传热的气液固三相流淌过程。在建立井筒流淌及传热模型时，假设条件为：〔1〕气液固混合物为一维、多相、稳定流淌；〔2〕气液固三相处于热力学平衡状态，其过流断面上的压力和温度均匀分布；〔3〕井筒中为稳态传热，地层中为非稳态传热；〔4〕在井筒和地层中只考虑径向传热。
压力分布模型
对于倾斜管的多相流淌，其压力梯度方程为［7］
式中，L 为井深，m；p 为压力，MPa；ρm 为混合物密度，kg/m3；vm 为混合
物速度，m/s；fm 为混相摩阻系数，无因次；d 为油管内径，m；α 为井斜角，
〔°〕；g 为重力加速度，m/s2。混合物平均密度的计算方法为
式中，ρg 为气相密度，kg/m3；ρl 为液相密度，kg/m3；ρs 为固相密度， kg/m3；Hl 为液相体积含量，%；Hs 为固相体积含量，%。
混相摩阻系数可分解为固相摩阻系数和气液两相摩阻系数，其计算方法为［4-5］ 其中
式中，vs 为固相速度，m/s；为硫颗粒平均粒径，m；Hs 为固相体积含量，%； NRe，m 为混合物平均雷诺数，无因次。
温度分布模型
依据井筒径向传热原理，结合比焓方程和能量守恒方程，混合物沿井筒的温度梯度可表示为［8］
式中，Tf 为混合物温度，K；Te 为地层温度，K；Cpm 为平均比定压热容，J/
〔kg·K〕；CJm 为焦耳–汤姆逊系数，K/MPa；Gm 为质量流量，kg/s；rto 为油管外径，m；rcem 为水泥环半径，m；Uto 为总传热系数，W/〔m·K〕；Ke 为地层导热系数，W/〔m·K〕；β 为地层集中系数，m2/s；t 为生产时间，d。
硫析出模型
依据元素硫在自然气中的溶解度和临界溶解度可判别是否存在硫析出，即元素硫的析出条件为
影响硫溶解度的关键参数是温度、压力和气体组分［8-9］。通过室内试验、数值模拟和现场验证，目标气田元素硫溶解度可用如下公式计算
式中，C 为元素硫的溶解度，g/m3；Cs 为元素硫的临界溶解度，g/m3；Mg 为
自然气分子量，g/mol；Z 为自然气偏差因数；R 为通用气体常数；T 为温度，K；
p 为压力，MPa。
因此，在自然气组分确定的状况下，元素硫的溶解度主要取决于压力、温度等参数， 且沿井筒变化。这样，结合井筒中的压力分布和温度分布，依据硫析出条件便可确 定元素硫的析出井段。
硫沉积模型
元素硫析出后将形成硫颗粒，而硫颗粒是否会沉积取决于自然气混合物的流速和硫颗粒的临界悬浮速度。假设不考虑颗粒间碰撞、聚团效应、冲蚀等影响，硫沉积的判别准则为
式中，vm 为自然气混合物的流速，m/s；vgcr 为硫颗粒的临界悬浮速度，m/s。依据井筒多相流淌及传热模型，可算得自然气混合物的流速。而考虑重力、浮力和绕流阻力等因素，依据力学平衡原理，硫颗粒的临界悬浮速度为
式中，ρm 为自然气密度，kg/m3；ρs 为硫颗粒密度，kg/m3；d 为井筒直径， m；CD 为阻力系数［10］。
假设满足硫沉积条件的硫颗粒均沉积在管壁上，其沉积量可用如下公式计算
式中，Bg 为自然气的体积系数，无因次；ΔC 为硫溶解度变化量，g/m3；qg 为地面产气量，m3/d；t 为生产时间，d。
争论井筒中的硫沉积规律，主要通过井筒压力场、温度场、速度场及硫化氢质量浓度等多场耦合来实现的。计算基于以下 4 项根本假设：〔1〕气井产水，以井底作为起点；〔2〕井筒中假设无硫析出，则为气液两相流淌；〔3〕井筒假设有硫析出， 则井段为气液固三相流淌；〔4〕析出的硫颗粒在井筒运移过程中呈均匀分布，不考虑颗粒的质量浓度随井深的变化。
将井筒划分成假设干单元，要求段内物性参数变化不大。以井底为始点，取一单元段dL 进展分段计算。该段进口压力 p、温度 T，首先假设该段的压力增量 Δp0， 依据压力增量计算温度增量 ΔT0 并得出该段的平均压力、温度。在此根底上计算
该段硫溶解度 C 并与硫临界溶解度 Cs 进展比照以推断是否有硫析出。假设推断无硫
析出，则该段依据气液两相流模型进展计算，并依据压力、温度耦合方程组对压力增量 Δp、ΔT 进展迭代求解，最终猎取该段的实际压力和温度增量，得出该段出口压力、温度并作为下一段计算时的入口压力、温度。假设推断有硫析出，计算硫析出量并修正流体中硫含量，依据井筒中气液固三相流淌公式计算出井筒中的混合物流速并与硫颗粒临界悬浮速度进展比照，推断是否存在硫沉积，假设不存在硫沉积， 则依据三相流模型对压力、温度进展耦合迭代，求取出口压力、温度；假设推断存在硫沉积，则在计算沉积量后将沉积的硫从三相流中去除，此时井筒流淌变为气液两相流，可依据两相流模型对压力、温度进展耦合迭代，最终求取出口压力、温度。基于上述计算流程，本文研制开发了酸性气体井筒流淌规律软件平台，流程如图 1 所示。
利用研制的软件，对某气田两口井下安装温度压力监测仪的井进展压力、温度计算， 并将计算结果与现场实测结果进展了比照。2 口井 6 个月 38 组测量压力和温度与
推测最大相对误差为 %和 %，平均确定百分误差为 %和 %，说明本文建立的模型准确率较高，可以用来分析推测高含硫气井中的压力、温度、硫析出及硫沉积分布规律。
以 P 气田 p1 井为例，生产数据如表 1 所示。
硫析出、硫沉积沿井深变化规律
硫溶解度、硫析出量、硫析出段、压力、温度沿井深变化规律如图 2。计算结果说明：酸性气体在开采过程中，从井底到井口自下而上压力、温度和硫溶解度是渐渐减小的，且变化规律非线性的，该井硫析出点为井深 1 840 m 处，由该点向上直到井口，井筒中均有硫析出，且析出量渐渐削减，该井没有硫沉积。在井筒弯曲处
〔如造斜点〕受井眼轨迹变化影响，引起局部压力梯度急剧变化，从而会影响硫的溶解度变化，所以井筒局部倾角突然变化可能会引起硫沉积，对此工程上要引起重
视。计算结果说明，该井虽然没有硫沉积，但在 1 840 m 的井段都有硫析出，在
这些井段一旦因某些外部因素引起局部扰动，就可能形成硫沉积，在开采过程中必需加注溶硫剂，以避开硫沉积的产生。
产量与硫析出规律分析
在开发生产中，衡量一口气井效益好坏的最直接参数就是单井产量。但是，对于高含硫气井，产量不仅和地层产能有关，还受到井筒硫析出量和压力梯度的制约。为指导现场合理配产，本文对同一井底压力下〔 MPa〕，4 种配产方案进展计算〔产量分别为 ×104m3/d、60×104m3/d、70×104m3/d 和75×104m3/d〕。在其他参数不变条件下，得到产量变化对井筒硫析出位置及析
出量的影响规律如图 3 所示，产量变化对井筒压力梯度变化影响规律如图 4 所示。图 3 说明，产量不同，硫析出位置和硫析出量不同；产量越大，硫析出越快，硫
析出量也越多，硫析出点离井底越近，亦即沿井深方向的硫析出段越长。这是由于产量越大沿井筒压力降落越快，导致硫溶解度下降快所致。同时由于产量较高时， 单位时间单位井筒体积内流过的气体越多，因此硫析出量越大。4 种工况下井筒内均没有硫沉积，说明现场生产时为防止硫沉积而参加的溶硫剂剂量要充分考虑产量的影响。
图 4 说明：产量不同，压力梯度不同，产量越大，压力下降越快。图 4 中井深 4
100 m 处压力梯度突变，是由于此处管径变小会导致压降速度增大引起的。同时， 产量越高井口压力越低。这与通常气井产量越高井口压力越高的规律恰巧相反，这是由于在自然气向井口流淌过程中会有硫析出，析出的硫颗粒对气体流淌会产生阻碍作用，增大压降速度。而当产量越高时析出的硫越多，因此产量越高压降速度越快。此计算结果说明：对于高含硫气井，配产时肯定要考虑到气井中的硫析出，否则产量过大，硫析出太快，一旦带不出来，就会造成硫沉积，从而危害生产。
依据分析计算结果，利用自主研发的酸性气体井筒流淌规律软件平台，对 P 气田
初期投产的 2 口生产井进展了配产分析，这两口井原配产气量分别为
43×104m3/d 和 36×103m3/d。争论结果说明：这两口井配产分别改为
80×104m3/d 和 75×104m3/ d，井筒中均未消灭硫沉积，且井口压力分别为
MPa 和 MPa，可保证正常生产。因此，合理配产量比原来提高一倍， 两口井可实现年增产 27 740 ×104m3。
针对高含硫气井简单相态，建立了多场耦合的多相流淌模型来争论气井中的
硫沉积规律。争论说明：影响高含硫气井井筒中硫析出位置的主要因素是温度梯度、压力梯度和产量；温度梯度、压力梯度下降越快，硫析出越早；同一工况下，产量 越高，硫析出越早，硫析出井段越长。因此，现场在配产过程中不仅要考虑地层产 能的影响，还要考虑到井筒硫析出量的掌握。
井筒中的硫沉积主要受局部扰动和井筒气流的举升力量综合影响，在硫析出后，在井身曲率发生变化〔如造斜点〕或局部井径突变处，会引起速度场的扰动， 压力梯度、温度梯度也会随之扰动，工程上要特别留意在这些特别点上会引起硫沉积的危急。
现场实测数据验证结果说明，本模型对井筒压力、温度计算准确率较高，模拟计算结果可为指导现场进一步实施开采方案调整、生产参数优化及制定硫沉积预防工艺措施供给重要的理论依据。
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