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发布时间：2013-12-30 14:18:32  更新时间：2013-12-30 14:18:31

　　我国含硫化氢天然气分布也十分广泛，目前已经在四川、渤海湾、鄂尔多斯、塔里木和准噶尔等含油气盆地中都发现了含硫或高含硫天然气[1，2]，而元坝气田长兴组气藏H2S平均含量5.53%，CO2含量为3.12%-15.5%。气藏为高含硫化氢、中含二氧化碳气藏。随着元坝气田长兴组气藏YB04、YB103H等高含硫气井投入试采，井筒硫沉积问题受到关注[3，4]。

　　摘要：随着元坝高含硫气田逐步投入试采，井筒硫沉积问题受到关注。元坝气田井筒是否存在硫沉积，目前国内外硫沉积预测模型难以确定，本文在前人的基础上，对硫颗粒在气流中的受力进行分析，得到新的临界携硫速度，并将硫的溶解度、压力与温度的耦合，进而提出一个新的硫沉积解析模型，为设计及生产提供理论基础。通过新模型对YB204井实例计算，计算结果合理可靠。

　　关键词：高含硫,气井,压力温度耦合,硫沉积

　　1硫沉积模型

　　1.1固相硫颗粒在气流中的受力分析固相硫颗粒在气流中的受力因状态的不同而不同，在运动状态下主要的作用力大致包括：运动阻力、压力梯度力、视质量力、巴西特（Basset）力[5]、马格努斯（Magnus）力、萨夫曼（saffman）升力以及重力和浮力等。当球形硫颗粒在垂向上的合力为零，即Fd+Fp-Fm+Fb+FSL+Ff=0（1）

　　硫颗粒在垂向的受力保持平衡，在该方向上不产生沉降。考虑浮力Ff，忽略巴西特力。硫颗粒在将被气流携带而向井口方向运移，当满足如下代数关系式时。

　　6.44（？滋？籽g）■r■■（Vf-Vp）■■+CD■？籽f[Vf-Vp]（Vf-Vp）S-■？仔r■■■+？仔d■■？籽f/6-■？仔r■■？籽mf■（Vf-Vp）=0（2）

　　对上式进行求解，并舍去没有物理意义的根，从而得到临界携硫速度关系式

　　Vf=

　　■

　　（3）

　　1.2单质硫在高含硫天然气中的溶解度关于元素硫在天然气中溶解度的研究，Roberts在Chrastil[6]基础上，结合Brunner[7]和Woll的实验数据，推出了估计硫在酸气中溶解度的公式。根据气体状态方程，可以得到硫的溶解度与压力之间的关系式，并对压力p微分即可得到元素硫在天然气中的溶解度预测模型[8]：

　　■=4■■exp-■-4.5711p3（4）

　　得到井筒中压力和温度在井筒剖面上的分布规律后，将一定含硫量的天然气的饱和压力和饱和温度与井筒剖面上的压力和温度分布相结合，讨论在该温度下单质硫的溶解度。若天然气含硫量高于在该温度下的溶解度，就会发生硫的析出和在管道中沉积，在该压力温度下，对任意井段进行积分，可以大致判断井中元素硫是否沉积和沉积的大致部位，从而得到温度压力耦合[9，10]的温度压力梯度沉积模型：

　　■=■■=-■（Tt-Ta）-■+（？茁■-■）■=4■■exp-■-4.5711p3（5）

　　2实例计算

　　YB204井位于四川盆地东北部元坝低缓构造带，2010年8月11日对长兴组（6523-6590m）酸压后求产，稳定油压24.5MPa，天然气产量126.46×104m3/d，获得了高产工业气流。该井套管外径146mm，油管外径88.9mm。

　　2.1不同产量下压力计算据电子压力计（E2444）实测井深6364.74m处的三个工作制度求产的流动压力，对比分析不同工作制度下的压力温度耦合模型计算流压与实测流压值，结果见表1。

　　从表1可以看出，压力温度耦合模型计算出的流压与实测值基本吻合，百分误差最小为0.98%，最大为-5.65%，满足工程计算要求。

　　2.2硫沉积预测YB204井长兴组气样分析数据见表2，天然气相对密度根据取平均值0.5869，由于本井没有对硫颗粒直径的测得值，因此根据付德奎等文章中经验，取为0.000075m，压力温度根据耦合模型求得的值，带入式5计算临界携硫速度为0.11881m/s。并对不同的硫直径进行敏感性分析，其结果如图1。由图1可以看出，临界携硫速度与硫颗粒直径几乎呈线性关系，即临界携硫速度随硫颗粒直径增大而增加，较大直径的硫颗粒需要更大的流速携带。

　　运用公式（5）对不同压力、温度条件下临界携硫速度进行预测，并与其相应条件下的实际流速进行对比。由图2可以看出，实际流速远远大于临界携硫速度，即井筒中不会有硫沉积。

　　临界温度190.41℃，临界压力4.5986MPa，由硫饱和度公式计算其临界硫容量[11]为64.9g/m3。在产量为20×104m3/d制度下，硫溶解度随井深改变而不同，其关系曲线如图3所示。显然，在地层初始条件下，天然气中的硫容量远大于临界硫容量，地层在初始时刻就有硫的沉积。即随着生产的进行，压力和温度的不断下降，所以从地层到井底，井底到井口都将有硫的析出和沉积发生。

　　综上分析，虽然在井筒中有硫的析出，但是由于实际流速远远大于临界携硫速度，因此在该井井筒中存在单质硫，然而这些硫仅存在一些井下接头和弯道处，其余的硫单质会随天然气的采出而被顺利带出。

　　3结论

　　①将井筒压力温度模型进行耦合求解，对井筒中悬浮微粒进行了受力分析，得到新的临界携硫模型，最后将压力温度模型与及硫溶解度模型耦合。

　　②通过硫沉积新模型，对YB204井进行了实例计算，发现高含硫天然气中硫的溶解度主要与温度、压力有关，井筒有硫析出，但由于气体流速大于临界携硫速度，析出硫单质会随气体顺利带出。

　　参考文献：

　　[1]黄士鹏，廖凤荣等.四川盆地含硫化氢气藏分布特征及硫化氢成因探讨[J].天然气地球科学，2010，21（5）：705-713.

　　[2]杨学锋，黄先平，杜志敏，等.考虑非平衡过程元素硫沉积对高含硫气藏储层伤害研究[J].石油与天然气地质，2007，26（6）：67-70.

　　[3]王正和，邓剑等.元坝地区长兴组典型沉积相及各相带物性特征[J].矿物岩石，2012，32（2）：86-96.

　　[4]陈丹.川东北地区元坝气田与普光气田长兴组气藏特征对比分析[J].石油天然气学报，2011，33（10）：11-14.

　　[5]曹仲文，袁惠新.旋流器中分散相颗粒动力学分析[J].食品与机械，2006（5）：34-36.

　　[6]ChrastilJ.SolubilityofsolidsandliquidsinsuPereritiealgases[J].J.Phys.Chem.1982，86：301-306.

　　[7]Brunner，E.，PlaceJr.，M.C.，andWo11，W.H，SulfurSolubilityinSourGas[J].JPT，1988：1587-1592.

　　[8]KunalKaran，RobertA.Heidemann，LeoA.Behie，SulfurSolubilityinsourGas：PredietionswithanEquationofStateModel[J].Ind.Eng.Chem.Res.1998，37：1679-1684.

　　[9]李颖川.定向井气液两相压力计算数值方法[J].天然气工艺，2008，27（2）：24-27.

　　[10]毛伟，梁政.井筒压力温度耦合分析[J].天然气工业，1999，19（6）：66-69.

　　[11]谷明星，里群，邹向阳等.固体硫在超临界随临界酸性流体中的溶解度（I）实验研究[J].北工学报，1993，44（3）：315-319.

　　符号说明：

　　w——单位长度控制体内的质量流量，kg/s；

　　tD——无因次时间，tD=？琢t/r■■；

　　？琢——地层热扩散系数，？琢=ke/（？籽ece）；

　　rto——油管外径，m；

　　rco——套管外径，m；

　　Tt——油管流体温度，K；

　　Ta——套管流体温度，K；

　　Tei——地层原始温度，Tei=T0+gez，K；

　　T0——地表环境温度，K；

　　ge——初始地温梯度，K/m；

　　Ke——地层传热系数，W/（m.℃）；

　　TD（tD）——无因次温度函数；

　　Uto——总传热系数，W/m℃；

　　Cpa——环空流体定压比热；

　　Q2——环空与地层之间的热流量

　　下标t分别表示油管流体；

　　下标a表示套管流体；

　　vf、ρf——分别为天然气的流动速度和密度；

　　Vp——固相硫颗粒的速度；

　　S——固相硫颗粒的迎风面积，S=πRP2；

　　CD——阻力系数；

　　FB——巴西特（Basset）力，N；

　　KB——巴西特力经验系数；

　　tp0——颗粒开始加速的时刻；

　　cr——固相的浓度；

　　ρ——流体的密度；

　　T——流体温度；

　　k，M，N——经验参数，可以利用试验数据回归得到。