含H2S天然氣井溢流動態模擬

毛良杰, 蔡明杰, 文小勇, 夏宏偉

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 成都 610500; 2.川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司, 成都 610051; 3.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司工程技術研究院, 廣漢 618399)

中國西部蘊藏許多含H2S的高產天然氣藏。然而，含H2S天然氣儲層的勘探開發存在一定的風險性和危險性，例如，重慶“12·23”開縣井噴事故就造成了無法估量的損失[1-2]。H2S在井底處于超臨界狀態，進入井筒的超臨界態H2S在沿井筒上升的過程中，一旦溫度和壓力降至H2S的臨界溫度和臨界壓力以下，H2S就會發生相變成為氣體。這將導致井筒中的環空流動變得更加復雜，井筒壓力突然變化，大大增加井控難度，甚至導致井噴事故。由于H2S氣體具有劇毒性，溢流的不當處理會造成巨大的危害[3-4]。隨著對石油天然氣能源需求的增長，含H2S天然氣藏有待于進一步開發。因此，研究含H2S天然氣井井筒動態溢流特性對指導現場開發和井控工作具有重要意義。

近年來，許多中外學者對井筒氣液兩相流動規律進行了研究。先前的研究指出垂直井筒中的流動模式主要可分為泡狀流、段塞流、攪動流和環狀流的四種流動模式[5-6]。一些學者還對油氣井筒多相流關鍵參數的計算模型進行了改進。Lei等[7]建立了考慮氣液比的三次回歸模型，模型測試結果表明，該模型提高了多相流壓力梯度的預測精度，平均預測相對誤差降低到7.66%。Ahmadi等[8]建立了一種低參數模型對采油井垂直多相流井底壓力進行監測，計算結果表明，模型估計與相關的實際BHP數據的相對偏差小于6%。Pan等[9]利用漂移流動模型，給出了等溫條件下通過井筒的穩態可壓縮兩相流動的解析解，描述了井筒中兩相流動的穩態行為。Yin等[10]基于氣液兩相流理論建立了基于觀測模型的環空氣驅多相瞬態流動模型，得到了鉆井液池增量、井底壓力和含氣率的變化規律。文濤等[11]考慮非平衡時間的影響，建立了非平衡氣-水-油三相相變的井筒多相非平衡流模型，分析了凝析氣井的井筒流動規律和動態變化過程。高永海等[12]考慮水合物分解和相變熱的影響,建立了水合物層鉆井中的井筒多相流動模型和傳熱模型，研究結果表明，增大鉆井液排量,水合物臨界分解位置降低,整個井筒中氣體體積分數降低。然而，在沿井筒流動過程中，溫度和壓力的變化將導致H2S溶解度降低，進而引起H2S的相變和井筒中流動參數的變化。這將導致含H2S氣井流動數值模擬結果產生較大誤差。從目前的研究現狀來看，考慮到含H2S天然氣井溢流過程中H2S溶解度變化和相變析出的井筒動態流動模型還很缺乏，對含H2S天然氣井動態溢流過程的認識還不夠深入。

本文考慮H2S在井筒中的相態變化，建立了含H2S氣井井筒動態溢流模型，采用有限差分法對模型進行求解，并參考相關文獻驗證了模型的有效性。編制MATLAB程序，結合四川某含H2S天然氣井現場數據模擬含H2S天然氣井動態溢流過程，并將模擬結果與不含H2S氣井進行對比分析，為合理精確地控制含H2S天然氣井溢流提供一定的參考。

1 考慮H2S相變的動態溢流模型

1.1 連續性方程、動量方程和能量守恒方程

為簡化計算模型，基本假設如下：①垂直井筒內的氣體和鉆井液流動是一維的;②忽略鉆井液壓縮性;③控制單元內氣、液相連續;④忽略環空偏心的影響。在這些假設的基礎上，可以得到簡化的連續性方程和動量方程。根據質量守恒定律，控制單元的流出質量減去流入質量等于控制單元質量的變化。因此，氣相和液相的連續性方程可以表示如下：

(1)

(2)

根據動量守恒定律，可以得到動量方程為

(3)

根據能量守恒定律，可以得到鉆柱內和環空和環空溫度場模型如下。

(1)鉆柱:

(4)

(2)環空:

(5)

1.2 邊界條件和初始條件

1.2.1 初始條件

溢流開始時刻，天然氣不進入井筒，鉆井液填充整個井筒。因此，可以得到正常鉆井條件下井筒內的壓力和速度分布，作為井涌的初始條件。

(6)

式(6)中：h為井深, m;Ql為泥漿排量, L/s；A為環空橫截面積，m2；Pb為初始井底壓力，MPa。

1.2.2 邊界條件

井口壓力等于大氣壓力，井筒內總流量等于鉆井液流量和氣體侵入流量之和。此外，在鉆井工程中，一旦鉆井液池增量達到一定的閾值，鉆井工程師就立刻執行關井操作。因此，邊界條件可以設置為

(7)

其(7)中：Vpg為關井時刻鉆井液池增量, m3;P0為井口大氣壓, MPa；Qg為井底進氣量，m2/s。

至此，最主要的控制方程已經建立，氣體漂移方程、氣侵量計算方程、流態判別方程等輔助方程的相關計算可參考文獻[13]。

2 算例分析

2.1 基礎數據

選取四川某含H2S氣井為對象研究含H2S氣井溢流特性，相關計算參數見表1。另外，空間步長選取為定值60 m，時間步長仍采用非均勻格式，跟蹤多相流前沿，根據氣體上升速度以及該處空間網格長度，由式(8)求出時間步長為

(8)

利用建立的模型，編制MATLAB程序，可以對該含H2S氣井溢流過程進行模擬，另外，利用該井相關計算參數，模擬該井不含H2S情況下溢流過程，并將模擬結果與含H2S氣井進行對比分析。

表1 某含H2S氣井相關計算參數

2.2 結果分析

2.2.1 多相流特性分析

圖1是當氣井含H2S和不含H2S情況下溢流關井后環空含氣率以及流型分布示意圖。由圖1(a)可以看出，在氣井不含H2S溢流過程中，環空含氣率極值在0.53左右，關井后，氣體上升到距離井口280 m左右位置處，環空流態分布從井底到井口依次是泡狀流、段塞流、攪動流和純液相流動。然而，由圖1(b)可以看出，在氣井含H2S溢流過程中，環空含氣率極值在井口位置接近于1，純液相流被環狀流所取代。此外，攪動流在環空所占據的長度更長。這是因為：在沿井筒上升的過程中，隨著溫度和壓力的不斷降低，H2S的溶解度不斷降低，當溫度和壓力降低至H2S臨界溫度和臨界壓力以下時，H2S由超臨界狀態變為氣態，井內氣相體積分數急劇增加，并且越接近井口位置，H2S溶解度降低越快，氣相體積分數增加越多。當含氣率增加，環空流型也隨之改變，環狀流在接近井口位置處出現。

圖1 氣井含H2S和不含H2S情況下溢流關井后環空含氣率以及流型分布Fig.1 Gas void fraction and flow pattern distribution of normal gas well and H2S-containing natural gas well at shut-in time

圖2(a)為氣井含H2S和不含H2S情況下壓力分布及溫度分布隨井深變化圖。可以看出，在井筒內，溫度和壓力都隨著井深的降低而降低。在含H2S氣井內，段塞流型所占據的空間更小，攪動流在環空分布更長，在靠近井口位置處甚至出現了環狀流。這種現象也可以由以下原因解釋：在含H2S氣井溢流過程中，井筒溫度在同一位置相對穩定，由于上部井段H2S的析出，導致環空壓力下降的更加迅速，環空流型轉化相對于不含H2S氣井有所提前。

由圖2(b)可知，在含H2S氣井中，相同時刻和相同位置處，氣體密度相比不含H2S氣井內更低，而多相流的特點是密度較大的氣體氣液間滑脫速度較小[14]，因此，在深部井段，含H2S氣井內氣體速度更高，如圖2(c)所示。然而，當H2S析出后，氣體體積急劇膨脹，導致氣液之間摩阻急劇增加，如圖2(d)所示，此時，在含H2S氣井內，氣體受到阻力增大，速度降低。因此，相比不含H2S氣井，氣體在含H2S氣井內在深部井段上竄更快，在淺層段上竄更慢。

圖2 氣井含H2S和不含H2S情況下環空壓力和溫度、氣體密度、氣體速度、摩阻壓降變化Fig.2 Annular pressure, temperature, gas density gas velocity and frictional drag of normal gas well and H2S-containing natural gas well

2.2.2 工程應用分析

由圖3可以看出，井底壓力隨溢流時間不短降低，尤其到了溢流后期H2S析出后，井底壓力下降趨勢迅猛增加，而關井套壓變化趨勢則恰好與井底壓力相反。此外，在含H2S氣井中，井底壓力在溢流后期下降比不含H2S氣井更加迅速，與之對應的關井套壓則上升更加迅速。這是因為：在溢流后期，H2S析出直接引起含氣率的突增，氣泡在井筒內占據了更多的體積，導致井底壓力快速下降，關井套壓迅速增加。

圖3 井底壓力、關井套壓隨溢流時間變化Fig.3 Variation of bottom hole pressure and shut-in casing pressure with time

圖4是鉆井液池增量隨溢流時間的變化圖。可知，鉆井液池增量在溢流初期上升較快，隨后上升幅度降低，在溢流的后期，鉆井液池增量又出現突增。這主要是由于：鉆井液池增量的變化直接受到含氣率的影響，因此，氣變化趨勢與含氣率變化趨勢大致相同。在溢流后期，由于H2S的析出，含氣率突增，氣體急劇膨脹，鉆井液池增量也隨之急劇增加。

2.3 討論

超臨界狀態H2S在靠近上部井段的井筒內發生相態變化，井內溫度壓力降低到其臨界溫度和臨界壓力之后H2S由超臨界狀態瞬間突變為氣態，導致井筒內含氣率的瞬間增加，引發了含H2S氣井的鉆井液池增量在短時間內急劇增加。由于H2S發生相變的位置通常靠近井口，因此預警時間短，造成井控困難，溢流一旦發生，很可能引起井噴事故。此外，由于H2S的相變帶來的井底壓力迅速降低，加大了井底壓差，會進一步引起氣侵量的增加，加劇溢流嚴重程度，而關井套壓的迅速增加也會威脅井口設備安全，加大井控操作的難度。所以，天然氣井鉆井過程中，含H2S氣井的溢流往往比不含H2S氣井更難檢測和處理，危險性更高。因此，在H2S氣井的鉆井和生產過程中，井底壓力、鉆速、泵壓、泵速、鉆井液池增量等參數都應該重點監測，此外，可以在井口施加一定回壓來抑制H2S氣體的迅速膨脹，減緩井噴的發生[15-16]。

3 結論

建立了含H2S氣井的井筒動態溢流模型，結合四川某含H2S天然氣井現場數據模擬了含H2S天然氣井動態溢流過程，并將模擬結果與不含H2S氣井進行對比分析。基本結論如下。

(1)H2S在上部地層井段發生相變并直接引起含氣率的突增。泡狀流、段塞流、攪動流和環狀流是含H2S氣井溢流過程中的主要流型。氣體在含H2S氣井井筒內膨脹更快，環空流型轉化更加迅速。

(2)H2S的相變導致環空壓力的下降更加迅速，相同的溢流時間內，關井時刻鉆井液池增量增加更明顯。在溢流后期階段，含H2S氣井內井底壓力比不含H2S氣井下降更快，關井套壓上升更加迅速，進一步加劇了溢流程度，加大了井控難度，井噴危險大大增加。

(3)天然氣井鉆井過程中，含H2S氣井的溢流往往比不含H2S氣井更難檢測和處理，危險性更高。在H2S氣井的鉆井和生產過程中，井底壓力、鉆速、泵壓、泵速、鉆井液池增量等參數都應該重點監測。