高含硫氣藏液硫沉積對儲層傷害的實驗研究

王 寧， 張廣東*， 孫大龍， 曾大乾， 顧少華

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610500； 2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083)

中國高含硫氣藏主要分布在四川盆地，但由于氣藏中硫氫的腐蝕性和劇毒性以及硫的沉積現(xiàn)象，導(dǎo)致高含硫氣藏的開發(fā)過程比其他普通氣藏更為困難[1-2]。該類氣藏多為深層碳酸鹽巖，原始地層溫度壓力高，如元壩氣田最大埋深達到了7 500 m，原始氣藏壓力約70 MPa，氣藏溫度約150 ℃。單質(zhì)硫在儲層中以液態(tài)硫的形式析出，對儲層造成傷害。

中外對高含硫氣藏元素硫含量、元素硫沉積和元素硫溶解度的問題展開大量的研究[3-6]。張廣東[1]提出在埋深較深的高含硫氣藏中，單質(zhì)硫?qū)砸簯B(tài)形式析出，研究了含硫飽和度大于束縛硫飽和度時的兩相滲流特征。張文亮[7]和Shedid[8]建立了硫沉積預(yù)測模型，前者引入氣相的穩(wěn)定滲流理論，后者分析多孔介質(zhì)中硫微粒的運移和沉積規(guī)律。且對天然氣元素硫沉積對儲層傷害的研究多集中在固態(tài)硫。劉成川等[9]、郭肖等[10]研究了固硫沉積對儲層孔隙度和滲透率的影響，建立了元素硫沉積的損害模型。李繼強等[11]研究了液態(tài)硫析出的數(shù)值模擬計算方法。由此可見，關(guān)于液態(tài)硫沉積傷害方面的實驗研究很少，多局限在研究氣-液硫兩相滲流特征，缺少量化的液硫飽和度低于束縛硫飽和度時的液硫?qū)拥膫嶒灁?shù)據(jù)。但真實氣藏中，液態(tài)硫的束縛硫飽和度較高，很難在地層中實現(xiàn)兩相流動。因此，研究低含硫飽和度下的儲層傷害具有非常重要的意義。

現(xiàn)以元壩氣田為研究對象，采用真實高含硫氣藏的流體，建立研究液態(tài)硫沉積對儲層的傷害評價實驗方法，開展低于束縛硫飽和度時深層海相碳酸鹽巖高含硫氣藏液硫沉積對儲層傷害實驗研究，揭示硫沉積微觀分布特征，為同類高含硫氣藏的合理高效開發(fā)提供參考。

1 液硫?qū)映练e能力實驗

高含硫氣藏剛開始發(fā)生硫沉積時，部分液硫在界面張力作用下，會被沉積在多孔介質(zhì)內(nèi)，使得儲層物性發(fā)生變化。在該過程中儲層物性逐漸變差，進而引起儲層的滲流性發(fā)生改變。測試Ⅰ、Ⅱ儲層巖心不同液態(tài)硫飽和度下的氣測滲透率變化，對比分析不同類型儲層液硫的沉積量及傷害程度。

1.1 液硫?qū)嶒灧椒傲鞒?/h3>

實驗裝置主要由驅(qū)替系統(tǒng)(巖心夾持器)、增壓系統(tǒng)(增壓泵、回壓泵)、儲集系統(tǒng)(氮氣瓶、儲水中間容器、儲硫中間容器)、圍壓控制系統(tǒng)(圍壓泵)、環(huán)境模擬系統(tǒng)(恒溫箱)、氣-液硫分離及收集系統(tǒng)(液硫收集容量瓶)、氣-液硫自動計量系統(tǒng)(高精度天平、流量計、計算機)以及控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。

該裝置的主要性能和技術(shù)指標(biāo)如下：最高驅(qū)替壓力為100 MPa，流量為0.000 1～5 000 mL/min，圍壓為100 MPa，工作溫度為室溫～200 ℃。實驗流程圖如圖1所示。

實驗步驟如下：①按照實驗流程連接，加壓檢查氣密性；②將恒溫箱內(nèi)部溫度升至實驗溫度(120、140、160 ℃)，將硫粉制備成液態(tài)硫；③回壓閥調(diào)壓至75 MPa，使用自動泵將地層水飽和進巖心，使用氮氣驅(qū)替至沒有水驅(qū)出，建立束縛水；④更換新的收集容量瓶，利用加熱帶將處于恒溫箱外的管線加熱至120 ℃，然后啟動驅(qū)替泵將中間容器中的液硫泵入巖心中，使巖心充分飽和液態(tài)硫；⑤將氮氣泵入巖心夾持器驅(qū)替巖心中飽和的液硫，直至天平示數(shù)沒有變化；⑥記錄驅(qū)出硫的體積，將回壓分別調(diào)到60、45、30、20 MPa，重復(fù)上述步驟。獲取不同地層壓力下的束縛硫飽和度。

實驗巖心的基礎(chǔ)物性如表1所示。

圖1 實驗流程Fig.1 Experimental flow chart

表1 巖心物性Table 1 Core physical property

1.2 不同溫度下巖心液硫沉積能力實驗

采用上述實驗方法測定了I、II類巖心的最大沉積硫能力，實驗結(jié)果如圖2所示。通過上述實驗可得出以下結(jié)論。

圖2 不同溫度Ⅰ類、Ⅱ類巖心液態(tài)硫飽和 度隨實驗壓力變化曲線Fig.2 The variation curve of liquid sulfur saturation of class Ⅰ, class II core with experimental pressure at different temperatures

(1)相同地層壓力下，隨實驗溫度(120～160 ℃)增加，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力減弱；相同實驗溫度下，隨地層壓力的降低，巖心承受的有效壓力增加，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力增加，含硫飽和度增加。這是由于在120～160 ℃，液硫的黏度隨著溫度的增加而減少，溫度增加，液硫的流動能力增加，氣-液硫黏度比降低，液態(tài)硫飽和度降低。巖心承受的有效應(yīng)力增加，孔隙被壓縮，減少了巖心的連通孔隙，液硫的飽和度也會增加。

(2)對比I、II類巖心的最大沉積硫能力可知，相同條件下，巖心物性越差，液態(tài)硫的沉積能力越強，I類巖心120 ℃條件下，地層壓力由75 MPa下降到20 MPa過程中，液態(tài)硫飽和度由39.88%增加到47.10%；II類巖心120 ℃條件下，地層壓力由75 MPa下降到20 MPa過程中，液態(tài)硫飽和度由47.13%增加到52.33%。I類巖心物性較好，平均孔隙半徑大于II類巖心，允許液硫流動的能力較強，因此I類巖心的液硫飽和度低于II類巖心。

2 液硫?qū)觽嶒?/h2>

選擇Ⅰ、Ⅱ儲層巖心各一塊，向巖心中飽和4種不同含液硫飽和度，測試此時氣體流速的變化，進而獲取儲層傷害前后滲透率的變化情況。在此飽和度下改變實驗壓差測定氣體流量的變化，結(jié)合前后實驗結(jié)果對比分析液硫的傷害程度。

2.1 液硫?qū)觽嶒灧椒傲鞒?/h3>

采用上述實驗流程(圖1)，測試低于束縛硫飽和度時液硫在儲層巖心的滲透性傷害程度。具體實驗方法如下：①連接試驗流程，檢查氣密性；②加溫至實驗溫度(140 ℃)，向巖心飽和地層水，采用氮氣放大壓差驅(qū)替至束縛水飽和度；③在最大沉積硫?qū)嶒灮A(chǔ)上，采用氮氣驅(qū)替至穩(wěn)定后在不同壓差下測定此時的氣測滲透率；④向巖心中注入少量的CS2，采用氮氣驅(qū)替干凈后，測定產(chǎn)出的單質(zhì)硫量，然后換算得到巖心中的單質(zhì)硫飽和度，采用氮氣在不同壓差下測定此時的氣測滲透率。重復(fù)上述實驗得到不同含硫飽和度下的滲透率傷害情況。實驗所用巖心物性如表2所示。

表2 巖心物性Table 2 Core physical property

圖3 3號、4號巖心滲透率隨液態(tài)硫飽和度變化曲線Fig.3 Change curve of core permeability with liquid sulfur saturation of Core 3, Core 4

2.2 液硫沉積巖心滲透率傷害實驗

測定了I、II類巖心的液硫沉積對滲透率的傷害程度，實驗結(jié)果如圖3所示。由實驗結(jié)果可知，隨著液態(tài)硫飽和度增加，巖心的滲透率減小，在相同含硫飽和度下，驅(qū)替壓差越大，巖心滲透率越大，液硫沉積對巖心的傷害越低。

2.3 液硫沉積對儲層滲透性傷害預(yù)測模型

對3號和4號巖心進行相同圍壓下液態(tài)硫飽和度對滲透率傷害進行擬合，獲取巖心的傷害率預(yù)測模型。3號和4號巖心滲透率傷害結(jié)果如表3和圖4所示。

通過實驗結(jié)果擬合可以看出，滲透率隨著硫沉積飽和度增加呈指數(shù)下降趨勢。巖心滲透率越低，硫沉積傷害越明顯。

3號巖心(I類儲層)無因次滲透率與含硫飽和度的關(guān)系為

表3 3號和4號巖心滲透率傷害實驗結(jié)果Table 3 Permeability damage test results of Cores 3 and Core 4

(1)

4號巖心(II類儲層)無因次滲透率與含硫飽和度的關(guān)系為

(2)

根據(jù)高含硫氣藏?zé)o因次滲透率與含液硫飽和度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可以求得兩類儲層不同含液硫飽和度的滲透率傷害程度，為高含硫氣藏液硫沉積的防治提供基礎(chǔ)。

3 液硫沉積后的微觀分布特征

為揭示硫沉積傷害微觀機理，利用掃描電鏡觀測了實驗后3號和4號巖心不同孔隙中單質(zhì)硫的分布形態(tài)及特征，結(jié)果如圖5所示。

由上述微觀圖片可以看出，在巖心孔隙中確實可以觀測硫沉積的存在，在孔隙中單質(zhì)硫以結(jié)晶體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。在不同類型的巖心不同孔徑中均有液態(tài)硫發(fā)生沉積，巖心中沉積的單質(zhì)硫粒徑主要分布在3～16 μm，結(jié)晶體形態(tài)為層狀累積，單結(jié)晶體邊界菱角不明顯。

圖4 3號、4號巖心無因次滲透率與含硫飽和度的關(guān)系Fig.4 Relationship between dimensionless permeability and sulfur saturation of Core 3 and Core 4

圖5 3號、4號巖心掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph of Core 3 and Core 4

4 結(jié)論

(1)建立了低于最大束縛硫含液硫飽和度實驗評價方法，測試I、II類巖心在不同溫度、壓力下的最大沉積硫能力。結(jié)果表明：相同地層壓力下，隨實驗溫度(120～160 ℃)增加，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力減弱；相同實驗溫度下，隨地層壓力的降低，液態(tài)硫在巖心中的沉積能力增加，含硫飽和度增加；相同條件下，巖心物性越差，液態(tài)硫的沉積能力越強。

(2)測定I、II類巖心在同一溫度、不同地層壓力下的含硫飽和度傷害程度，含硫飽和度增加，滲透率下降加快，總體來講，物性較好巖心傷害程度小于物性較差巖心。

(3)實驗后巖心硫沉積微觀實驗表明，在巖心不同孔隙中均發(fā)生硫沉積，單質(zhì)硫的粒徑主要分布在3～16 μm，結(jié)晶體形態(tài)為層狀累積，單結(jié)晶體邊界菱角不明顯。