高溫高壓氣井酸性氣體溢流運(yùn)移規(guī)律

中圖分類(lèi)號(hào)：TE28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-7393（2025）-02-0168-11

Abstract： Mostof teultradepgas wels inChinaarehightemperature，highpressureandhighsulfur.Theproblemssuchasunclear blowoutmechanismofacidgaswellsanddificult wellore presure inversionlead to geatchallngesinwellcontrol.Inoderto revealthecauses of acid gas wellblowout and clarifytheinfluenceof diferentacidgascontent on annulus fluidflow，this paper considers the influenceof solubilityand phase state changeonthe physical properties ofacid gas，uses the methodofquasicritical parameters insteadofcrticalparameterstoanalyzethevariationlawsofgasdnsityandsolubilityalong welldepthandetablishes an acid gas anulus flow model with dissolution phasechange effct.Four point diference was usedtoconstruct agrid solution modeltoexploreteflowcharacteristicsofanulargasafteroverflow，andthedistributionlawsofphysicalpropertiesofacidgas， wellbore pressre，tmperatureandotherparameterswithwelldepthwerediscussedTheresultsshowthathephysical propertiesof acidgaschangesignificantlywith welldepth： themoreacidgas inthe welbore，thesmalerthedeviation factor，the greaterthe density and viscosity， and the parameter changes near the pseudo critical point are more than 40% ; Compared with pure methane， the volume expansion of mixed fluid containing acid gas near the wellhead exceeds 20% ，and the flow rate increasesbymore than 10% resultinginincreasedwellcontrolrisk.Thestudyclarifiedthemigrationlawofacidgasoverflowinightemperatureandhigh presure gas wels，whichhas guiding significanceforoptimizingwellcontrol design，improving wellcontrolemergencyplan，nd formulating well killing measures.

Keywords：exploationdevelopnt;eeuitgegtecoloydrilln;setyepleoid

0 引言

酸性氣體含量較高的天然氣資源在我國(guó)分布廣泛、資源量巨大，主要集中在四川盆地和塔里木盆地，如四川的普光氣田和龍崗氣田［1]，塔里木油田的塔中、輪古作業(yè)區(qū)等［2]。目前天然氣資源累計(jì)探明儲(chǔ)量已超過(guò)1萬(wàn)億 m³ 。川東北氣田群（如普光氣田）的 H₂S 體積含量一般為 1%～13% ，局部層位可達(dá) 30% 以上[3]；新疆塔里木盆地塔中地區(qū)部分CO₂ 氣藏體積分?jǐn)?shù)較高，典型值為 10%～30% ，極端情況下（如火山伴生氣）可能超過(guò) 50% [4]。隨井深增加，高含酸性氣體的工況給井控安全帶來(lái)更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［5]。含酸性氣體的天然氣一旦發(fā)生氣侵，有極大概率引發(fā)嚴(yán)重事故，尤其以 CO₂ 和 H₂S 類(lèi)高壓酸性氣體侵入的危害最為嚴(yán)重［6]。高壓酸性氣體侵入井筒后，使環(huán)空流動(dòng)變得極為復(fù)雜，不僅存在著流態(tài)的變化，還伴隨有傳熱傳質(zhì)的發(fā)生和相態(tài)的變化［7]，給后續(xù)的井控作業(yè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[8]。因此亟待開(kāi)展超深井高溫高壓環(huán)境的酸性氣體溢流運(yùn)移規(guī)律研究，一方面可以通過(guò)對(duì)氣體性質(zhì)、相行為、運(yùn)移規(guī)律等的研究揭示酸性氣體易引發(fā)井噴的原因［9]，另一方面可以通過(guò)分析不同含量酸性氣體侵入環(huán)空后對(duì)環(huán)空流體流動(dòng)規(guī)律的影響確定合適的環(huán)空流動(dòng)參數(shù)，為實(shí)際鉆井提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而保障酸性氣藏安全高效開(kāi)發(fā)［10]。油氣井的開(kāi)采過(guò)程復(fù)雜且充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，其中油氣井溢流和酸性氣體污染問(wèn)題尤為突出，這些問(wèn)題不僅對(duì)油氣開(kāi)采效率產(chǎn)生影響，還可能對(duì)環(huán)境和人員安全造成嚴(yán)重威脅。

國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)針對(duì)油氣井溢流和酸性氣體污染開(kāi)展了諸多研究。2012年，Dou等[11］考慮了高硫氣體的特殊物理性質(zhì)及其在井筒中可能發(fā)生的相變，建立了高硫氣體溢流過(guò)程中井筒流動(dòng)和傳熱的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行了溫度、壓力與高硫氣體物理性質(zhì)參數(shù)的耦合，并提出求解方法；分析了沿井筒上升過(guò)程中，不同 H₂S 含量井筒壓力和氣體性質(zhì)，提出高含硫氣體容易導(dǎo)致井控問(wèn)題。2017年，魏納等［12]建立了考慮井筒和裂縫中 CO₂ 的溫度場(chǎng)模型來(lái)計(jì)算壓裂過(guò)程中流體相態(tài)的變化和流體熱物理參數(shù)的變化，分析了 CO₂ 的相態(tài)從液態(tài)到超臨界狀態(tài)變化出現(xiàn)的位置，發(fā)現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)變的位置會(huì)從并筒內(nèi)部向裂縫移動(dòng)。2018年，Sun等[13］針對(duì)酸性天然氣混合物溢流，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析研究了井筒中酸性氣體混合物的相變，但由于 H₂S 劇毒，只開(kāi)展了CO₂ 和 CH₄ 混合的實(shí)驗(yàn)。得出了超臨界相中的酸性天然氣混合物其物理性質(zhì)在臨界點(diǎn)附近會(huì)突然發(fā)生變化，在井筒中會(huì)導(dǎo)致大的體積膨脹，增加井噴風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)論。吳新明等［14]使用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)超臨界 CO₂ 在井筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)壓降和摩擦系數(shù)的變化進(jìn)行了研究，指出摩擦系數(shù)和壓降會(huì)隨著流量和壓力的增加而增加。2019年，Zaidin等［15]利用馬來(lái)西亞沙撈越盆地氣體和含水層鹽水成分的詳細(xì)信息，估算了馬來(lái)西亞沙撈越盆地在 423.15K 和36.0MPa下含水層儲(chǔ)層中的初始 CO₂ 溶解度。

可以發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)超臨界酸性氣體所開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)對(duì) CH₄ 、 CO₂ 以及其混合物的實(shí)驗(yàn)研究較多，但由于 H₂S 劇毒，針對(duì)超臨界 H₂S 以及 CO₂ H₂S 混合物的實(shí)驗(yàn)研究較少。針對(duì) H₂S 劇毒難以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，普遍使用的是仿真、數(shù)值模型研究等方法。從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前對(duì)酸性氣體溶解度的研究主要集中在計(jì)算氣體、混合氣體在水溶液中溶解度的范疇，而針對(duì)酸性氣體特別是H₂S 在有機(jī)溶劑中的溶解度研究較少。

在環(huán)空多相流方面，眾多學(xué)者也開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作［16]。2016年，李新等［17]針對(duì)復(fù)雜工況下井筒多相流的計(jì)算，基于漂移流理論和質(zhì)量守恒方程組建立了環(huán)空多相流計(jì)算模型，使用AUSMV格式進(jìn)行處理求解，并對(duì)不同影響因素進(jìn)行了計(jì)算分析。2016年，李江飛等［18]以PR狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，建立了一維可壓縮流體管道模型，并采用Matlab編程求解，通過(guò)流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果與天然氣管道實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比，揭示了管道中含 CO₂ 在多種穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下的管道沿線(xiàn)參數(shù)變化規(guī)律。2017年，魏納等［12]耦合井筒溫度、壓力與水合物分解的作用，針對(duì)海洋天然氣水合物鉆井，建立了井筒溫度、壓力、多相流以及水合物動(dòng)態(tài)傳質(zhì)分解模型。2017年，F(xiàn)aluomi等［19]采用了一種新的方法測(cè)量壓降和測(cè)量液體滯留量，來(lái)改善MAST的封閉關(guān)系。MAST是一種多相流模擬器，已經(jīng)通過(guò)TEASystem研發(fā)活動(dòng)收集的一系列實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。Zhou等［20]考慮了鉆井液中的氣體溶解度，提出一種可用于實(shí)時(shí)計(jì)算的多相流模型。Al-Safran［21]認(rèn)為現(xiàn)有的環(huán)空兩相流模型很少考慮液體黏度的影響，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)不佳。研究了液體黏度對(duì)垂直管流中兩相流模式的影響，針對(duì)不同的氣泡提出了2種氣泡流動(dòng)（BL）/分散氣泡流動(dòng)（DB）的流型轉(zhuǎn)變。孫士慧等[22]在計(jì)算流體力學(xué)和多相流的相關(guān)理論與研究方法的基礎(chǔ)上，建立了泡沫鉆井環(huán)空流動(dòng)模型，并使用模型分析了地層產(chǎn)水、產(chǎn)氣條件下，泡沫穩(wěn)定性、攜巖能力、井底壓力的變化情況。

學(xué)者們針對(duì)環(huán)空多相流的研究主要有仿真模擬和數(shù)值模擬，多以單組分為研究對(duì)象，但大多數(shù)研究未考慮 H₂S 侵入及鉆井液中酸性氣體溶解度對(duì)環(huán)空瞬態(tài)多相流的影響。小部分研究通過(guò)分析酸性氣體的相態(tài)來(lái)考慮酸性氣體的影響，但未討論其根本原因。研究建立了基于酸性氣體溶解度與臨界參數(shù)的流動(dòng)模型，采用四點(diǎn)差分格式求解，揭示了酸性氣體井口膨脹與流速變化規(guī)律，量化了 H₂S 對(duì)井控的顯著影響，為超深井井控安全提供理論支撐。

1基礎(chǔ)物性分析

1.1超臨界流體性質(zhì)

在物質(zhì)的相態(tài)劃分中，除了常規(guī)的液相區(qū)和氣相區(qū)外，還存在超臨界流體區(qū)。當(dāng)物質(zhì)的溫度和壓力同時(shí)超過(guò)其臨界參數(shù)時(shí)，就會(huì)進(jìn)入超臨界狀態(tài)，此時(shí)形成的特殊流體稱(chēng)為超臨界流體。這類(lèi)流體具有獨(dú)特的物理性質(zhì)：其密度接近于液態(tài)（約為氣體密度的 100～1000 倍），黏度卻接近氣態(tài)（比液體低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)），同時(shí)具有比液體更大的擴(kuò)散系數(shù)（約為液體的10～100倍）和介于氣液之間的導(dǎo)熱系數(shù)，如表1所示。這種介于氣體和液體之間的特殊性質(zhì)，使得超臨界流體在井筒上升過(guò)程中可能發(fā)生相變，引發(fā)壓力波動(dòng)，導(dǎo)致井控風(fēng)險(xiǎn)加劇。

表1超臨界流體特性 Table1 Supercritical fluid characteristics

1.2 擬臨界點(diǎn)

計(jì)算不同組分氣體的擬臨界參數(shù)見(jiàn)表2。在雙組分混合氣體中，隨著 CH₄ 體積分?jǐn)?shù)的升高，擬臨界溫度逐漸降低； CH₄?H₂S 體系的擬臨界壓力隨著CH₄ 含量的升高而升高， CH₄-CO₂ 體系的擬臨界壓力隨著 CH₄ 含量的升高而略有降低。三組分混合氣體中，隨著 CO₂ 含量的增加，擬臨界溫度進(jìn)一步降低，擬臨界壓力只有輕微下降。

表2不同組分混合氣體的擬臨界參數(shù)Table 2Quasi-critical parameters of gas mixtures ofdifferent components

1.3酸性氣體溶解度

研究采用陳祥瑞等［23]提出的狀態(tài)方程法計(jì)算得出溶解度隨井深的變化如圖1所示。該圖揭示了H₂S，CO₂ 和 CH₄ 這3種氣體在井深 0～11km 范圍內(nèi)隨溫壓條件變化的溶解度特征。從曲線(xiàn)變化趨勢(shì)可以看出， H₂S 溶解度隨深度增加呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，尤其在 5km 以上井深顯著增強(qiáng)，這主要?dú)w因于高溫高壓條件下 H₂S 在流體中的溶解能力提升以及可能的硫化物礦物溶解作用； CO₂ 溶解度則表現(xiàn)出沿井深持續(xù)升高，但數(shù)值遠(yuǎn)小于 H₂S 的特征，反映了中深部溫壓條件對(duì) CO₂ 溶解度的協(xié)同優(yōu)化效應(yīng)，而更深部的高溫環(huán)境則導(dǎo)致 CO₂ 溶解度下降；CH₄ 溶解度整體呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，但在 8km 以上井深增速明顯放緩，這與超深層條件下甲烷在流體中的溶解達(dá)到近飽和狀態(tài)有關(guān)。

圖1氣體在井筒溫度和壓力條件下的溶解度 Fig.1Solubility of the gases under wellbore temperature and pressureconditions

2酸性氣體環(huán)空流動(dòng)模型

考慮氣體溶解度建立酸性氣體環(huán)空流動(dòng)模型，模型的基本假設(shè)為：（1）環(huán)空中的流體流動(dòng)是一維且連續(xù)的；（2）環(huán)空內(nèi)壁為剛體，不考慮異常高壓、井漏、井塌等復(fù)雜情況；（3）從地層侵入井筒的流體為氣體，忽略地層水和油的侵入；（4）環(huán)空中的流體彼此不發(fā)生反應(yīng)，只存在物理變化，不存在化學(xué)變化；（5）忽略流體相變引起的熱量變化，忽略其他熱源項(xiàng)的影響；（6忽略鉆井液釋放的酸性天然氣混合物與儲(chǔ)層產(chǎn)生的酸性天然氣混合物之間的差異。

2.1 質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程

建立氣相在多孔介質(zhì)中的質(zhì)量與能量輸運(yùn)模型，采用柱坐標(biāo)系 （r，z） 進(jìn)行建模，取環(huán)空向上流動(dòng)方向?yàn)檎较颍瑱M截面積為 A ，取微元段 dz 進(jìn)行分析。根據(jù)質(zhì)量守恒定律：流入氣體 + 地層產(chǎn)生氣體 + 鉆井液釋放氣體-流出氣體 總變化量。各項(xiàng)表達(dá)式見(jiàn)表3。

混合酸性氣體的連續(xù)性方程為

液相連續(xù)性方程為

式中： ρ_g 為自由氣密度， kg/m³ ： E_g 為自由氣體積分?jǐn)?shù)； A 為環(huán)空截面積， m² u_g 為自由氣上返速度，m/s B 為液體體積分?jǐn)?shù)； u₁ 為液相上返速度， m/s E₁ 為液相體積分?jǐn)?shù)； R_ls 為氣體在鉆井液中的溶解度， m³/m³ ρ_gs 為標(biāo)準(zhǔn)條件下氣體密度， kg/m³ ： q_g 為單位時(shí)間內(nèi)單位深度的儲(chǔ)層產(chǎn)出氣體質(zhì)量， kg/（m?s） ρ_l 為液相密度， kg/m³ 。

表3 dz 微元體的質(zhì)量分量 Table3Masscomponents of dz cell

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，流體的質(zhì)量、加速度、流體與井筒壁之間的黏性摩擦以及微元體中酸性氣體混合物與鉆井液之間的動(dòng)量交換是守恒的，從而得到總的動(dòng)量方程表達(dá)式為

式中： P 為絕對(duì)壓力， MPa F_r 為環(huán)空摩阻， MPa 。

2.2 輔助方程

（1）漂移流模型物理方程為

u_g=C₀[ν_gE_g+ν_l（1-E_g）]+ν_rg

（2）氣相狀態(tài)方程為

（3）Ferroudji等［24]的研究理論綜合考慮了多種影響因素，能夠反映實(shí)際工況下的流體流動(dòng)特性，流動(dòng)模式判別式和摩擦力計(jì)算公式見(jiàn)表4。

（4）酸性天然氣壓縮系數(shù)。當(dāng)壓力小于 35MPa 時(shí)酸性天然氣壓縮系數(shù)表達(dá)式為

當(dāng)壓力大于等于 35MPa 時(shí)，擬臨界密度 ?ρ_pr 、擬臨界溫度 T_pr 和擬臨界壓力 P_pr 表達(dá)式為

表4流型判別式及摩擦力計(jì)算公式 Table4Flow pattern discriminant and friction calculation formula

壓縮系數(shù) Z 的表達(dá)式為

（90.7t-242.2t²+42.4t³）ρ_pr（1.18+2.82t）

其中

式中： C₀ 為氣體分布系數(shù)； u_rg 為氣相漂移速度，m/s;Z 為壓縮系數(shù)； T 為絕對(duì)溫度，K； u_sg 為氣相表觀(guān)速度， m/s u_sl 為液相表觀(guān)速度， m/s u_0∞ 為氣泡上升極限速度， m/s;σ 為氣液表面張力， N/m ： T_c 為氣體臨界溫度，K； P_c 為氣體臨界壓力， MPa t 為溢流時(shí)間，s; T_pr 為氣體擬臨界溫度，K; P_pr 為氣體擬臨界壓力， MPa ρ_pr 為擬臨界密度， kg/m³ 。

2.3 定解條件

初始條件為環(huán)空在初始時(shí)刻的流體流動(dòng)狀態(tài)和壓力分布情況，當(dāng) t=0 ，環(huán)空無(wú)酸性氣體侵入，環(huán)空中流體為單向流；通過(guò)邊界條件確定任意時(shí)刻的環(huán)空內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)和壓力分布情況。初始條件和邊界條件如表5所示。

表5初始條件和邊界條件 Table5：Initial and boundary conditions

注： P（t，N） 為井口節(jié)點(diǎn)壓力， MPa 。

3 模型求解

3.1 網(wǎng)格劃分

下面描述了空間和時(shí)間域的網(wǎng)格劃分方法：在空間域中，采用固定步長(zhǎng)的劃分方法，將整個(gè)求解域劃分為多個(gè)網(wǎng)格。具體而言，空間步長(zhǎng)由相鄰節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)差值確定，而總的空間網(wǎng)格數(shù)則通過(guò)累加所有空間步長(zhǎng)的倒數(shù)并取整得到。在時(shí)間域中，可以使用非均勻步長(zhǎng)劃分方法。時(shí)間步長(zhǎng)的計(jì)算基于空間步長(zhǎng)與當(dāng)前網(wǎng)格內(nèi)流體流速的比值，從而保證數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性與精度。最終，整個(gè)時(shí)間域的總網(wǎng)格數(shù)可通過(guò)累加所有時(shí)間步長(zhǎng)的倒數(shù)并取整來(lái)確定。

3.2 差分方程

（1）氣相和液相連續(xù)性方程。在氣相連續(xù)性方程中，主要考慮了氣體壓縮系數(shù)的變化、孔隙體積、氣體密度及滲流速度的影響。通過(guò)離散化處理，方程右側(cè)包含了相鄰網(wǎng)格單元 （j 和 j+1_， 處的氣相質(zhì)量通量項(xiàng)，以及原有項(xiàng)的時(shí)間步長(zhǎng)平均值，從而確保數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性。

液相連續(xù)性方程的差分形式具有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，其中液體密度、孔隙度及壓縮系數(shù)的變化決定了流體質(zhì)量守恒特性。該方程通過(guò)有限差分方法對(duì)質(zhì)量通量進(jìn)行離散化，以保證計(jì)算精度，并為流體流動(dòng)的數(shù)值求解提供可靠的理論基礎(chǔ)。

（2）動(dòng)量方程。動(dòng)量方程的差分格式為

p_j+1ⁿ⁺¹-p_jⁿ⁺¹=T_A+T_B+T_C+T_D

其中

（3）定解條件。初始條件和邊界條件的離散如表6所示。

表6初始條件和邊界條件的離散 Table6 Dispersion of initial conditions and boundary conditions

3.3 求解流程

對(duì)方程進(jìn)行離散化后，得到酸性氣體環(huán)流模型氣液連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的差分方程。本研究采用四點(diǎn)差分格式的差分網(wǎng)格逐步求解差分方程，如圖2所示。圖中，“O”是已知參數(shù)。

圖2四點(diǎn)差分格式網(wǎng)格劃分 Fig.2 Grid division diagram of the four-point difference scheme

以圖中節(jié)點(diǎn)4各流量參數(shù)的計(jì)算為例，具體計(jì)算過(guò)程為：（1）估計(jì)第4節(jié)點(diǎn)的壓力值 P₄ ；（2）根據(jù)估計(jì)壓力，使用PVT狀態(tài)方程（6計(jì)算第4節(jié)點(diǎn)的氣體密度 ρ_g4 ;（3）估計(jì)第4節(jié)點(diǎn)的氣體含量 E_g4 ; （4）根據(jù)氣體含量的估計(jì)值，使用氣體和液體連續(xù)性方程（1）和（2）計(jì)算氣體和液體流速 u_g 和 u_l ;（5）基于氣體和液體流速，采用漂移流方程（4）計(jì)算節(jié)點(diǎn)4的氣體含量 E_g4^′′ ；（6）對(duì)計(jì)算出的氣體含量進(jìn)行誤差分析，如果 |E_g4-E_g4^′|lt;ε ，則步驟（3）中的估計(jì)值是合理的，繼續(xù)執(zhí)行步驟；（7）否則重新估計(jì)氣體含量，重復(fù)步驟（3）～（6）中的計(jì)算，直到達(dá)到所需的精度;（8）基于氣液流速和氣體含量，采用混合動(dòng)量方程（10）計(jì)算節(jié)點(diǎn)4的壓力 P₄^′ ，將節(jié)點(diǎn)4處的計(jì)算壓力與步驟（1）中的估計(jì)壓力進(jìn)行比較；如果 |P₄-P₄^′|lt;ε 則估計(jì)壓力合理，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算完成，節(jié)點(diǎn)上計(jì)算的滲流參數(shù)用作下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的已知條件；如果 |P₄-P₄^′|gt;ε 則必須重新估計(jì)壓力，重復(fù)計(jì)算步驟，直到壓力計(jì)算誤差滿(mǎn)足精度要求；（9）對(duì)整個(gè)時(shí)域和空間域重復(fù)此迭代過(guò)程，直到求解得到所有節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)參數(shù)。

3.4 模型驗(yàn)證

當(dāng)酸性氣體發(fā)生溢流時(shí)，由于其本身具有毒性，數(shù)據(jù)收集危險(xiǎn)系數(shù)大，故研究通過(guò)與以往的計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。孫寶江［8]對(duì)某高含H₂S 的氣井進(jìn)行了氣侵溢流的計(jì)算模擬，其計(jì)算精度較高，因此選取該模型與本文模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比不同溢流時(shí)長(zhǎng) （20，100，160min） 下環(huán)空壓力隨井深的變化趨勢(shì)（圖3a）可知，本文模型與孫寶江模型所計(jì)算的環(huán)空壓力均隨井深增加呈近似線(xiàn)性增長(zhǎng)，并且溢流時(shí)間對(duì)環(huán)空壓力的影響顯著，表現(xiàn)為溢流時(shí)間越長(zhǎng)，環(huán)空壓力整體越低。在相同井深條件下，隨著溢流時(shí)間從 20min 增加至 160min 環(huán)空壓力持續(xù)降低，表明氣體侵入井筒后，井筒內(nèi)壓力累積效應(yīng)明顯。通過(guò)對(duì)比不同 H₂S 體積分?jǐn)?shù)（0%10%30%50%） 條件下，溢流過(guò)程中鉆井液排量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)（圖3b）可知，隨著溢流時(shí)間的增加，鉆井液排量呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)，且 H₂S 含量越高，鉆井液排量增加越快。這表明酸性氣體的存在加劇了氣侵對(duì)井筒流體動(dòng)力學(xué)的影響，導(dǎo)致更劇烈的鉆井液排替效應(yīng)。

2種計(jì)算結(jié)果均表明，本研究模型計(jì)算精度較高，與孫寶江模型相比，最大誤差為 1±5% ，驗(yàn)證了本研究所構(gòu)建的酸性氣體環(huán)空流動(dòng)模型的準(zhǔn)確性。

4計(jì)算實(shí)例

4.1 基本參數(shù)

采用塔里木油田的某油井作為研究計(jì)算的基礎(chǔ)，該井的設(shè)計(jì)深度為 11 100m ，一開(kāi)井深1500m、二開(kāi)井深 5900m， 三開(kāi)井深 8000m. 、四開(kāi)井深10 000m 、五開(kāi)井深 11 100m 。采用鉆頭外徑θ168.3mm 作為環(huán)空外徑，以鉆柱外徑0101.6mm 作為環(huán)空內(nèi)徑；五開(kāi)時(shí)井內(nèi)鉆具組合為：0168.3mm 鉆頭 + 螺桿鉆具 ×9m+ 浮閥 ×0.5m+0127mm 螺旋鉆 ×189m+O101.6mm 加重鉆桿 ×144m+ 0101.6mm 斜坡鉆桿 （S135I）×3000m+?101.6mm 斜坡鉆桿 （V150）×2000m+O149.2mm 斜坡鉆桿（V150I）×3057m+?149.2mm 斜坡鉆桿 （V150）× 2700m 。基本輸入?yún)?shù)如表7所示。

表7基本輸入?yún)?shù)Table 7Basic input parameters

4.2酸性氣體性質(zhì)隨井深變化研究

氣體壓縮系數(shù)能有效反映氣體的非理想行為，例如氣體體積、熱力學(xué)性質(zhì)和壓強(qiáng)非線(xiàn)性等。特別是在不同氣體組成下，可以幫助分析氣體在深度變化中的性質(zhì)變化，因此將氣體壓縮系數(shù)作為首要對(duì)比指標(biāo)進(jìn)行分析。圖4為不同組分混合酸性氣體壓縮系數(shù)隨井深的變化趨勢(shì)圖，可以發(fā)現(xiàn)氣體成分的變化，尤其是 H₂S 和 CO₂ 的不同組合，會(huì)對(duì)壓縮系數(shù)的變化產(chǎn)生顯著影響， H₂S 和 CO₂ 含量越多，其壓縮系數(shù)在擬臨界點(diǎn)附近變化越劇烈，且最小值點(diǎn)有向井口移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖4不同組分混合酸性氣體壓縮系數(shù)Fig.4Deviationfactorsofacidicgasmixedwithdifferent components

從圖4（a）可知，體積分?jǐn)?shù) 20% ， 30% ！ 40% 的H₂S 曲線(xiàn)差別較為明顯，壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。相比之下，隨著 CO₂ 體積分?jǐn)?shù)的增加，壓縮系數(shù)同樣呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，但不同組分曲線(xiàn)之間的間隔明顯減小，這表明 H₂S 對(duì)壓縮系數(shù)的影響比 CO₂ 更為顯著。從圖4（b）可知，無(wú)論是單一 CH₄ 氣體還是混合組分氣體，其壓縮系數(shù)隨井深的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，且混合組分氣體的壓縮系數(shù)在不同井深均小于純 CH₄ 氣體，不同H₂S 和 CO₂ 比例的3條曲線(xiàn)基本重合，說(shuō)明不同H₂S 和 CO₂ 的比例對(duì)壓縮系數(shù)的影響并不明顯，CH₄ 體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)壓縮系數(shù)產(chǎn)生的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 H₂S 和 CO₂ 。

如圖5所示為不同體積分?jǐn)?shù)的混合酸性氣體物性（密度、黏度）隨井深變化趨勢(shì)曲線(xiàn)。由圖5（a）可知，隨著深度的增加，不同組分氣體的密度逐漸上升，并在達(dá)到一定深度后趨于平穩(wěn)，這表明深度對(duì)密度的影響是循序漸進(jìn)的。單一氣體 CH₄ 的密度曲線(xiàn)增長(zhǎng)最為平緩，密度的增速相對(duì)較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他混合組分氣體。含有 H₂S 和 CO₂ 的混合氣體的密度曲線(xiàn)均表現(xiàn)出相對(duì)較快的上升趨勢(shì)，不同體積分?jǐn)?shù)的 H₂S 和 CO₂ 增速有所不同，當(dāng)氣體中CO₂ 的比例較高時(shí)，密度隨井深的增速更為顯著。H₂S 和 CO₂ 的加入加速了氣體的密度增加，與氣體的物理特性及其在高深度條件下的相互作用有關(guān)。由圖5（b）可知，隨著深度的增加，不同組分氣體的黏度均逐漸上升，并在較大深度時(shí)趨于平穩(wěn)。單一氣體 CH₄ 的黏度曲線(xiàn)增長(zhǎng)最為平緩，密度的增速相對(duì)較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他混合組分氣體。在對(duì)比不同氣體組成的影響時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，含有 H₂S 和 CO₂ 的混合氣體的黏度曲線(xiàn)呈現(xiàn)出比單一氣體 CH₄ 更為明顯的上升趨勢(shì)，尤其是氣體中 CO₂ 的比例較高時(shí)，黏度的增速更加顯著。研究結(jié)果表明， H₂S 和CO₂ 的加入顯著提高了氣體的黏度。

總體而言，氣體的組分特別是 H₂S 和 CO₂ 的比例對(duì)密度和黏度的影響較大。隨著 CO₂ 含量的增加，氣體的密度和黏度上升的速度更快，顯示出這些氣體在較深層環(huán)境下對(duì)物理性質(zhì)的顯著影響。因此，在環(huán)空氣體運(yùn)移研究中，氣體的組成，尤其是酸性氣體的含量，應(yīng)被視為影響氣體密度和黏度變化的關(guān)鍵因素。

4.3酸性氣體環(huán)空運(yùn)移規(guī)律研究

混合酸性氣體體積與井筒環(huán)空體積的比值隨井深變化規(guī)律如圖6所示。由圖6（a）可知，體積比由井底至井口呈現(xiàn)出明顯的升高趨勢(shì)，并且在井口處上升速度較快。在不同氣體組合的對(duì)比中， 100% CH₄ 的體積比曲線(xiàn)上升最緩，表明純 CH₄ 氣體在由井底至井口運(yùn)移時(shí)的體積膨脹相對(duì)較小。在含有H₂S 的混合氣體中，體積比上升速度比單一 CH₄ 更快，含量越高上升越快。這是因?yàn)?H₂S 的存在對(duì)氣體的擴(kuò)散性和穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大影響，導(dǎo)致混合氣體體積較快膨脹。從圖6（b）可以看出， H₂S 體積含量較高的混合氣體在體積膨脹時(shí)井深更小，膨脹速度更快，在到達(dá)井口時(shí) H₂S 含量較高的混合氣體體積比大于 CO₂ 含量較高的混合氣體。這是由于H₂S 溶解度比 CO₂ 大，析出的時(shí)間更晚，其壓縮系數(shù)比 CO₂ 更小，所以體積膨脹更大。

圖5不同組分混合酸性氣體特性Fig.5Characteristics of acidic gas mixed withdifferent components

因此，混合氣體的組分，特別是 H₂S 的比例，對(duì)氣體體積膨脹有顯著影響。隨著 H₂S 體積含量的增加，氣體體積與井筒環(huán)空體積的比值在由井底至井口運(yùn)移過(guò)程中上升得更快。

不同體積分?jǐn)?shù)混合酸性氣體流速隨井深變化趨勢(shì)如圖7所示，混合酸性氣體流速一直大于單一CH₄ 的氣體流速，尤其在井口附近增加更快。 H₂S 體積含量較高的混合氣體流速在井深 200～800m 增長(zhǎng)稍慢，但在井深 140m 左右增長(zhǎng)開(kāi)始變快，超過(guò)了 CO₂ 體積含量較高的混合氣體流速。這是因?yàn)樗嵝詺怏w含量越高，超臨界狀態(tài)下的壓縮系數(shù)越小，氣體性質(zhì)在臨界點(diǎn)附近變化更加劇烈。

圖6不同組分混合酸性氣體體積與環(huán)空體積比 Fig.6Volume ratio of mixed acid gas with different componentsto annulusvolume

圖7不同組分混合酸性氣體流速Fig.7Flow rate of acidic gas mixed withdifferent components

如圖8所示為雙組分混合酸性氣體侵入后井筒壓力變化曲線(xiàn)。由圖8（a）可知，不同組分混合酸性流體的井底壓力隨著溢流時(shí)間增加均急劇下降，但CH₄，H₂S 混合組比 CH₄，CO₂ 混合組井底壓力急劇下降的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)得更晚，且井底壓力下降幅度更大。這是由于 H₂S 比 CO₂ 溶解度更大，在井筒中析出的時(shí)間更晚。且由于 CH₄，H₂S 混合氣體的壓縮系數(shù)在臨界點(diǎn)比 CH₄ ， CO₂ 混合氣體的更小，在井口處氣體膨脹更為劇烈，導(dǎo)致井筒液柱壓力進(jìn)一步降低。因此， H₂S 溢流引起的井底壓降較大。由圖8（b）可知，單一 CH₄ 組分流體溢流情況下井筒環(huán)空壓力隨井深的增加而呈現(xiàn)線(xiàn)性增加的趨勢(shì)，而含H₂S 和 CO₂ 組分的混合酸性氣體在近井口處環(huán)空壓降梯度會(huì)呈現(xiàn)增大的變化，這是因?yàn)楹嵝詺怏w的組分使超臨界點(diǎn)壓縮系數(shù)變小，因此隨著井口附近溫度和壓力的降低，含酸性氣體的組分膨脹得更加劇烈，導(dǎo)致溢流加劇，井筒壓力下降程度更大。

圖8 雙組分混合酸性氣體侵入后井筒壓力變化 Fig. 8Change of wellbore pressure after intrusion of two-component mixed acid gas

油氣井開(kāi)采過(guò)程中，氣體組分的變化對(duì)井底壓力和井筒壓力的變化規(guī)律具有顯著影響。特別是酸性氣體 H₂S 和 CO₂ 的存在，對(duì)壓力變化的影響更為顯著。在時(shí)間上， H₂S 的存在導(dǎo)致壓力下降更快；在深度上，氣體中 H₂S 和 CO₂ 的含量增加會(huì)加劇井底壓力的上升。因此，氣體成分的變化不僅影響氣體的短期壓力變化，也影響其在深度上的長(zhǎng)期壓強(qiáng)分布，表明氣體成分對(duì)井底壓力和井筒壓力的變化規(guī)律有顯著影響。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)研究特高壓井酸性氣體溢流的運(yùn)移規(guī)律，建立考慮溶解度和相變效應(yīng)的酸性氣體環(huán)空流動(dòng)模型，分析不同酸性氣體成分及其比例變化對(duì)井筒氣體流動(dòng)特性、物理性質(zhì)和壓力變化的影響。酸性氣體的壓縮系數(shù)隨井深增加而減小，密度和黏度逐漸增大，在擬臨界點(diǎn)附近的變化較為劇烈，表明酸性氣體在深層環(huán)境下的物理性質(zhì)變化顯著。

（2）與純 CH₄ 相比，含有 H₂S 和 CO₂ 的混合酸性氣體在井口附近膨脹更劇烈，流速增加更快，特別是 H₂S 氣體對(duì)井控的影響最大， CO₂ 次之， CH₄ 影響最小。高比例的酸性氣體（尤其是 H₂S 的存在會(huì)顯著增加井底壓力下降的速度，且體積膨脹效應(yīng)更加顯著，導(dǎo)致井控難度增大，井噴風(fēng)險(xiǎn)加劇。（③）建議今后研究應(yīng)進(jìn)一步探索酸性氣體在超臨界狀態(tài)下的溶解度變化和物理性質(zhì)變化，重點(diǎn)關(guān)注高溫高壓環(huán)境中的溶解度對(duì)氣體流動(dòng)行為的影響，并優(yōu)化現(xiàn)有的并控設(shè)計(jì)和應(yīng)急措施。

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（收稿日期：2024-11-16；修回日期：2025-01-04）

[編輯李春燕]