顧少華 石志良 胡向陽 史云清 秦世江 郭 肖

1.中國石化海相油氣田開發(fā)重點實驗室 2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院3.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

0 引言

我國含硫天然氣資源豐富且擁有數(shù)量較多的高含硫氣藏，如四川盆地東北地區(qū)的普光氣田下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組及上二疊統(tǒng)長興組氣藏、渡口河氣田飛仙關(guān)組氣藏、羅家寨氣田飛仙關(guān)組鮞灘氣藏[1-3]，以及川北地區(qū)的元壩長興組氣藏[4]。根據(jù)前人的研究成果，物理/化學(xué)作用后硫可溶解于酸性氣體中。高含硫酸性氣藏在開采過程中，隨壓力和溫度變化，酸氣溶解硫的能力逐漸下降。當(dāng)氣體中硫含量達到過飽和時，元素硫會逐漸析出[5-7]。

酸性氣藏存在硫析出現(xiàn)象，析出的硫又會因溫度的高低分別呈液態(tài)和固態(tài)，發(fā)生在多孔介質(zhì)中則會影響氣體流動。因此，高含硫氣藏在開采過程中存在著多相滲流問題，導(dǎo)致其流動機理異常復(fù)雜，對氣井生產(chǎn)的影響難以判別[8-10]。之前酸氣中硫析出研究主要針對硫以固態(tài)形式析出[11-13]。這是因為先期開發(fā)的酸性氣藏普遍埋深較淺，地層溫度難以達到硫熔點（115.21 ℃），析出的硫在地層中以固態(tài)形式出現(xiàn)。隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進步，埋深超過6 000 m的超深氣藏（如四川盆地元壩長興組氣藏等）相繼投入開發(fā)，地層溫度達到硫熔點，導(dǎo)致析出的硫以液態(tài)形式存在[14-15]。隨著析出的液硫不斷聚集，將對儲層滲透性造成傷害，從而降低氣井產(chǎn)能，影響氣藏的開發(fā)效果[16-17]。目前針對氣—液硫兩相滲流的研究多從理論方面考慮，而缺乏實驗數(shù)據(jù)的驗證。

由于氣—液硫同流現(xiàn)象在近期發(fā)現(xiàn)，而目前還沒有能夠完成氣—液硫兩相驅(qū)替實驗的現(xiàn)成裝置和測試工藝，要進行氣—液硫兩相驅(qū)替實驗，還面臨一系列技術(shù)難點。首先，為使硫以液態(tài)形式流動，液硫從制備到驅(qū)替全過程的溫度都需高于硫熔點；其次，液硫易與空氣反應(yīng)，一旦在高溫環(huán)境下與空氣接觸會劇烈氧化生成二氧化硫，導(dǎo)致硫質(zhì)量減少而產(chǎn)生較大測試誤差，同時又會對實驗人員的健康造成嚴(yán)重危害，因此必須實現(xiàn)全程密封；最后，實驗過程中液硫易發(fā)生凝固，從而嚴(yán)重損毀設(shè)備和管材。由此可見，氣—液硫兩相驅(qū)替實驗的難度和危險并存，導(dǎo)致該技術(shù)的研究門檻極高，實驗成本高昂，相關(guān)研究成果稀少，對氣—液硫兩相滲流特征缺乏規(guī)律性認識。鑒于上述狀況，筆者研制了一套適用于高溫高壓條件下氣—液硫兩相驅(qū)替實時測試裝置，并制訂了相應(yīng)的測試流程，選取元壩氣田的取樣巖心，開展了氣—液硫兩相驅(qū)替實驗，并采用非穩(wěn)態(tài)法對相對滲透率實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到了氣—液硫相對滲透率曲線，實現(xiàn)了對氣—液硫兩相滲流規(guī)律的定量化研究，可用于超深含硫氣井的產(chǎn)能評價。

1 實驗裝置

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、回壓控制器）、儲集系統(tǒng)（儲氮氣罐、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、氣體計量器、計算機）、壓力監(jiān)測系統(tǒng)（回壓壓力表、增壓泵/圍壓泵自帶壓力表）以及控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件組成（圖1）。該裝置的主要性能和技術(shù)指標(biāo)如下：驅(qū)替壓力為25 MPa，流量為0.000 1～25 mL/min，圍壓為80 MPa，出口回壓為20 MPa，工作溫度為150 ℃。

圖1 實驗裝置示意圖

該實驗裝置針對氣—液硫相滲測試中的難點進行了全面考慮。首先，為解決液硫堵塞問題，在開始實驗時將儲硫中間容器和巖心夾持器置于恒溫箱中，將溫度加熱至150 ℃，以保證硫在管線中保持液態(tài)形式。而由于高精度天平難以承受高溫，必須將其置于恒溫箱外。為使連接巖心夾持器與液硫收集容量瓶的管線內(nèi)的硫不發(fā)生凝固，可在管線外裹上絕緣電熱絲并加熱至150 ℃，以妥善解決因液硫凝固產(chǎn)生的堵塞問題。其次，由于液硫易與空氣反應(yīng)產(chǎn)生二氧化硫，進而對測試精度及實驗人員的健康產(chǎn)生不利影響，在本實驗中將實驗氣體替換為氮氣，并持續(xù)使用強排氣扇以保持實驗室通風(fēng)，并在測試過程中采用自動計量及遠程監(jiān)測技術(shù)，以有效減少實驗人員與測試裝置的接觸，防止實驗人員二氧化硫中毒的發(fā)生。最后，針對液硫易發(fā)生凝固而損耗設(shè)備和管材的問題，也采取了以下手段：①針對巖心夾持器內(nèi)橡膠筒與高溫液硫反應(yīng)導(dǎo)致橡膠筒性能改變的問題，批量采購大量備用密封橡膠筒，每做完一組巖心驅(qū)替實驗應(yīng)立即更換橡膠筒；②針對液硫凝固在設(shè)備中的問題，準(zhǔn)備二硫化碳溶硫劑進行清洗，由于該溶硫劑有惡臭氣味，清洗時需佩戴隔絕式防毒面具。通過對上述系列技術(shù)的改進，有效解決了氣—液硫?qū)嶒灻媾R的困難，使氣—液硫驅(qū)替實驗的順利開展得以實現(xiàn)。

2 實驗設(shè)計

2.1 測試流程

基于改進的實驗裝置，需制訂相應(yīng)的實驗流程與之配套，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28912—2012[18]，同時針對某些步驟進行了修改。

2.1.1 巖心的選取與處理

制備直徑為2.50 cm的巖心，其長度不小于直徑的1.5倍，按照上述標(biāo)準(zhǔn)對巖心樣本進行抽提、清洗及烘干，然后測量巖心樣本的長度、直徑、孔隙度及滲透率。

2.1.2 液硫的制備和實驗氣體的選取

將硫粉裝滿儲硫中間容器（以下簡稱中間容器），開動恒溫箱對其加熱，將硫粉制備成液態(tài)硫。由于硫粉變成液態(tài)硫后體積變小，故應(yīng)選用大型中間容器以便盡可能多裝入硫粉，以保證制備出充足的液態(tài)硫。因為液硫在高溫高壓的空氣環(huán)境中可自燃，由此選取氮氣作為驅(qū)替氣體，利用增壓泵將其注入儲氮氣罐。在進行液硫驅(qū)替時，將氮氣泵入巖心夾持器以驅(qū)出巖心中飽和的液硫。

2.1.3 巖心飽和液硫

待裝液硫的中間容器冷卻后，將其移至恒溫箱內(nèi)，同時將巖心夾持器、回壓閥也置于恒溫箱內(nèi)，需使用管線將回壓閥接至恒溫箱外的液硫收集容量瓶，并利用絕緣電熱絲對處于恒溫箱外的管線進行加熱，防止液硫遇冷凝固而堵塞管路；將恒溫箱內(nèi)部溫度升至150 ℃，回壓閥以及相關(guān)管路的電加熱絲溫度亦升至150 ℃，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。

2.1.4 氣—液硫兩相物理驅(qū)替實驗

為保證驅(qū)替過程中液硫不會凝固而堵塞管線及巖心，整個驅(qū)替管線應(yīng)保持150 ℃的高溫。開啟驅(qū)替泵，使用氮氣驅(qū)替巖心中的液態(tài)硫，直至液硫收集瓶內(nèi)的液體出口端不再出現(xiàn)液態(tài)硫，此時驅(qū)替過程結(jié)束。將驅(qū)替出的氣體和液體進行氣液分離，計量氣體流量及液硫質(zhì)量，并記錄驅(qū)替時巖心兩端的進、出口壓力。

2.2 測試方案

選取四川盆地元壩氣田的取樣巖心，采用超低滲氣體滲透率儀對所取巖心進行滲透率、孔隙度測試，如表1所示。

表1 巖心測試數(shù)據(jù)表

為研究氣—液硫兩相相滲曲線特征及其影響因素，針對不同巖心開展氣—液硫兩相物理驅(qū)替實驗（各組實驗的溫度皆全程保持在150 ℃），實驗條件如表2所示。

2.3 非穩(wěn)態(tài)法相對滲透率實驗數(shù)據(jù)處理方法

非穩(wěn)態(tài)法依據(jù)Buckley和Leverett[19]提出的一維兩相驅(qū)替前沿推進理論，認為在兩相驅(qū)替過程中，氣、液硫飽和度是驅(qū)替時間和距離的函數(shù)，由于氣、液硫的相對滲透率隨其飽和度變化而變化，氣、液硫在巖心某橫截面上的流量也隨時間不同而變化。因此，只要在驅(qū)替過程中準(zhǔn)確記錄壓力及氣、液硫流量的變化，便可計算出兩相相對滲透率，具體計算方法如下。

氣體通過巖心，進口處壓力為p1，出口處壓力為p2，氣體體積發(fā)生變化，必須采用平均體積流量。將巖樣出口壓力（p2）下測量的流體總產(chǎn)量修正為巖樣平均壓力下的數(shù)值，即

表2 氣—液硫兩相物理驅(qū)替實驗條件數(shù)據(jù)表

式中Vi表示i時刻的流體（含液硫和氣）產(chǎn)量，mL；Vi－1表示（i－1）時刻的流體產(chǎn)量，mL；ΔVsi表示（i－1）時刻到i時刻的液硫增量，mL；pa表示大氣壓，MPa；Δp表示驅(qū)替壓差（即p1和p2的差值），MPa；ΔVgi表示大氣壓下測得的某時間間隔對應(yīng)的氣增量，mL。

將流體總產(chǎn)量修正后，采用式（2）、（3）、（4）、（5）計算非穩(wěn)態(tài)氣、液硫相對滲透率，其中氣體為驅(qū)替相，液硫為被驅(qū)替相。

式中fs(Sg)表示含液硫率，無量綱；表示累積產(chǎn)出液硫量與孔隙體積的比值，無量綱；表示液硫和氣的總產(chǎn)出量與孔隙體積的比值，無量綱；Krs表示液硫相對滲透率，無量綱；I表示相對注入能力（即流動能力比），無量綱；Q(t)表示t時刻巖心出口端液硫流量，cm3/s；Qs表示初始時刻巖心出口端液硫流量，cm3/s；Δp0表示初始時刻驅(qū)替壓差，MPa；Δp(t)表示t時刻驅(qū)替壓差，MPa；Krg表示氣相相對滲透率，無量綱；μg表示氣體黏度，mPa·s；μs表示液硫黏度，mPa·s。

3 測試結(jié)果

3.1 氣—液硫相滲曲線形態(tài)特征

1號巖心的氣—液硫相滲曲線說明液硫產(chǎn)生后氣相相對滲透率大幅下降，而液硫相對滲透率緩慢上升，液硫最大相對滲透率僅0.17（圖2）。氣、液硫兩相共滲區(qū)較窄，液硫臨界流動飽和度較大，共滲區(qū)液硫飽和度介于56%～87%。由于液硫臨界流動飽和度較大，因此含硫氣藏內(nèi)絕大多數(shù)區(qū)域液硫產(chǎn)生后很難流動。由于在井筒附近，壓降最明顯，液硫析出量最多，同時氣流匯聚至井筒，大量的液硫被攜帶至井筒附近并聚集，造成井筒附近的液硫飽和度容易達到液硫臨界流動飽和度，進而阻礙井筒附近氣體的流動。

圖2 1號巖心氣—液硫相對滲透率曲線圖（圍壓為20 MPa）

3.2 不同圍壓下氣—液硫相滲曲線

通過改變圍壓，測得1號、2號巖心的相滲曲線，隨著圍壓的增大，氣相相對滲透率及液硫相對滲透率均下降（圖3）。由于圍壓升高，增加了作用在巖石骨架上的有效應(yīng)力，同時由于氣體具有較強可壓縮性，使巖石孔隙及吼道變小。根據(jù)微管流動理論[20-21]，由于液體邊界層的存在，使流體（含氣相和液相）可通過的空間變小，從而導(dǎo)致氣相及液硫的相對滲透率下降。

圖3 1號、2號巖心在不同圍壓下氣—液硫相對滲透率曲線圖

3.3 驅(qū)替壓差對氣—液硫相滲曲線的影響

由3號、4號巖心的氣—液硫相對滲透率曲線，可見，隨著驅(qū)替壓差增大，氣相相對滲透率及液硫相對滲透率均有一定程度地上升（圖4）。這是由于驅(qū)替壓差增大，氣體流速增加，部分孔道壁面處被束縛的液硫受到氣體的攜帶而脫離孔道壁面，使得液硫的相對滲透率上升。該現(xiàn)象稱為Henderson效應(yīng)[21]，是Henderson等針對凝析氣通過驅(qū)替實驗研究氣—凝析液相對滲透率曲線時發(fā)現(xiàn)的，可見氣—液硫兩相滲流過程中同樣存在Henderson效應(yīng)，且氣體流速越快，攜液硫能力越強。隨著孔隙中的液硫被部分攜帶出，液硫量減少，使氣—液硫兩相共滲時流動能力均有所提升。因此，在進行氣—液硫滲流研究時，需適當(dāng)考慮氣體流速的影響。

4 結(jié)論和認識

1）氣、液硫兩相共滲區(qū)較窄，液硫臨界飽和度高于40%，井筒附近的液硫飽和度容易達到液硫臨界流動飽和度，從而阻礙井筒附近氣體的流動。

2）圍壓的變化會引起氣—液硫相對滲透率曲線的變化。當(dāng)圍壓增大時，氣相相對滲透率及液硫相對滲透率均下降。

圖4 3號、4號巖心在不同驅(qū)替壓差下氣—液硫相對滲透率曲線圖

3）氣—液硫兩相滲流過程中同樣存在Henderson效應(yīng)，隨著驅(qū)替壓差增大，氣體流速加快，攜硫能力增強，氣相相對滲透率及液硫相對滲透率均有所上升，從而使氣—液硫兩相共滲時流動能力均有所提升。