莫超平 ，張廣東 ，張志偉 ，王寧 ，楊森 ，張明迪 ，何友才

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610095；3.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探分公司裝備制造與服務(wù)中心，四川 成都 610213）

0 引言

高含硫氣藏在開發(fā)過程中，隨著地層壓力的降低，硫在氣藏中析出沉積，對地層造成傷害［1-2］。若地層溫度低于硫熔點(diǎn)，硫在地層中的沉積呈現(xiàn)固態(tài)硫特征。目前，國內(nèi)外學(xué)者對高含硫氣藏固態(tài)硫沉積的研究多局限在沉積條件、飽和硫溶解度測試及預(yù)測、固態(tài)硫沉積對儲(chǔ)層傷害等方面［3］。氣體中硫顆粒直徑為3～ 16 μm的結(jié)晶體在孔喉壁面析出，對儲(chǔ)層滲透率有主要影響，但是硫顆粒在不同孔隙中的分布及規(guī)律并不明確［4-7］。目前對高含硫氣藏相態(tài)特征［8-10］、宏觀滲流機(jī)理［11-13］已形成相對成熟的研究方法，而對高含硫氣藏固態(tài)硫顆粒微觀運(yùn)移沉積機(jī)理的研究尚未見報(bào)道。本文通過ICEM軟件構(gòu)建孔喉簡化模型［14］，運(yùn)用Fluent的離散相DPM模型，模擬分析固態(tài)硫顆粒在孔喉中的微觀運(yùn)移沉積機(jī)理，研究影響固態(tài)硫顆粒沉積的主要因素，為高含硫氣藏硫沉積機(jī)理研究及防治提供依據(jù)。

1 孔喉簡化模型構(gòu)建

本文參照Wang等［15］利用納米尺度描述原油流動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)模型，通過ICEM軟件構(gòu)建孔喉簡化模型（見圖1），研究固態(tài)硫顆粒的沉積機(jī)理。研究中考慮氣體的滑脫效應(yīng)，認(rèn)為氣體在孔喉壁面的速度不為0［16］。為了保證接近孔喉壁面流動(dòng)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，對孔喉壁面的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，其中孔隙直徑為10 μm，喉道直徑為 5 μm。

圖1 孔喉簡化模型示意

2 硫顆粒模型

2.1 模型構(gòu)建

高含硫氣體在生產(chǎn)過程中，當(dāng)壓力低于硫析出點(diǎn)后，就會(huì)析出固態(tài)硫，形成氣-固態(tài)硫兩相流動(dòng)。當(dāng)固態(tài)硫進(jìn)入儲(chǔ)層中某一孔隙時(shí)，由于硫顆粒的運(yùn)移受到孔喉形狀、顆粒間碰撞、壓差、硫顆粒大小和重力等因素的影響，硫顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡往往不是直線，而是以不規(guī)則的螺旋線形式運(yùn)移，之后在一系列復(fù)雜運(yùn)移條件下，被壁面捕獲發(fā)生沉積。固態(tài)硫顆粒沉積主要是重力沉積、壁面吸附、碰撞沉積等多種因素共同作用的結(jié)果。

本文假設(shè)氣藏開發(fā)過程中的某一時(shí)刻，固態(tài)硫已在氣體中析出，形成穩(wěn)定的氣-固態(tài)硫兩相流動(dòng)。由于模擬孔喉直徑較小，本研究忽略微小壓力降造成氣體中固態(tài)硫進(jìn)一步沉積的影響。在模擬過程中，假設(shè)氣體為連續(xù)相，硫顆粒作為固態(tài)以離散相形式存在，顆粒形狀不明顯，可看作球形［17］，運(yùn)用歐拉-拉格朗日方程進(jìn)行氣-固態(tài)硫兩相流動(dòng)模擬。

2.2 模擬條件設(shè)置

將孔喉簡化模型壁面的邊界條件設(shè)置為捕捉，進(jìn)出口的邊界條件設(shè)置為逃逸，進(jìn)出口的逃逸用以保證硫顆?？梢噪S著氣體進(jìn)出孔喉模型。氣體運(yùn)移時(shí)以多組分形式存在，其物理性質(zhì)受氣體種類和組分影響，因此設(shè)置模型為多相流，并設(shè)置出口氣體的摩爾分?jǐn)?shù)。選用某氣藏實(shí)際的氣體組分作為模擬氣體組分（見表1）。

表1 模擬氣體組分

本文模擬計(jì)算基于標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型和SIMPLE求解，求解精度為一階迎風(fēng)格式，模型采用混合網(wǎng)格進(jìn)行初始化。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 硫顆粒直徑對硫沉積的影響

本文模擬直徑分別為 0.1，0.2，0.5，1.0，2.0 μm 的硫顆粒在孔喉模型中的運(yùn)移過程，分析了不同壓差下硫顆粒直徑對硫沉積的影響（見圖2。其中，硫沉積率是指孔喉結(jié)構(gòu)壁面附著的硫顆粒數(shù)占入口端釋放的硫顆粒數(shù)的百分比）。

圖2 不同壓差下硫顆粒直徑對硫沉積的影響

由圖2可知：在相同壓差下，隨著硫顆粒直徑增大，硫沉積率也增大；當(dāng)硫顆粒直徑小于0.2 μm時(shí)，壓差變化對硫沉積率的影響較??；當(dāng)硫顆粒直徑大于0.2 μm時(shí)，壓差變化對硫沉積率的影響越來越大；當(dāng)硫顆粒直徑一定，隨著壓差增大，硫沉積率逐漸減小。說明在硫沉積早期，硫顆粒直徑較小時(shí)更易被攜帶出孔喉。

3.2 孔喉直徑對硫沉積的影響

為了模擬孔喉直徑對硫沉積的影響，利用構(gòu)建的孔喉簡化模型，在保證硫顆粒質(zhì)量流量（2×10-11kg/s）和壓差（4 Pa）恒定的條件下，改變孔喉簡化模型的尺寸。本文模擬了固態(tài)硫顆粒直徑分別為0.5，1.0，2.0 μm時(shí)的硫沉積情況，分析了不同孔喉直徑對硫沉積的影響（見圖3）。

圖3 不同孔喉直徑對硫沉積的影響

由圖3可以看出：當(dāng)硫顆粒直徑一定時(shí)，孔喉直徑對硫沉積的影響十分明顯，隨著孔喉直徑增大，硫沉積率逐漸減??；當(dāng)模型放大8倍（孔隙直徑80 μm，喉道直徑40 μm）以上，硫沉積率趨于平穩(wěn)。這說明當(dāng)孔喉直徑一定時(shí)，固態(tài)硫顆?？梢员粩y帶出孔喉。固態(tài)硫顆粒直徑越大，硫沉積率越大，越難被氣體攜帶出孔喉。由此可見，在高含硫氣藏開發(fā)過程中，大孔喉的硫沉積率較小，而對于小孔喉，尤其是微米級(jí)孔喉，硫沉積率較大。

3.3 硫顆粒質(zhì)量流量對硫沉積的影響

針對高含硫氣藏的含硫量不同，設(shè)計(jì)了硫顆粒質(zhì)量流量分別為 2×10-11，4×10-11，6×10-11，8×10-11kg/s 的 4組模擬實(shí)驗(yàn)。當(dāng)壓差為4 Pa時(shí)，對硫沉積率進(jìn)行分析（見圖 4）。

圖4 不同硫顆粒直徑和質(zhì)量流量下的硫沉積率變化

由圖4可以看出：硫顆粒質(zhì)量流量對硫沉積的影響較小，當(dāng)硫顆粒直徑小于0.2 μm時(shí)，硫顆粒質(zhì)量流量的變化對硫沉積的影響并不明顯；當(dāng)硫顆粒直徑大于0.5 μm時(shí)，隨著硫顆粒質(zhì)量流量增大，硫沉積率稍有增大。

3.4 壓差對硫沉積的影響

通過模擬實(shí)驗(yàn)，得到不同壓差下的硫沉積率變化曲線（見圖5）。由圖可知：硫沉積率和壓差呈負(fù)相關(guān)，隨著壓差增大，硫沉積率變化幅度減??；硫顆粒直徑不同，硫沉積率穩(wěn)定時(shí)需要的壓差也不同，當(dāng)硫顆粒直徑為0.1 μm、壓差達(dá)20 Pa時(shí)，硫沉積率基本趨于穩(wěn)定；當(dāng)硫顆粒直徑為0.5 μm、壓差達(dá)40 Pa時(shí)，硫沉積率趨于穩(wěn)定，此時(shí)硫沉積率為4.42%。由此可見，硫顆粒直徑越大，硫沉積率穩(wěn)定時(shí)需要的壓差也越大。

圖5 不同硫顆粒直徑和壓差下的硫沉積率變化

平衡壓差（硫沉積率穩(wěn)定時(shí)需要的壓差）與硫顆粒直徑的關(guān)系見圖6。由圖可知，平衡壓差與硫顆粒直徑呈對數(shù)形式增長。

圖6 平衡壓差與硫顆粒直徑的關(guān)系

3.5 硫顆粒在孔喉簡化模型中的流線分布

為了模擬氣體中固態(tài)硫顆粒析出后在孔喉中的運(yùn)移沉積機(jī)理，通過Fluent動(dòng)畫捕捉模塊，記錄不同時(shí)間下硫顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到迭代過程中硫顆粒在孔喉簡化模型中的流線分布（見圖7）。根據(jù)流線分布，將硫顆粒隨氣體在孔喉中運(yùn)移的過程分為3個(gè)階段。

圖7 硫顆粒在孔喉簡化模型中的流線分布

1）進(jìn)入孔喉階段?；旌蠚怏w中攜帶著硫顆粒，在壓差作用下開始進(jìn)入喉道，通過喉道和孔隙的交界處后，氣體開始充溢整個(gè)孔喉，氣體速度由快變慢，向喉道內(nèi)未被填充區(qū)域擴(kuò)散。

2）通過孔喉階段。氣體繼續(xù)運(yùn)移，通過連接的喉道離開孔隙，實(shí)現(xiàn)了從喉道到孔隙，再從孔隙到喉道的運(yùn)移過程，慢慢接觸孔喉壁面，硫顆粒運(yùn)移速度在靠近孔喉壁面處逐漸減小。

3）顆粒沉積階段。由于氣體速度降低，硫顆粒的速度也隨之下降，在重力、壓力梯度等因素的共同作用下，氣體運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸趨于穩(wěn)定，氣體速度下降到一個(gè)相對低值，其中攜帶的硫顆粒開始逐漸向孔喉壁面聚集，然后發(fā)生沉積。

4 結(jié)論

1）在高含硫氣藏開發(fā)過程中，氣體運(yùn)移的主要通道為直徑較大的孔喉，而硫沉積容易發(fā)生在直徑較小的孔喉中。當(dāng)硫顆粒直徑小于0.2 μm時(shí)，硫顆粒質(zhì)量流量對硫沉積的影響不明顯。

2）硫沉積率隨著壓差增大而下降，當(dāng)壓差達(dá)到一定值時(shí)，硫沉積率趨于穩(wěn)定，平衡壓差隨硫顆粒直徑的增大而增大。以直徑0.5 μm的固態(tài)硫顆粒為例，當(dāng)孔隙直徑10 μm，喉道直徑5 μm時(shí)，平衡壓差達(dá)40 Pa，硫沉積率為4.42%。

3）根據(jù)硫顆粒在孔喉中運(yùn)動(dòng)的流線分布，將硫顆粒隨著氣體在孔喉中運(yùn)移的過程分為進(jìn)入孔喉、通過孔喉和顆粒沉積3個(gè)階段。