酸性氣井關(guān)井后重組分沉降對井筒組分變化的影響

摘 要

摘要：目前經(jīng)典的井筒穩(wěn)態(tài)多相流流動模型沒有考慮關(guān)井后重組分沉降作用，可能導(dǎo)致井筒壓力-溫度預(yù)測不準(zhǔn)。針對酸性氣井井筒復(fù)雜流動特征，基于熱動力學(xué)平衡原理和熱擴(kuò)散理論，考慮
摘要：目前經(jīng)典的井筒穩(wěn)態(tài)多相流流動模型沒有考慮關(guān)井后重組分沉降作用，可能導(dǎo)致井筒壓力-溫度預(yù)測不準(zhǔn)。針對酸性氣井井筒復(fù)雜流動特征，基于熱動力學(xué)平衡原理和熱擴(kuò)散理論，考慮酸性氣井關(guān)井后H2S及CO2重組分在重力、化學(xué)勢變化以及熱擴(kuò)散作用下向下沉降，建立了重組分沉降過程中組分梯度方程和擴(kuò)散模型，模擬計算了井筒壓力分布和組分變化。研究表明：關(guān)井后井筒中H2S和CO2重組分沉降導(dǎo)致流體密度、H2S、CO2摩爾濃度從井口到井底逐漸增大，而C1、C2組分含量逐漸減少。實例井5000m井深井口樣和井底樣H2S含量差別近10%，建議酸性氣井流樣分析宜采用井底樣。這也解釋了為什么酸性氣井井底一般腐蝕更為嚴(yán)重。
關(guān)鍵詞：酸性氣體；氣井；關(guān)井；組分；腐蝕；數(shù)學(xué)模擬；影響；分析
0 引言
    酸性氣藏在四川盆地有著廣泛的分布，其儲量占整個川渝氣區(qū)總儲量的68%。由于H2S氣體的劇毒性和強腐蝕性，導(dǎo)致酸性氣藏氣田開發(fā)難度大，開采成本高[1]。四川盆地酸性氣井現(xiàn)場測試資料顯示，在井口、井底同時測試情況下，發(fā)現(xiàn)井口壓力表現(xiàn)極其異常：開井壓力“跳躍下降-上升-下降”，關(guān)井壓力“跳躍上升-下降”，與井底壓力變化規(guī)律完全不同。1995年冉新權(quán)分析認(rèn)為開關(guān)井過程中井筒流體溫度和相態(tài)變化是井口壓力下降的主要原因[2]。1999年嚴(yán)明強對比兩口井實測壓力資料，井口壓力與井底壓力恢復(fù)曲線近似平行，而井口測壓數(shù)據(jù)出現(xiàn)徑向流時間略遲于井底[3]。2007年朱忠謙針對高產(chǎn)氣井在井口測試時的壓力動態(tài)異常，求解分析了考慮溫度變化的氣井試井模型[4]。2007年陳偉認(rèn)為井筒溫度效應(yīng)是影響井口壓力變化的關(guān)鍵因素[5]。也有不少研究人員認(rèn)為酸性氣井井流物可能出現(xiàn)重組分沉降現(xiàn)象，以致關(guān)井后井口壓力下降[6]。筆者目的是評價重組分沉降對酸性氣井關(guān)井后井筒組分變化的影響，為下一步分析酸性氣井關(guān)井后井口壓力下降原因奠定基礎(chǔ)。
1 重組分沉降數(shù)學(xué)模型
1.1 模型假設(shè)條件
    1) 高含硫氣井在剛關(guān)井時刻，井筒內(nèi)各組分均勻分布。
    2) 高含硫氣井在關(guān)井一段時間后，由于各組分的重力差異，重組分沉降并達(dá)到穩(wěn)定平衡。
    3) 在井筒內(nèi)重組分沉降作用達(dá)到平衡時，由于井筒溫度差異引起的熱擴(kuò)散作用也達(dá)到平衡。
    4) 高含硫氣井關(guān)井后，各組分之間不發(fā)生對流作用。
    5) 不考慮地層向井底的續(xù)流效應(yīng)。
1.2 重組分沉降模型建立
    高含硫氣井關(guān)井后由于不同組分密度的差異，導(dǎo)致重組分如H2S及CO2等在重力、化學(xué)勢的變化及熱擴(kuò)散作用下向下沉降，從而可能出現(xiàn)組分分離。在沉降中，微粒所受到的作用力有重力、浮力和阻力。開始時，微粒為加速運動，隨著微粒沉降速度的增大，阻力亦增大，當(dāng)微粒受力達(dá)平衡時，微粒即開始作勻速沉降。重力導(dǎo)致重組分向井底運移，甲烷等輕組分向井口運移[6]；而熱擴(kuò)散導(dǎo)致輕組分向井底(較高溫度處)運移，重組分向井口(較低溫度處)運移[7～8]。
組分梯度總方程：
 
   擴(kuò)散模型：
    
   混合物性質(zhì)：
   
   Hi及Vi均通過狀態(tài)方程求取，Hi的計算還要對熱容(Cpi)進(jìn)行估計。
組分i的偏摩爾活化能為：
 
△Um*是黏度密度比的函數(shù)，由下式計算：
 
   化學(xué)勢是壓力、溫度及摩爾組成的函數(shù)，在縱向上取微元，則認(rèn)為在該微元段是個等溫過程，可求出：
    ▽Tμi=RT▽T(㏑fi)    (12)
其中：μi=RT㏑fi+λi
 
   聯(lián)立式(1)～(12)求得各參數(shù)隨深度的變化關(guān)系。
2 重組分沉降模型求解
   根據(jù)以上模型進(jìn)行求解，分析重組分沉降對氣井井口壓力動態(tài)異常的影響。具體求解過程見圖1。
 

3 實例計算
    以P2井為例，在考慮井筒內(nèi)復(fù)雜的相態(tài)變化情況下，依據(jù)建立的模型，對井口和井底流體組成以及井筒中流體密度變化進(jìn)行了預(yù)測。P2井井流物組分摩爾組成：H2S為13.79%，N2為0.52%，He為0.01%，CO2為9.01%，C1為76.64%，C2為0.03%。地層溫度為123.4℃，地層壓力為55.2MPa。模擬計算結(jié)果見圖2、3和表1。

表1 P2井井筒重組分沉降模擬計算結(jié)果表(假定井口壓力35MPa)
深度/m
壓力/MPa
密度/kg·m-3
主要組分摩爾濃度
溫度/℃
H2S
CO2
C1
C2
0(井口)
35.00
358.13
0.1379
0.0901
0.7665
0.0003
23.4
500
36.76
358.63
0.1471
0.0961
0.7514
0.0003
33.4
1000
38.52
359.45
0.1561
0.1021
0.7364
0.0003
43.4
1500
40.28
360.52
0.1650
0.1080
0.7217
0.0003
53.4
2000
42.05
361.80
0.1737
0.1138
0.7072
0.0003
63.4
2500
43.83
363.24
0.1822
0.1196
0.6931
0.0003
73.4
3000
45.62
364.81
0.1904
0.1252
0.6792
0.0003
83.4
3500
47.41
366.46
0.1984
0.1308
0.6657
0.0003
93.4
4000
49.21
368.20
0.2062
0.1363
0.6525
0.0003
103.4
4500
51.02
369.98
0.2137
0.1417
0.6397
0.0004
113.4
5000(井底)
52.84
371.80
0.2209
0.1470
0.6272
0.0004
123.4
模擬結(jié)果表明：關(guān)井后井筒中H2S和CO2重組分沉降導(dǎo)致流體密度、H2S、CO2摩爾濃度從井口到井底逐漸增大，而C1、C2組分含量逐漸減少。
4 結(jié)論
    1) 筆者基于熱動力學(xué)平衡原理和熱擴(kuò)散理論，考慮酸性氣井關(guān)井后H2S及CO2重組分在重力、化學(xué)勢變化以及熱擴(kuò)散作用下向下沉降，建立了重組分沉降過程中組分梯度方程和擴(kuò)散模型，模擬計算了井筒壓力分布和組分變化。
    2) 關(guān)井后井筒中H2S和CO2重組分沉降導(dǎo)致流體密度、H2S、CO2摩爾濃度從井口到井底逐漸增大，而C1、C2組分含量逐漸減少。
    3) 實例井5000m井深井口樣和井底樣H2S含量差別近10%，因此建議酸性氣井流樣分析宜采用井底樣。
符號說明
    μi為化學(xué)勢，J/mol；xi為摩爾分?jǐn)?shù)；無因次；Vi為偏摩爾體積，m3/mol；Mi為組分i的摩爾質(zhì)量；g/mol；ρ為流體密度，kg/m3；Mi為i組分的重力項；FTi為i組分的熱擴(kuò)散項；Mi為組分i的分子量；無因次；Mm為混合物的分子量；無因次；Vi為i組分的偏摩爾體積，m3/mol；Vm為混合物的摩爾體積，m3/mol；Hi為i組分的偏摩爾焓，kJ/mol；Hm為混合物的焓，kJ；fi為i組分的逸度，Pa；h為深度，m；h0為參考深度，m；n為摩爾數(shù)，無因次。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：郭肖 杜志敏 付德奎 “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))