高含硫碳酸盐岩气藏低伤害酸压技术及压后硫沉积规律研究

论文摘要

高含硫天然气是非常规天然气的重要组成部分，在我国四川盆地和渤海湾盆地有着十分丰富的储量，其探明地质储量已经超过5000×10~8m~3，高效、安全开发该类气藏对解决社会经济发展与日益严重的能源供给不足之间的矛盾具有重要的战略意义。而高效、安全开发高含硫气藏还面临着诸多亟待解决的问题，如硫化氢的腐蚀性、元素硫的沉积以及高含硫碳酸盐岩储层的低伤害改造等，对这些问题的深入研究是开发该类气藏的前提和基础。 本文围绕高含硫碳酸盐岩气藏高效开发技术的两个热点，即低伤害酸压技术和压后硫沉积规律展开，前者研究了控制酸压过程中铁离子和硫的沉淀，降低储层伤害，提高酸压效果的方法；后者从理论的角度研究了气井生产过程中硫在地层和人工裂缝的沉积规律，建立了硫沉积预测模型，对分析硫沉积的影响因素、气井的生产动态以及人工裂缝对硫沉积的作用等都有着重要的实用价值，且能为酸压改造措施的优化设计提供参考。 本文根据化学热力学理论和离子平衡理论，分析了高含硫化氢条件下铁离子的沉淀沉淀行为和条件，并在此基础上通过室内实验研制了由改性植酸、控硫剂、硫化氢吸收剂HA和复合型乳化剂PM共同组成的乳化酸体系。实验研究表明该体系能有针对性地控制铁离子与硫离子的作用，使反应生成可溶性的硫化物；另一方面通过硫化氢吸收剂屏蔽或消耗掉可能与铁离子作用的硫化氢，减小铁离子与硫离子作用的几率，从而达到有效控制铁离子和单质硫沉淀，减小对储层的二次伤害，提高改造效果的目的。 硫在地层和生产管线中沉积是高含硫气井生产过程中的常见现象，不仅给生产设备带来严重危害，也使得地层及人工裂缝的导流能力下降甚至完全堵塞，是影响该类气藏高效经济开发的重要因素之一。本文从分析硫沉积机理入手，研究了影响硫沉积的因素，并从微观角度研究了硫沉积到渗流通道后造成堵塞的机理及气流水动力对固相硫颗粒在渗流通道中传输和运移的作用，建立了相应的数学模型，为研究硫沉积预测模型奠定了基础。 气井酸压改造后，气体的渗流通道主要包括基岩孔隙和裂缝两种不同性质的介质，渗流空间大小明显不同，本文根据渗流介质基本特征并运用物质平衡原理，分别建立了相应的模型来描述两种介质中硫沉积与各因素之间的作用关系。对基岩中硫沉积的描述，充分考虑了气流水动力的作用和在不同流速条件下硫颗粒的运动特征。而对于酸压裂缝中的硫沉积，由于裂缝空间尺寸相对基岩孔隙大得多可以近似地看作是由堵塞和非堵塞两种类型的通道组合而成，在此假设的基础上，文中给出了两种通道中硫沉积的关系模型，两者叠加则可以描述裂缝内硫的沉积

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外对含高含硫碳酸盐岩储层低伤害改造技术的研究现状
• 1.2.1.1 高含硫储层改造过程中控铁控硫问题研究现状
• 1.2.1.2 硫化氢吸收剂研究现状
• 1.2.1.3 国内外对高含硫碳酸盐岩储层改造工作液研究现状
• 1.2.2 高含硫气藏元素硫沉积研究现状
• 1.2.2.1 高含硫气藏元素硫沉积机理研究现状
• 1.2.2.2 硫沉积预测模型及数值模拟研究现状
• 1.3 本文的研究方法
• 1.4 本文的研究目标、技术路线及技术关键
• 1.5 本文研究的主要成果及创新点
• 1.5.1 本文研究的主要成果
• 1.5.2 本文的创新点
• 2 我国高含硫气田的分布规律及地质特征
• 2.1 硫化氢气体的物理化学特性及危害
• 2.2 高含硫天然气中硫化氢的来源
• 2.2.1 生物成因
• 2.2.2 热化学成因
• 2.2.3 火山喷发成因
• 2.3 我国高含硫气田的分布规律
• 2.4 我国高含硫气田地质特征
• 2.5 本章小结
• 3 高含硫碳酸盐岩气藏低伤害酸压原理及方法研究
• 3.1 高含硫碳酸盐岩气藏低伤害酸压面临的主要问题和挑战
• 3.2 铁离子沉淀方式及原理
• 2+的沉淀'>3.2.1 非酸性环境下Fe²⁺的沉淀
• 3+的沉淀'>3.2.2 非酸性环境下Fe³⁺的沉淀
• 2+的沉淀'>3.2.3 含硫化氢条件下Fe²⁺的沉淀
• 3+的沉淀'>3.2.4 含硫化氢条件下Fe³⁺的沉淀
• 3.3 酸压过程中硫沉淀原理
• 3.4 控制铁离子沉淀的方法研究
• 3.4.1 常规控铁方法及局限性
• 3.4.1.1 弱酸缓冲体系
• 3.4.1.2 铁离子络合剂
• 3.4.1.3 还原剂
• 3.4.2 高含硫碳酸盐岩储层酸压作业控制铁离子沉淀的方法研究
• 3.4.2.1 植酸络合剂性质及存在的问题
• 3.4.2.2 植酸的化学改性
• 3.5 控制酸压过程中硫沉淀的方法研究
• 3.5.1 元素硫控制剂
• 3.5.2 控硫剂效果评价实验
• 3.5.2.1 实验装置
• 3.5.2.2 实验步骤
• 3.6 硫化氢吸收剂
• 3.6.1 吸收剂 HA对硫化氢的吸收反应
• 3.6.2 不同吸收剂对硫化氢的吸收能力对比实验
• 3.6.2.1 吸收实验原理
• 3.6.2.2 实验方法
• 3.6.2.3 实验结果
• 3.7 本章小结
• 4 高含硫碳酸盐岩气藏低伤害酸压液体体系及性能评价
• 4.1 乳化酸体系对高含硫碳酸盐岩储层的适应性分析
• 4.2 乳化剂的优选
• 4.2.1 乳化剂的筛选方法
• 4.2.2 乳化剂的实验筛选
• 4.3 乳化酸体系性能评价
• 4.3.1 乳化酸流变性测试
• 4.3.2 乳化酸沿程摩阻
• 4.3.3 乳化酸的粘度
• 4.3.4 乳化酸的粘弹性能
• 4.3.4 乳化酸悬砂性能
• 4.3.4.1 单颗粒砂在乳化酸中沉降速度的测定
• 4.3.4.2 多砂粒在乳化酸中沉降速度的测定
• 4.4 本章小结
• 5 高含硫气藏元素硫沉积机理
• 5.1 高含硫气体中元素硫的物理性质
• 5.1.1 元素硫的分子结构
• 5.1.2 元素硫的密度
• 5.1.3 元素硫的蒸汽压
• 5.1.4 元素硫的凝固点、沸点和临界条件
• 5.1.5 元素硫的粘度
• 5.2 元素硫在天然气中的溶解度
• 5.2.1 元素硫在天然气中溶解规律
• 5.2.2 元素硫在天然气中溶解度的计算模型
• 5.2.2.1 计算硫溶解度的半经验关联式模型
• 5.2.2.2 计算硫溶解度的状态方程模型
• 5.3 元素硫沉积机理及影响因素分析
• 5.3.1 硫沉积机理
• 5.3.1.1 元素硫的化学沉积
• 5.3.1.2 元素硫的物理沉积
• 5.3.2 影响因素分析
• 5.4 元素硫沉积的危害
• 5.5 本章小节
• 6 地层中元素硫的运移规律研究
• 6.1 储层孔隙结构特征及酸压裂缝几何形态
• 6.1.1 多孔介质定义及基本特征
• 6.1.2 酸压裂缝的几何形态
• 6.2 孔隙及酸压裂缝中元素硫堵塞机理研究
• 6.2.1 固相颗粒的沉降与捕获
• 6.2.2 架桥堵塞
• 6.2.2.1 桥堵形成的条件分析
• 6.2.2.2 架桥堵塞的数学描述
• 6.2.2.3 流体速度对固相颗粒桥堵的影响
• 6.3 固相硫颗粒运移的力学分析
• 6.3.1 固相硫颗粒在气流中悬浮运移的力学分析
• 6.3.1.1 固相硫颗粒在气流中的受力分析
• 6.3.1.2 固相硫颗粒悬浮临界流速计算模型
• 6.3.2 水动力对固体表面固相硫颗粒冲刷剥蚀作用
• 6.3.2.1 岩石骨架壁面上的固相硫颗粒受力分析
• 6.3.2.2 固相硫颗粒从岩石骨架表面分离的条件
• 6.4 本章小结
• 7 酸压储层中元素硫沉积的理论模型
• 7.1 硫沉积预测模型的理论基础及假设条件
• 7.1.1 硫沉积预测模型的理论基础
• 7.1.2 储层及裂缝中硫沉积预测模型的假设条件
• 7.2 基岩中硫沉积模型
• 7.3 酸压裂缝中硫沉积模型
• 7.3.1 酸压裂缝中硫沉积模型的建立
• 7.3.2 酸压裂缝中硫沉积模型辅助方程
• 7.4 本章小结
• 8 硫沉积对酸压储层动态参数的影响研究
• 8.1 基岩及裂缝参数动态模型
• 8.1.1 基岩物性参数模型
• 8.1.2 裂缝导流能力动态模型
• 8.2 硫沉积对高含硫酸压气井渗流动态的影响
• 8.2.1 高含硫酸压气井渗流模型
• 8.1.2 渗流模型的数值解
• 8.3 算例分析
• 8.4 本章小结
• 9 结论及建议
• 9.1 认识和结论
• 9.2 建议
• 致谢
• 博士期间论文发表情况
• 参考文献
• 附录: 基岩中硫沉积过程及地层物性参数变化