普光气田高含硫气井溢流压井期间井筒超临界相态特征

摘 要

摘要：针对超临界流体状态下烃类、硫化氢、二氧化碳的特性，结合p-T-ρ图版和实际气体状态方程，以及普光气田高含硫化氢、二氧化碳气井的实际情况，计算得出普光气田烃类与硫化
摘要：针对超临界流体状态下烃类、硫化氢、二氧化碳的特性，结合p-T-ρ图版和实际气体状态方程，以及普光气田高含硫化氢、二氧化碳气井的实际情况，计算得出普光气田烃类与硫化氢、二氧化碳构成的混合物的相态图；建立了相应的数学模型，模拟了高酸性高压气井环空温度、偏差因子、压力和体积膨胀情况。从模拟计算结果可以看出：高含硫气体在溢流压井期间，在井筒较长井段处于超临界状态，远离临界点附近区域，从超临界状态转向低压气态时体积较明显的膨胀但不剧烈，不会出现在超临界点附近处特有的瞬时体积急剧膨胀现象；普光气田气井的酸性气体运移至距地面12%左右(即1120m)井深时，有体积膨胀趋势，运移至距地面10%左右(即560m)井深时有较明显的膨胀特征。
关键词：酸性气体；相态；相变；临界点；温度；偏离系数；井控；普光气田
0 引言
    对于高含硫气井，安全井控是重中之重的任务。然而，由于酸性气体在井筒运移期间存在超临界现象，在井筒能否发生强烈的体积膨胀，引起与常规气井不同的溢流井喷，人们对此格外关注[1～7]。笔者运用超临界流体相变理论，结合普光气田情况，对高含硫气井溢流压井期间井筒超临界相态特征进行了一些研究。
1 含酸性气体超临界特征
1.1 含硫化氢和二氧化碳的酸性天然气临界参数计算方法
   稳定的纯物质及由其组成的定组成混合物具有固有的临界点(即临界压力pc、临界温度Tc、临界密度ρc)。混合气体组分的临界参数的计算方法如下[8]：
天然气的临界参数采用拟临界参数，采用Kay’s混合规则，其定义为：
 
式中：yi为组分i的摩尔分数；ppc、Tpc分别为混合物的拟临界压力和拟临界温度；pci、Tci分别为组分i的临界压力和临界温度。
    Wichert & Aziz提出了对含硫化氢和二氧化碳的酸性天然气修正方法。所以运用以上方法计算酸性天然气的临界参数，需对结果进行修正。具体修正形式如下：
   ε=[120(A0.9-A1.6)+15(B0.5-B4)]/1.8   (3)
T′pc=Tpc-ε    (4)
 
式中：A为天然气中硫化氢和二氧化碳的总摩尔分数；B为天然气中硫化氢的摩尔分数；ppc、Tpc分别为采用Kay’s混合规则计算的拟临界压力和拟临界温度；p′pc、T′pc分别为经过校正后的拟临界压力和拟临界温度。
1.2 含酸性气体临界点附近流体相态变化特征
    临界流体是指温度、压力高于临界温度(Tc)和临界压力(pc)的流体。在临界点附近，压力的微小变化可导致密度的巨大变化[9]。如图1、2。图1中，C点为流体临界点，虚线所标注的数值为流体密度。由图1可以看出，在C点附近小的范围内，流体的密度差异巨大，也即流体密度差异很大的数值线延伸并聚集在临界点C附近。在此点，较小的温度或压力发生变化，都会引起流体密度或体积的巨大变化。纯二氧化碳的临界温度是31.06℃，临界压力是7.39MPa，如图2描述了纯二氧化碳在40℃下的密度随压力的变化关系。温度40℃恒定的条件下，压力从10MPa降到5MPa，在临界压力附近变化，密度数值从630kg/m3降到120kg/m3，变化剧烈；可见在临界点附近，密度有很宽的变化范围；温度或压力微调可使密度显著变化。

1.3 含酸性气体超临界区流体相态变化特征
    超临界流体可以得到处于气态和液态之间的任一密度，超临界流体具有液体对溶质有比较大溶解度的特点，又具有气体易于扩散和运动的特性(见表1)，因而有较好的流动性、渗透性和传递性能。
表1 气体、液体和超临界流体性质表
流体性质
气体
超临界流体
液体
0.1Mpa，15～30℃
Tc，pc
Tc，4pc
15～30℃
密度/g·mL-1
(0.6～2)×10-3
0.2～0.5
0.4～0.9
0.6～1.6
黏度/g·(cm·s)-1
(1～3)×10-4
(1～3)×10-4
(3～9)×10-4
(0.2～3) ×10-2
扩散系数/cm2·s-1
0.1～0.4
0.7×10-3
0.2×10-3
(0.2～3) ×10-5
在临界点附近，温度、压力微调可使超临界流体的性质显著变化，但远离临界点附近区域时，超临界流体的性质变化并不明显。如图1的二氧化碳密度随压力与温度的变化相图，等密度线在临界点附近很密集，而在远离临界点的区域比较分散，远离临界点时，不同密度之间的过渡需要较大的压差或温度差。如图2，温度40℃恒定的条件下，而当压力从50MPa降到20MPa，即在稍微远离临界压力点附近的区域变化，密度仅从965kg/m3降到825kg/m3。可见当流体温度压力都大大超过临界点，流体密度与温度及压力存在一一对应关系，但不存在温度压力较小范围变化会引起流体密度剧烈变化现象。
1.4 钻井液溢流井筒环空超临界流体相态变化规律
    高含硫气井气侵环空常见的流体一般有甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等，钻井液密度一般在1.2g/cm3以上，所以当井深大于2000m时，根据甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等流体的临界数据(见表2)，气侵环空的流体都处于临界状态。气侵时，超临界流体以微小气泡吸附在钻井液中颗粒的表面，随着钻井液的循环上返。超临界流体和气体一样是可压缩的，在上升的过程中由于所处的压力不断减小，体积就会逐渐膨胀增大。
    环空流体在井筒相态变化有3种情况，两种转变方式。
表2 井筒常见超临界流体的临界数据表
物质
沸点/℃
临界温度/℃
临界压力/MPa
二氧化碳
-78.5
31.06
7.39
硫化氢
-88.0
100.20
8.94
甲烷
-164.0
-83.00
4.60
乙烷
-88.0
32.40
4.89
1) 当环空流体临界温度低于井筒温度并且临界点在井筒压力和温度曲线上面时(如图3中的甲烷)，在井筒运移过程中随着压力和温度的降低，当井筒压力低于流体临界压力时，流体从超临界状态转变为气态，但井筒温度压力条件不满足在临界点附近体积剧变的条件，根据实际气体的状态方程，从超临界状态转变为气态时体积会有所膨胀，但不会出现剧烈膨胀的现象(如图3中的甲烷)。
 

   2) 当环空流体临界温度处于井筒温度范围内并且临界点在井筒压力和温度曲线上面时(如图3中的二氧化碳)，在井筒运移过程中随着压力和温度的降低，当井筒压力低于流体临界压力时，流体从超I临界状态转变为气态。井筒温度压力条件满足临界点附近时会发.生体积剧变(如图3中的二氧化碳)。
   3) 当环空流体临界温度处于井筒温度范围内并且临界点在井筒压力和温度曲线下面时(如图3中的硫化氢)，运移过程中随着压力和温度的降低，当井筒温度低于流体临界温度时，流体先转变到液态，继续运移当井筒压力低于流体临界压力时，流体再从液态转变为气态。
2 气体膨胀特征计算模型
由实际气体状态方程，可得钻井液溢流井筒环空气体体积计算公式：
 
式中：V(zi)为求解点气体体积；p(zi)为求解点压力；T(zi)为求解点温度；Z(zi)为求解点偏差因子；p(z0)为已知点压力(井底)；T(z0)为已知点温度(井底)；V(z0)为已知点气体体积(井底)；Z(z0)为已知点偏差因子(井底)。
3 计算实例
    普光气田上二叠统长兴组产层，某气井井深5600m，井底温度130℃，井口温度60℃，钻井液密度1.46g/cm3。混合气体组分：硫化氢15%，二氧化碳10%，甲烷74.89%，乙烷0.11%。
    由式(1)～(6)，计算混合气体组分的临界参数得，临界压力7.83MPa、临界温度-43℃。气侵井筒流体参数变化见图4，井筒温度和压力对应关系曲线远离混合流体的临界点，气侵流体在井筒运移过程中，密度逐渐减小，由超临界状态转换到气态，相态变化远离流体临界点，不具备临界点附近流体物性发生急剧变化的条件，从超临界状态转变为气态时体积会有所膨胀，但不会出现剧烈膨胀的现象。

    根据环空气体体积计算公式(6)，计算沿环空流体相关参数变化如图5，随着流体从井筒向上运移，井底偏差因子与井筒某点偏差因子的比值以及井底温度与井筒某点温度的比值逐渐减小，但减小的幅度不大。然而压力比值变化的趋势线比较明显，在深井段，压力比值变化很小，而在靠近地面的较浅井段压力比值经过短暂的过度后明显增加。在井筒1200～7000m，压力比值变化不大，压力比值对流体体积的膨胀不起主要作用；而在接近地面的几百米范围内，压力比值会有几倍直接变化到几十倍，这期间压力比值对体积的膨胀起很重要作用。

    从普光气井气侵流体体积膨胀倍数曲线可以看出，流体在井筒运移过程中，混合物从超临界状态转变为气态，密度逐渐减小，体积膨胀，运移至距地面12%(即1200m)井深时，有体积膨胀趋势，运移至距地面10%(即560m)井深时有较明显的膨胀特征。但流体在井筒运移过程中，不会出现在超临界点附近处特有的瞬时体积剧烈膨胀几百几千倍的现象。
4 结论
    1) 高含硫气井，H2S/CO2组分不同井筒相态变化不同，存在SCF变到气态和SCF先变到液态再从液态变化到气态两种情况，前者当井筒温度压力条件不满足临界点附近时不会发生体积剧变，而后者不存在流体临界点附近体积剧变情况。
    2) 高含硫气体在溢流压井期间，在井筒较长井段处于超临界状态，远离临界点附近区域，不会出现在超临界点附近处特有的瞬时体积剧烈膨胀几百几千倍的现象。根据实际气体的状态方程，从超临界状态转变为气态时体积会有所膨胀，但不会出现剧烈膨胀现象。
    3) 普光气田气井，酸性气体运移至距地面12%(即1200m)井深时，有体积膨胀趋势，运移至距地面10%(即560m)井深时有较明显的膨胀特征。
参考文献
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[8] 杨胜来，魏俊之.油层物理[M].北京：石油工业出版社，2004.
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(本文作者：高云丛1，2 李相方1 孙晓峰2 尹邦堂2 崔松2 1.中国石油大学(北京)石油与天然气工程学院；2.国家安全生产监督管理总局油气安全工程技术研究中心)