基于EDEM-Fluent耦合模擬高含硫氣藏地層硫沉積

李周，羅衛(wèi)華，吳昊，劉百川，趙慧言

（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.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

基于EDEM-Fluent耦合模擬高含硫氣藏地層硫沉積

李周1，羅衛(wèi)華2，吳昊1，劉百川1，趙慧言1

（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.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300）

溶解在酸性氣體中的元素硫會隨著地層壓力的降低從氣體中析出，析出硫微粒的沉積會對地層造成嚴(yán)重傷害。以往對于地層孔隙中硫微粒的沉積與否，主要是通過研究其所受合力情況來判別，忽略了硫微粒的具體形狀、碰撞、聚集等因素。因此，針對井筒附近地層發(fā)生硫沉積的高含硫氣藏，利用EDEM-Fluent耦合方法模擬研究孔隙中硫的沉積規(guī)律。研究結(jié)果表明：同樣大小的微粒，由于存在碰撞、凝聚等作用力，所受合力不同，產(chǎn)生了不同的運動規(guī)律；在流動方向上，硫沉積量呈遞增趨勢；硫微粒在孔隙中的同一位置沉積量，會隨著時間的增加逐漸增大；離孔隙壁面越近的硫微粒，沉積越牢固，越不容易被氣流帶走；硫微粒濃度在縱向從上到下依次增加；隨著氣體中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硫沉積速率也增大；孔隙突然擴(kuò)大或縮小，硫沉積呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

EDEM-Fluent；耦合模擬；高含硫氣藏；硫沉積

高含硫氣藏在世界范圍內(nèi)分布廣泛，然而地層孔隙中的硫沉積給這一類氣藏的開發(fā)帶來了嚴(yán)重困難。當(dāng)高含硫氣體在通過井筒附近地層孔隙時，由于壓降幅度急速增大，當(dāng)氣體含硫量超過了其溶解度時，硫微粒將從氣體中析出。硫微粒可以被氣體帶走的，不會對地層造成影響；沉積的則會降低孔隙滲透率，更有甚者則會堵塞孔道［1-2］。

以往對于硫微粒的沉降研究，往往集中于對單個硫微粒在氣流中進(jìn)行受力分析，得到其沉降的臨界條件，以此來判別微粒的運動狀態(tài)。這些研究忽略了實際過程中微粒的運動情況，還有微粒的形狀、微粒的相關(guān)屬性，以及微粒之間、微粒與壁面的碰撞和聚集等。因此，本文在考慮以上問題的基礎(chǔ)上，首次基于EDEMFluent耦合法模擬孔隙中硫沉積規(guī)律，更加直觀和科學(xué)地得到了相關(guān)重要結(jié)論［3-5］。

1　EDEM-Fluent耦合原理

EDEM-Fluent耦合方法的優(yōu)勢為，無論高含硫氣體還是硫微粒，都可以采用更適合自身特點的數(shù)值方法進(jìn)行模擬，將微粒的形狀、屬性、粒徑分布等都考慮進(jìn)來，更準(zhǔn)確地描述微粒的運動情況及其與流場的相互影響［6-7］。EDEM-Fluent耦合模擬流程見圖1。

圖1　EDEM-Fluent耦合模擬流程

2　EDEM-Fluent模擬地層孔隙硫沉積

本文所建立的模型，主要是對硫微粒在氣體中析出后的沉積分布規(guī)律進(jìn)行研究。因此，需要在計算開始前對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并在耦合結(jié)束之后，對結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

為了更加真實反映硫微粒的具體形狀（微粒的大小、直徑等）和相關(guān)屬性（包括微粒的密度、質(zhì)量、碰撞方式、恢復(fù)系數(shù)、泊松比等），在EDEM中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，實現(xiàn)了以往只利用Fluent或其他數(shù)值模擬軟件的不足。

在Fluent中在進(jìn)行EDEM耦合設(shè)置時，鑒于孔隙中硫沉積過程中固相微粒所占的比例會超過10%，會對氣體的流動產(chǎn)生影響，因此采用的是Euler模型。

2.2直孔耦合結(jié)果分析

經(jīng)過耦合模擬，得到了硫在地層孔隙中的沉積過程，如圖2所示。

圖2　地層孔隙中硫沉積過程

從圖2及耦合中的現(xiàn)象，可以得到以下結(jié)論：硫沉積是從較遠(yuǎn)處開始，逐漸向井筒附近延伸；隨著時間的推移，硫微粒沉積量逐漸增大，氣體流動孔隙空間被近一步壓縮；前面被氣體攜帶的微粒，由于不能再被氣體攜帶走進(jìn)而沉積下來，進(jìn)而導(dǎo)致離井筒越近的地方硫沉積量越大；在縱向上由于微粒的沉降，導(dǎo)致硫濃度從上往下依次增大。

沉積的硫微粒離壁面越近，越不容易受外界影響，從而牢固地沉積下來。離壁面較遠(yuǎn)的地方發(fā)生沉積的微粒，會產(chǎn)生剝離現(xiàn)象。形成這種情況主要是以下原因造成的：1）硫微粒在氣流中由于受到流動方向上的慣性力作用，進(jìn)而發(fā)生懸浮現(xiàn)象，即微粒處于氣流中。這是由于其本身形狀的不規(guī)則，以及沉積表面凹凸不平的影響，導(dǎo)致氣流與沉積表面發(fā)生碰撞后，產(chǎn)生了垂直于氣流方向上的力作用。2）在孔隙壁面沉積的微粒，由于和氣流中懸浮微粒流速（v）存在一定差值，使得兩者之間產(chǎn)生了壓差，當(dāng)壓差足夠大時（超過微粒的重力），剛剛沉積的表層硫微粒將被拽到氣流中。3）硫微粒沉積表面和流體之間存在流速梯度，氣流作用在硫微粒面上的力大小不同，并且硫微粒所受的壓力中心不在其重心上，產(chǎn)生了一向上的升力，加上硫微粒所受的壓力差異引起的升力，兩者產(chǎn)生的合力大于微粒的重力時，表層硫微粒將被拽到氣流中（見圖3）。

圖3　硫沉積過程中硫微粒速度分布

由于微粒的沉降，反過來對氣流產(chǎn)生了作用，使孔隙中氣流的壓力分布（p）產(chǎn)生了變化，F(xiàn)luent中的壓力分布云圖見圖4。

圖4　流體壓力分布

由圖4中可以看出：硫沉積的發(fā)生，使得孔隙底面流體流動壓力最低；硫微粒沉積越嚴(yán)重的位置，流體流壓越大。

2.3縮孔耦合結(jié)果分析

當(dāng)氣流從大孔隙空間進(jìn)入小孔隙時，由于流動空間突然變窄，使得此時的硫沉積規(guī)律不同于單個孔隙中的硫沉積規(guī)律（見圖5）。

圖5　硫微?？s孔沉積分布

從圖5可以看出：流動空間的突然縮小，對大孔隙中沉積的硫產(chǎn)生了阻礙作用，導(dǎo)致在整個孔隙底面從一開始便有了硫沉積，隨著時間的增加，硫沉積量增大；小孔隙空間硫沉積也是存在于整個流動通道，并且其沉積厚度大于大孔隙硫沉積厚度。此時氣流動態(tài)壓力分布見圖6。

圖6　縮孔流體壓力分布

從圖6可以看出：流體動態(tài)壓力在硫沉積的位置及縮孔位置處最小，在流動方向上呈增大趨勢，特別是由于流動孔隙半徑的減小導(dǎo)致其增加幅度增大；單個孔隙中流體動態(tài)壓力分布和直管類似。

2.4擴(kuò)孔耦合結(jié)果分析

當(dāng)氣流從小孔隙空間進(jìn)入大孔隙時，流動空間突然變大。硫沉積過程見圖7。

圖7　硫微粒擴(kuò)孔沉積分布

從圖7可以看出：流動空間突然擴(kuò)大，小孔隙中沉積表層硫，由于沉積不牢固，一部分會被攜帶到大孔隙中；在大孔隙受到的氣流作用較小，導(dǎo)致在大孔隙前端硫沉積量最大；在小孔隙中的硫沉積量明顯小于下縮孔（其他條件相同）條件下的硫沉積量。

3　結(jié)論

1）同樣大小的硫微粒，由于存在碰撞、凝聚的作用，合力不同，產(chǎn)生了不同的運動規(guī)律，因此，影響硫微粒的最終運動取決于其在不同位置的合力。

2）硫沉積是從較遠(yuǎn)處開始，逐漸向井筒延伸。隨著時間的推移，硫沉積量逐漸增大，氣體流動孔隙空間被近一步壓縮。前面被氣體攜帶的硫微粒，由于不能再被氣體攜帶走進(jìn)而沉積下來，進(jìn)而導(dǎo)致離井筒越近的地方硫沉積量越大。在縱向上由于硫微粒的沉降，導(dǎo)致硫濃度從上往下依次增大。硫微粒在孔隙中的同一位置的沉積量，會隨著時間的增加，逐漸增大。

3）硫沉積的發(fā)生，使得孔隙底面流壓最低；硫沉積越嚴(yán)重的位置，流壓越大。孔隙直徑的突然擴(kuò)大或者縮小，使得硫沉積規(guī)律不同。

［1］鐘太賢，袁士義，周龍軍，等.含硫天然氣相態(tài)及滲流［J］.石油勘探與開發(fā)，2004，31（5）：109-111.

［2］FU D K，GUO X，DENG S H.The sulfur deposition model and applicationstudybasedonsolubilityexperiment［J］.JournalofSouthwest Petroleum University，2007，29（1）：57-59.

［3］ROBERTS B E.The effect of sulfur deposition on gaswell inflow performance［J］.SPE Reservoir Engineering，1997，12（2）：118-123.

［4］BIAN X J，DU Z M.An new model of associated elemental sulfur solubilityintheacidicgasreservoir［J］.JournalofOilandGasTechnology，2009，8（4）：1-23.

［5］SMITH J J，JENSEN D，MEYER B.Liquid hydrogen sulfide in contact with sulfur［J］.Journal of Chemical Engineering Data，1970，15（1）：144-146.

［6］GUI N，F(xiàn)AN J R，CEN K.A macroscopic and microscopic study of particlemixinginarotatingtumbler［J］.ChemicalEngineeringScience，2010，65（10）：3034-3041.

［7］MCCARTHY J J.Micro-modeling of cohesive mixing processes［J］. Powder Technology，2003，138（1）：63-67.

（編輯楊會朋）

Coupled simulation of sulfur deposition in sour gas reservoir formation based on EDEM-Fluent

LI Zhou1，LUO Weihua2，WU Hao1，LIU Baichuan1，ZHAO Huiyan1
（1.School of Oil and Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；2.Research Institute of Drilling&Production Engineering，Chuanqing Drilling Engineering Company Limited，PetroChina，Guanghan 618300，China）

The elemental sulfur dissolved in acid gas will separate when formation pressure drops，and the precipitation of sulfur particles will cause serious injury.In the past，the decision of sulfur particles deposited in the pores was mainly by the composition of forces，which ignored the specific shape of the sulfur particles，collision，aggregation，and other important factors.Therefore，for the problem that sulfur deposition occurs in the near wellbore formation in sour gas reservoir，the law of sulfur deposition in the pores was studied using EDEM-Fluent coupled modeling.The results show that：for particles of the same size，due to the collision and agglomeration forces etc.，different forces are caused，which results in different sports law；in the flow direction，the amount of sulfur deposits into an increasing trend；the deposit amount ofsulfur particles will increase as time increases in the same location in the pores；the closer the sulfur particles from the pore wall，the stronger the deposition，the more difficult it is to be taken away by the gas flow；the concentration of the sulfur particles tends to increase from top to bottom in the longitudinal direction；the sulfur deposition rate increases with sulfur concentration increasing in gas；sudden expanding or narrow pores exhibit different sulfur deposition law.

EDEM-Fluent；coupled simulation；high sulfur content gas reservoirs；sulfur deposition

國家自然科學(xué)基金項目“高含硫氣藏井筒硫沉積機(jī)理研究”（51474181）

TE319

A

10.6056/dkyqt201602018

2015-10-10；改回日期：2016-01-07。

李周，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事高含硫氣田開發(fā)研究工作。E-mail：2326982929@qq.com。

引用格式：李周，羅衛(wèi)華，吳昊，等.基于EDEM-Fluent耦合模擬高含硫氣藏地層硫沉積［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：213-215. LI Zhou，LUO Weihua，WU Hao，et al.Coupled simulation of sulfur deposition in sour gas reservoir formation based on EDEM-Fluent［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（2）：213-215.