基于EDEM-Fluent耦合模拟高含硫气藏地层硫沉积

李周，罗卫华，吴昊，刘百川，赵慧言

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300）

基于EDEM-Fluent耦合模拟高含硫气藏地层硫沉积

李周1，罗卫华2，吴昊1，刘百川1，赵慧言1

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300）

溶解在酸性气体中的元素硫会随着地层压力的降低从气体中析出，析出硫微粒的沉积会对地层造成严重伤害。以往对于地层孔隙中硫微粒的沉积与否，主要是通过研究其所受合力情况来判别，忽略了硫微粒的具体形状、碰撞、聚集等因素。因此，针对井筒附近地层发生硫沉积的高含硫气藏，利用EDEM-Fluent耦合方法模拟研究孔隙中硫的沉积规律。研究结果表明：同样大小的微粒，由于存在碰撞、凝聚等作用力，所受合力不同，产生了不同的运动规律；在流动方向上，硫沉积量呈递增趋势；硫微粒在孔隙中的同一位置沉积量，会随着时间的增加逐渐增大；离孔隙壁面越近的硫微粒，沉积越牢固，越不容易被气流带走；硫微粒浓度在纵向从上到下依次增加；随着气体中硫质量分数的增加，硫沉积速率也增大；孔隙突然扩大或缩小，硫沉积呈现出不同的规律。

EDEM-Fluent；耦合模拟；高含硫气藏；硫沉积

高含硫气藏在世界范围内分布广泛，然而地层孔隙中的硫沉积给这一类气藏的开发带来了严重困难。当高含硫气体在通过井筒附近地层孔隙时，由于压降幅度急速增大，当气体含硫量超过了其溶解度时，硫微粒将从气体中析出。硫微粒可以被气体带走的，不会对地层造成影响；沉积的则会降低孔隙渗透率，更有甚者则会堵塞孔道［1-2］。

以往对于硫微粒的沉降研究，往往集中于对单个硫微粒在气流中进行受力分析，得到其沉降的临界条件，以此来判别微粒的运动状态。这些研究忽略了实际过程中微粒的运动情况，还有微粒的形状、微粒的相关属性，以及微粒之间、微粒与壁面的碰撞和聚集等。因此，本文在考虑以上问题的基础上，首次基于EDEMFluent耦合法模拟孔隙中硫沉积规律，更加直观和科学地得到了相关重要结论［3-5］。

1　EDEM-Fluent耦合原理

EDEM-Fluent耦合方法的优势为，无论高含硫气体还是硫微粒，都可以采用更适合自身特点的数值方法进行模拟，将微粒的形状、属性、粒径分布等都考虑进来，更准确地描述微粒的运动情况及其与流场的相互影响［6-7］。EDEM-Fluent耦合模拟流程见图1。

图1　EDEM-Fluent耦合模拟流程

2　EDEM-Fluent模拟地层孔隙硫沉积

本文所建立的模型，主要是对硫微粒在气体中析出后的沉积分布规律进行研究。因此，需要在计算开始前对关键参数进行设置，并在耦合结束之后，对结果进行分析。

2.1关键参数设置

为了更加真实反映硫微粒的具体形状（微粒的大小、直径等）和相关属性（包括微粒的密度、质量、碰撞方式、恢复系数、泊松比等），在EDEM中进行相关设置，实现了以往只利用Fluent或其他数值模拟软件的不足。

在Fluent中在进行EDEM耦合设置时，鉴于孔隙中硫沉积过程中固相微粒所占的比例会超过10%，会对气体的流动产生影响，因此采用的是Euler模型。

2.2直孔耦合结果分析

经过耦合模拟，得到了硫在地层孔隙中的沉积过程，如图2所示。

图2　地层孔隙中硫沉积过程

从图2及耦合中的现象，可以得到以下结论：硫沉积是从较远处开始，逐渐向井筒附近延伸；随着时间的推移，硫微粒沉积量逐渐增大，气体流动孔隙空间被近一步压缩；前面被气体携带的微粒，由于不能再被气体携带走进而沉积下来，进而导致离井筒越近的地方硫沉积量越大；在纵向上由于微粒的沉降，导致硫浓度从上往下依次增大。

沉积的硫微粒离壁面越近，越不容易受外界影响，从而牢固地沉积下来。离壁面较远的地方发生沉积的微粒，会产生剥离现象。形成这种情况主要是以下原因造成的：1）硫微粒在气流中由于受到流动方向上的惯性力作用，进而发生悬浮现象，即微粒处于气流中。这是由于其本身形状的不规则，以及沉积表面凹凸不平的影响，导致气流与沉积表面发生碰撞后，产生了垂直于气流方向上的力作用。2）在孔隙壁面沉积的微粒，由于和气流中悬浮微粒流速（v）存在一定差值，使得两者之间产生了压差，当压差足够大时（超过微粒的重力），刚刚沉积的表层硫微粒将被拽到气流中。3）硫微粒沉积表面和流体之间存在流速梯度，气流作用在硫微粒面上的力大小不同，并且硫微粒所受的压力中心不在其重心上，产生了一向上的升力，加上硫微粒所受的压力差异引起的升力，两者产生的合力大于微粒的重力时，表层硫微粒将被拽到气流中（见图3）。

图3　硫沉积过程中硫微粒速度分布

由于微粒的沉降，反过来对气流产生了作用，使孔隙中气流的压力分布（p）产生了变化，Fluent中的压力分布云图见图4。

图4　流体压力分布

由图4中可以看出：硫沉积的发生，使得孔隙底面流体流动压力最低；硫微粒沉积越严重的位置，流体流压越大。

2.3缩孔耦合结果分析

当气流从大孔隙空间进入小孔隙时，由于流动空间突然变窄，使得此时的硫沉积规律不同于单个孔隙中的硫沉积规律（见图5）。

图5　硫微粒缩孔沉积分布

从图5可以看出：流动空间的突然缩小，对大孔隙中沉积的硫产生了阻碍作用，导致在整个孔隙底面从一开始便有了硫沉积，随着时间的增加，硫沉积量增大；小孔隙空间硫沉积也是存在于整个流动通道，并且其沉积厚度大于大孔隙硫沉积厚度。此时气流动态压力分布见图6。

图6　缩孔流体压力分布

从图6可以看出：流体动态压力在硫沉积的位置及缩孔位置处最小，在流动方向上呈增大趋势，特别是由于流动孔隙半径的减小导致其增加幅度增大；单个孔隙中流体动态压力分布和直管类似。

2.4扩孔耦合结果分析

当气流从小孔隙空间进入大孔隙时，流动空间突然变大。硫沉积过程见图7。

图7　硫微粒扩孔沉积分布

从图7可以看出：流动空间突然扩大，小孔隙中沉积表层硫，由于沉积不牢固，一部分会被携带到大孔隙中；在大孔隙受到的气流作用较小，导致在大孔隙前端硫沉积量最大；在小孔隙中的硫沉积量明显小于下缩孔（其他条件相同）条件下的硫沉积量。

3　结论

1）同样大小的硫微粒，由于存在碰撞、凝聚的作用，合力不同，产生了不同的运动规律，因此，影响硫微粒的最终运动取决于其在不同位置的合力。

2）硫沉积是从较远处开始，逐渐向井筒延伸。随着时间的推移，硫沉积量逐渐增大，气体流动孔隙空间被近一步压缩。前面被气体携带的硫微粒，由于不能再被气体携带走进而沉积下来，进而导致离井筒越近的地方硫沉积量越大。在纵向上由于硫微粒的沉降，导致硫浓度从上往下依次增大。硫微粒在孔隙中的同一位置的沉积量，会随着时间的增加，逐渐增大。

3）硫沉积的发生，使得孔隙底面流压最低；硫沉积越严重的位置，流压越大。孔隙直径的突然扩大或者缩小，使得硫沉积规律不同。

［1］钟太贤，袁士义，周龙军，等.含硫天然气相态及渗流［J］.石油勘探与开发，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，FAN 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.

（编辑杨会朋）

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

国家自然科学基金项目“高含硫气藏井筒硫沉积机理研究”（51474181）

TE319

A

10.6056/dkyqt201602018

2015-10-10；改回日期：2016-01-07。

李周，男，1990年生，在读硕士研究生，主要从事高含硫气田开发研究工作。E-mail：2326982929@qq.com。

引用格式：李周，罗卫华，吴昊，等.基于EDEM-Fluent耦合模拟高含硫气藏地层硫沉积［J］.断块油气田，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.