[发明专利]一种对含有H2S/CO2气田井筒流体成份监测系统及其分析方法

权利要求书

1.一种对含有H₂S或CO₂气田井筒流体成份监测的系统，其特征在于，所述监测系统中包含样品分析单元，数据处理单元和输出单元；

所述样品分析单元包括：取样装置，减压阀，管路，用于承载被测气体以便于测量的气体容量环，用于测量气体组分的气相色谱仪，H₂S警报器和碱性池；所述取样装置通过减压阀和管路将样品气输入进气体容量环和气相色谱仪进行分析检测，多余气体进入所述碱性池进行中和；

所述样品分析单元中的气相色谱仪和所述数据处理单元连接；所述数据处理单元对样品数据进行分析，并将结构通过所述输出单元输出。

2.根据权利要求1所述成分监测系统对高含H₂S/CO₂气井流动规律进行分析预测的方法，其特征在于，

根据分析沿井筒各组分变化、流沉积、流态变化及热损失条件下，建立高含H₂S/CO₂气田井筒多相流动规律预测模型；

所述建立的高含H₂S/CO₂气田井筒多相流动规律预测模型的步骤包括；

(1)建立压降计算模型

根据质量守恒方程和动量守恒方程可得单相井筒流动的压力梯度方程为：

dpdL=fρv22d+ρgsinθ+ρvdvdL---(1-1)]]>

对于多相流动的情况，应对相关的参数作如下的修正：

ρ_m＝ρ，u＝u_m，f＝f_m，v＝v_m，N_Re＝(N_Re)_m

角标m代表混合物的物理量。因而多相流的能量方程式为：

dpdL=ρmvmdvmdL+gρmsinθ+fmρmvm22d]]>

根据能量方程式，Hagedorn-Brown得到压力梯度方程式为：

ΔpΔL=gρmsinθ+fmqL2Mt29.21×109d5ρm+ρmΔ(vm2/2)ΔL---(1-2)]]>

动能项都很小，在工程上可以忽略，则上式变为：

ΔpΔL=gρmsinθ+fmqL2Mt29.21×109d5ρm---(1-3)]]>

式中：ΔL-深度增量，m；Δp-压力变化量，Mp_a；ρ_m-气液混合物密度，kg/m³；g-重力加速度，m/s²；f_m-两相摩阻系数；q_L-地面产液量，m³/d；M_t-地面标准条件下，每生产1m³气体伴生气水总质量，kg/m³；d-油管内径，m；v_m-气液混合物速度，m/s；

(2)建立温度梯度模型

1)建立条件

a)气液两相在井筒中的流动是稳定流动，并只沿流动方向作一维流动；

b)气液两相处于热力学平衡状态，在过流断面的任意位置上，气液两相的压力、温度相等，流体流动状态为稳定流动；

c)气液两相间无质量传递；

d)井筒中的传热为稳态传热，井筒周围地层中的传热为非稳态传热；

e)井筒及地层中的热损失是径向的，不考虑沿井深方向的传热；

2)建立能量方程

井筒温度的模型基于质量、动量、能量守恒原理，焓是一个状态函数h＝h(P，T)，焓的变化可以考虑为温度或压力的独立影响，

dh=(dhdT)PdT+(dhdP)TdP=CpmdT+(dhdP)TdP---(2-1)]]>

假设等焓过程，所以

dh=0=CpmdT+(dhdP)TdP]]>或(dhdP)T=-Cpm(dTdP)h=-CpmCJm---(2-2)]]>

联立(2-1)(2-2)得：dh＝C_pmdT-C_pmC_JmdP(2-3)

将(2-3)代入能量守恒方程式中得到

CpmdTfdL-CpmCJmdPdL+vmdvmdL+gsinθ+fvm22d=-dqdL---(2-4)]]>

计算热损失dq，

在井筒内：dq=2πrtoUto(Tf-Th)dLGm---(2-5)]]>

在地层中：dq=2πke(Th-Te)dLGmf(t)---(2-6)]]>

式中：T_h-水泥环外经温度，K；T_f-油管内流体温度，K

联立解方程(2-5)(2-6)得

dq=2πkeTf-TeGm(f(t)+kertoUto)dL---(2-7)]]>

将(2-7)代入(2-4)中，简化后得：

dTfdL=-A(Tf-Te)-gsinθCpm-vmdvmCpmdL+CJmdPdL+fmvm2Cpm2d---(2-8)]]>

其中，A=2πrtoUtoKeCpmGm[rtoUtof(t)+Ke]]]>

式中：G_m-总质量流量，kg/s；r_to-油管外径，m；U_to-总传热系数W/(m·K)；K_e-地层导热系数，W/(m.K)；C_pm-井筒流体混合物的平均比定压热容，J/(kg·K)；f(t)-地层瞬时传热函数。

计算方法如下

式中r_cem-水泥环半径，m；α-地层扩散系数，m²/s；t-生产时间，s；

将井筒分为若干段，在每一小段内认为C_pm、g_T、知保持不变，则(2-8)的通解为：

Tf=Ce-AL+Te+1A(-gsinθCpm-vmdvmCpmdL+CJmdPdL+gTsinθ+fmv2Cpm2d)---(2-9)]]>

代入边界条件：L＝L_in，T_f＝T_in，T_e＝T_ein得：

C=[Tfin-Tein-1A(-gsinθCpm-vmdvmCpmdL+CJmdPdL+gTsinθ+fmvm22Cpmd)]/e-ALin---(2-10)]]>

则得到每段出口处温度计算公式：

Tfoul=Teout+1-e-A(Lout-Lin)A(-gsinθCpm-vmdvmCpmdL+CJmdPdL+gTsinθ+fmvm22Cpmd)+e-A(Lout-Lin)(Tfin-Tein)---(2-11)]]>

其中：T_einT_eout-地层内流体进、出口段温度，K；T_finT_fout-井筒流体进、出口段温度，K；T_e-地层温度，K，T_e＝T_ebh-g_TLsinθ；T_ebh-井底处温度，K；g_T-地温梯度，K/m；C_pm-井筒流体混合物的平均比定压热容，J/(kg.K)；C_Jm-井筒流体混合物焦耳-汤姆逊系数；

(3)建立硫沉积预测模型

3.1硫在井筒中的溶解度预测模型

由于单质硫在天然气中的溶解度是随着温度和压力的改变而改变的，研究单质硫的溶解度随温度和压力的变化关系预测单质硫的溶解度，

Roberts在Chrastil提出的经验关联模型基础上，结合Brunne：和Woll等人的实验数据，回归拟合出了估计硫在高含硫气体混合物中溶解度的公式：

C=ρ4exp(-4666T-4.5711)---(3-1)]]>

其中c-元素硫的溶解度，g/m³；T-井筒的温度，K；ρ-天然气密度，kg/m³

为了获得硫与压力和温度的变化关系式，将(3-1)式中的酸性天然气密度ρ写成用压力P、温度T表示的关系式。气体状态方程为

PV＝ZnRT    (3-2)

式中n-天然气的摩尔数，mo l；V-天然气体积，m³；p-井筒压力，MPaT-井筒温度，K；Z-天然气的偏差因子(平均值)；R-通用气体常数，0.008471MPa  m³/(kmol K)；

而气体密度可用下式表示

ρ=mV=MgnV---(3-3)]]>

式中ρ-天然气密度，kg/m³；m-体积为V的天然气的质量，kg；

V-质量为m的天然气体积，m³；M_g-天然气的分子量；n-天然气的摩尔数，mol；

将(3-2)代入(3-3)式，可得：

ρ=MgPZRT---(3-4)]]>

又因为天然气的相对密度为：

rg=MgMa---(3-5)]]>

式中M_a-干燥空气的分子量，28.97；

将(3-5)式代入(3-4)式得：

ρ=MargZRTP---(3-6)]]>

然后将(3-6)代入(3-1)式，整理后可以得到硫的溶解度与压力之间的关系：

C=P4(MargZRT)4exp(-4666T-4.5711)---(3-7)]]>

井筒中中任一段ΔL处，在dt时刻因为压力降落而析出的硫体积为：

dVs=qgBgΔCdtρs×10-6---(3-8)]]>

式中：Bg-天然气气体体积系数，无量纲；q_g-气井地面产量，m³/d；ρ_S-固体硫的密度(≈2.07)，g/cm³；t生产时间d；若在t＝0时，硫的析出量为零，则在t时刻析出的体积为：

VS=qgBgΔCtρS×10-6---(3-9)]]>

3.2硫在井筒中沉积位置预测

若已知井底L₀处的压力为P₀，温度为T_f0，硫的溶解度为C₀。将(P₀，T_f0)带入到式(3-7)便可以得到井底的含硫饱和度C₀’；C₀＜C₀’，井底不会有硫颗粒析出；将C₀作为临界溶解硫饱和度，在井筒中硫的溶解度随压力或温度变化的曲线中找到溶解度时候的压力或温度，并根据气、液两相温度压力分布模型确定此时的井深L’，L’点即为所要求的硫在井筒中的析出位置；

3.3井筒中硫沉积判定分析

分析前提：

1)气井产水；

2)并筒中若有硫析出，则井段为气、液、固三相流动，析出的硫颗粒近视球形固体颗粒；

3)井筒若有硫析出，且气流不能将硫带出，则认为硫均匀沉积在析出的位置；

4)不考虑颗粒在井筒中流动时的碰撞、聚团效应的影响，硫沉积后不考虑冲蚀作用的影响；

5)考虑临界悬浮速度对硫在井筒中流动的影响；

当硫颗粒在井筒中析出时，硫颗粒是否沉积取决于天然气流速与硫在井筒中的临界流速的大小；设天然气的流速为v_m，则，在井筒析出位置L’处的流体密度为ρ_m，析出颗粒的平均粒径为代入硫颗粒在井筒中的临界流速计算式可得：

vgcr=3.62dS‾(ρS-ρm)sinθCDρm[1-(dS‾d)2]---(3-10)]]>

当υ_m＞υ_gcr时，硫颗粒在井筒L’处被携带，随气流向井口方向运动，不沉积；

当υ_m≤υ_gcr时，硫颗粒在井筒L’处不能被气体携带而在析出位置沉积；

3.4硫颗粒平均粒径计算

在井筒中析出的硫颗粒大小不一，利用概率论和数理统计的方法确定颗粒的平均粒径；确定曲线函数f(d_S)后，用下式计算平均粒径的大小：

dS‾=∫dSf(dS)d(dS)∫f(dS)d(dS)---(3-11)]]>

3.5硫在井筒中沉积量计算步骤：

①首先将油管分段，每段长度为ΔL，一般要求小于整个管长的5％；

②按照前面计算出的温度压力分布，做出溶解度随压力(温度)变化的曲线；

③已知井底的含硫溶解度C₀，将作为C₀临界溶解度，在所作的溶解度随压力(温度)变化的曲线中找到溶解度为C₀时的温度、压力以及此时的井深；在井筒中的该位置即为硫在井筒中析出的初始位置，(井筒中的流体从气液两相流动开始转变成气、液、固三相流)；

④以析出位置为初始点，按照井筒中气、液、固三相流动公式计算出井筒中的压力温度分布，按照公式(3-7)计算出每小段的溶解度，作差后得到ΔC；

⑤按照公式(3-9)计算出硫沉积体积量

(4)井眼轨迹计算模型

采用自然参数法进行井眼轨迹的计算，条件为测段内井眼轨迹的井斜变化率和方位变化率分别保持为常数；于是有

ΔN=-12KP[cos(AP+KPΔL)-cosAP]]]>(4-1)

-12KQ[cos(AQ+KQΔL)-cosAQ]]]>

ΔE=-12KP[sin(AP+KpΔL)-sinAP]]]>

(4-2)

+12KQ[sin(AQ+KQΔL)-sinAQ]]]>

ΔH=1Kα[sin(αA+KαΔL)-sinαA]---(4-3)]]>

ΔS=-1Kα[cos(αA+KαΔL)-cosαA]---(4-4)]]>

其中

K_P＝K_α+K_φ；K_Q＝K_α-K_φ；A_P＝α_A+φ_A；A_Q＝α_A-φ_A