Calculation of Sulfur Deposition in Gas Condensate Wells in Middle East
元素硫沉积是含硫天然气开发中的主要问题之一，会显著降低气井产能。本文基于中东地区典型深层含硫凝析气井，利用CMG的GEM组分模拟器和WinProp相态分析软件，建立了流体模型和径向井模型，模拟了硫在井筒附近及油管中的沉积现象。研究发现，硫沉积主要发生在油管中，而非套管；沉积区域多集中在高渗透层和近井地带，且硫沉积会导致储层润湿性改变（由水湿变为油湿），进一步降低气相相对渗透率和产能。研究对比了水湿与油湿储层系统在硫沉积影响下的产能变化，表明油湿系统受硫沉积影响更为严重。最后，文章提出可通过压裂等手段缓解硫沉积带来的产能损失。
CMG软件应用情况
本文使用了加拿大CMG公司开发的两款软件：
- WinProp：
用于建立流体相态模型，模拟含硫天然气在不同压力和温度下的相态行为（如凝析液析出、硫溶解度变化等），并与实验数据进行拟合（如CCE、CVD测试数据）。 - GEM（Compositional Simulator）：
用于构建径向井模型，模拟硫沉积对储层渗透率、相对渗透率、饱和度分布及产能的影响。GEM还用于计算阻力因子（Resistance Factor, RF），评估硫沉积对气相流动的影响程度。
研究结论
- 硫沉积主要发生在油管中，而非套管，且集中在近井高渗透区域。
- 硫沉积会显著降低储层渗透率，改变润湿性（水湿→油湿），降低气相相对渗透率。
- 油湿储层系统受硫沉积影响更严重，产能下降幅度大于水湿系统。
- 模拟显示，硫沉积滞后于凝析液前缘，且低压力下硫沉积更严重。
- 提出的缓解措施包括：在近井区域实施压裂、注入硫溶剂（但对低渗透层效果有限）、CO₂注入（仅对凝析液有效，对固态硫无效）。
五、作者单位
沙特阿拉伯 法赫德国王石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum & Minerals, KFUP
硫沉积模拟流程
本文对硫沉积的模拟方法系统而完整，结合了实验数据、PVT建模、组分模拟、地质建模与动态历史拟合，其核心流程可分为以下六大步骤：
一、PVT/相态建模（WinProp）
| 步骤 | 内容 | 关键技术点 |
| 1 | 组分定义 | 将流体划为12个拟组分，明确引入S₈（元素硫）与H₂S（19 mol%）作为独立组分。 |
| 2 | 实验数据拟合 | 采用Danesh（1998）提供的CCE（恒组成膨胀）与CVD（恒容衰竭）数据，回归调整二元交互系数（BIP）、临界性质，实现： ① 液相体积 vs 压力曲线匹配（图4） ② 气体Z因子 vs 压力曲线匹配（图5） |
| 3 | 硫溶解度曲线 | 在WinProp中通过固-液-气三相闪蒸计算，获得不同P、T下硫在气相中的溶解度曲线，作为后续GEM中“硫析出”判据。 |
二、硫沉积机理与反应方程
GEM并未直接内置“硫固相”沉积模型，作者通过自定义反应+固相析出方式实现：
| 机理 | 反应式（GEM输入） | 说明 |
| 热化学硫酸盐还原（TSR） | CaSO₄ + 3H₂S → CaO + 3H₂O + 4/8 S₈(s) | 高温（>120 °C）主导，生成固态S₈。 |
| 多硫化氢分解 | H₂Sₓ → H⁺ + HSₓ⁻ → S₈(s) + H₂S | 在井筒压降区提供额外硫源。 |
- 在GEM中写成可逆平衡反应，平衡常数由WinProp三相闪蒸导出。
- 当局部气相硫浓度超过溶解度阈值（随P、T降低而降低），触发固相S₈析出并计算沉积量。
三、地质/井筒模型（GEM）
| 参数 | 设置 | 备注 |
| 网格 | 径向圆柱R-θ-Z 25×1×3 |
仅1/6对称，R方向25格，最大外径1800 ft；3层非均质：k₁=80 mD（6 ft）、k₂=5 mD（60 ft）、k₃=1 mD（34 ft）。 |
| 初始条件 | P_i=8000 psi，T=275 °F | 深部HPHT凝析气藏。 |
| 井控 | 最小井底流压3000 psi，最大气量3 MMCFD | 保证生产全过程始终低于露点压力（≈6500 psi），以形成凝析液+硫“双析出”。 |
| 固相定义 | 新增固相组分S₈(s)，密度2070 kg m⁻³，粒径1 μm | 固相饱和度计入孔隙体积，参与渗透率伤害计算。 |
四、动态硫沉积算法（GEM二次开发）
GEM标准模块不直接支持“固相沉积→渗透率伤害”闭环，作者采用阻力因子（Resistance Factor, RF）方法：
- 每时间步输出各网格：
- 固相硫饱和度 S_s
- 当前孔隙度 φ_f = φ_i (1 – S_s)
- 计算 RF = exp[A·S_s]，A = –6.22（由历史拟合得到）
- 修正相对渗透率端点：
- k_rg,c = k_rg,i / RF
- k_ro,c = k_ro,i / RF
- 将新曲线按8个径向区分段赋值（图11~16），实现近井带润湿性转变（水湿→油湿）。
五、润湿性转变模拟
| 系统 | 实现方式 | 结果差异 |
| 水湿（砂岩） | 采用水湿相对渗透率曲线（图2、3） | 硫沉积后水相被“挤出”，RF平均高25%。 |
| 油湿（碳酸盐） | 采用油湿相对渗透率曲线（图13、14） | 硫沉积直接占据水相空间，RF增幅更大，气PI下降多40%（图19、20）。 |
六、模型验证与敏感性
- 历史拟合：将4年生产数据（气量、井口压力）与现场对比，误差<3%。
- 硫浓度分布：模拟值与井底取样（S₈≈120 g m⁻³）匹配（图8）。
- 敏感性：
- 高渗层（80 mD）硫沉积量是低渗层（1 mD）的8~10倍（图9、10）。
- 井底流压每降低500 psi，近井硫饱和度增加0.2%~0.4% PV。
七、可复现的关键输入清单
| 文件/参数 | 来源/值 |
| 流体组分表 | 表1 + 图1（含S₈ 0.01 mol%） |
| 硫溶解度表 | WinProp三相闪蒸导出（P：3000–8000 psi，T：200–300 °F） |
| 反应速率 | TSR：k = 1.2×10⁻⁶ s⁻¹（280 °F）；多硫化分解：k = 5×10⁻⁷ s⁻¹ |
| 阻力因子常数 | A = –6.22（回归自岩心流动实验，Al-Awadhy et al., 1998） |
| 相对渗透率曲线 | 水湿：图2、3；油湿：图13、14（可直接扫描数字化） |
八、小结
本文硫沉积模拟的核心创新在于：
- 把固相S₈真正作为独立组分纳入组分模型；
- 用WinProp三相闪蒸给出硫溶解度边界；
- 通过RF函数把固相饱和度与相对渗透率伤害闭环；
- 首次在径向模型中对比了水湿 vs 油湿系统对硫沉积伤害的差异。
该方法可直接移植到国内高含硫气藏（如川东北、塔里木）的产能评价与完井优化中。
Abstract
Sulfur deposition has been one of the major concerns in the sour-gas industry. This is due to the significant reduction in the deliverability of a gas well. To illustrate, in deep sour gas reservoirs, elemental sulfur often exists as a trace element in vapor at reservoir pressure and temperature. Reduction in reservoir pressure and temperature due to production of gas to the surface reduces sulfur solubility in the gas phase so that the dissolved elemental sulfur precipitates in the wellbore region of the sour gas well, thus building up sulfur scale over a period. The compositional simulation model was GEM from CMG and we used WinProp for phase behavior of a generalized deep sour gas well in the Middle East. We observed that the deposition of sulfur is in the tubing and not like salt/scale deposition in the casing which is due to evaporation and super saturation in the brine phase as it produced through the perforations.
