油燃而声 第37期 | 高含硫气藏 —— 因“硫化氢”而与众不同

张烈辉|《油气简史》

    （第二版 富媒体）

    油燃而声   第37期

高含硫气藏 —— 因“硫化氢”而与众不同

    天然气“沉睡”在地下几百万年甚至更长时间, 开采到地面后，是一种可燃气体，主要成分是烃类气体甲烷（CH₄），同时含有一些非烃类气体，例如 CO₂、N₂、H₂S、H₂O 等。因此，天然气是一种混合气体。根据天然气组成成分来划分，天然气有很多名字， 如干气、湿气、贫气、富气等，仿佛一个“大家庭”， “兄弟姐妹”众多。

    同样，天然气气藏也有很多叫法，如干气藏、湿气藏、凝析气藏、高含 CO₂ 气藏、高含硫气藏、煤层气藏、页岩气藏、天然气水合物等，天然气藏也是一个“大家庭”。

     这里先介绍天然气藏大家庭中非常特殊的一类气藏——高含硫气藏。顾名思义，该类气藏硫化氢（H₂S）含量较高——通常是指气藏中硫化氢含量超过30g/m³ 的气藏。大家知道，H₂S 是一种无机化学物质，正常情况下是一种无色、易燃的酸性气体，浓度低时带恶臭，气味如臭鸡蛋，浓度高时反而没有气味，毒性剧烈，一不小心吸入了就会导致人畜中毒甚至死亡。事实上，H2S 还会腐蚀钻井管柱、设备、阀门等。因此，高含硫气藏的特殊性在于：H₂S 含量高，具有剧毒性和腐蚀性。

     高含硫气藏在全球范围分布广泛 , 美国得克萨斯州 Murray Franklin 气田、密西西比州 Black/Josephine 气田、Cox 气田以及加拿大阿尔伯达省 Bentz/Bearberry 气田、Panther River 气田以及我国渤海湾盆地赵兰庄气田、胜利油田罗家气田和四川盆地渡口河气田飞仙关组气藏、罗家寨气田飞仙关组气藏、普光气田飞仙关组气藏、铁山坡气田飞仙关组气藏、龙门气田飞仙关组气藏、高峰场气田飞仙关组气藏、中坝气田雷口坡组气藏和卧龙河气田嘉陵江组气藏等 , 这些气藏都是高含硫气藏。

     四川盆地已发现的高含硫气藏大都是裂缝—孔隙型碳酸盐岩有水气藏，气藏的孔隙、裂缝发育，裂缝是气、水流体渗流的主要通道。可以用前面介绍的孔隙—裂缝双重介质流动模型来描述气、水的流动规律，这与前面介绍的常规的裂缝—孔隙型碳酸盐岩有水气藏的流动模型是相同的，这里不再赘述。

     与常规的碳酸盐岩有水气藏不同的是，高含硫气藏在采掘过程中相态特征复杂，同时还存在相变，传统意义上经典的渗流规律不再适应高含硫裂缝型气藏，这使得高含硫气藏开发存在更大的难度和挑战性，开发方案编制存在复杂性和特殊性。

⊙ 高含硫气藏中的渗流

     通常情况下，高含硫气藏中都溶解有一定量的硫，像空气中含有一定的固体颗粒——雾霾一样。因此，在开采高含硫气藏过程中，随着地层压力和温度不断下降，当气体中的硫黄含量达到饱和时，硫黄将以晶体形式（类似食盐）从含硫气体中析出，若硫黄的结晶体微粒直径大于储层孔道的直径，或者气体携带结晶体的能力低于硫黄结晶体的析出量，就会发生硫黄的物理沉积现象，并沉积在地层孔隙中。

⊙ “硫”的沉积与危害

     从气体中析出的硫黄在地层中有两种状态，液态或者是固态的。在大多数情况下，如果地层温度大于 119℃时，硫黄以液态的形式析出，在地层中就会形成“气—液态硫两相”的渗流现象。由于液态硫的物性与气体有很大差异，具有较大的密度和黏度，显然不会以相同的速度随着气流运移，在地层中将占据一定的孔隙空间，特别是在近井地带硫黄的析出量较大，会对气体的渗流造成严重的影响。同样地，如果硫黄在地层中以固态形式存在，那么在地层中形成“气—固态硫两相”渗流现象。固态硫沉积在地层孔隙中，会改变多孔介质的孔隙结构， 堵塞孔道，引起孔隙空间、渗透能力降低，导致气体流动能力降低。

            

     事实上，气藏中通常都会存在地层水，因此，在高含硫气藏开采过程中会形成“气—液（水）—液（硫）”“气— 液（水）—固（硫）”多相复杂渗流的现象。正是由于地层中液（硫）、固（硫）的存在，高含硫气藏的流动与传统意义上常规天然气藏中经典的气—水两相流动渗流规律明显不同。

     所以，对于高含硫气藏，孔隙—裂缝双重介质流动模型中必须考虑这些复杂的流体相变行为及特有的渗流特征，才能真实、客观地反映高含硫气藏中流体的流动规律，才能准确预测开发动态指标预测，正确编制开发方案，从而指导该类气藏的安全高效开发。

⊙ 四川盆地是我国高含硫天然气开发的主战场

     四川盆地高含硫气藏，是四川盆地海相碳酸盐岩有水气藏的一种特殊流体类型的气藏，显然，形成的海相碳酸盐岩有水气藏开发技术体系也适合于高含硫气藏的高效开发和治水防水提高采收率。不同的是，针对高含硫的特点，还形成了四川盆地含硫气藏清洁、安全开发配套技术。

     目前，全球已发现 400 多个具有工业价值的高含硫气藏（田），主要分布在加拿大、美国、法国、德国、俄罗斯、中国和中东地区。高含硫天然气藏无论是储量或是产量在我国天然气中都具有重要的地位。我国累计探明高含硫天然气储量逾万亿立方米，主要分布在渤海湾盆地和四川盆地海相地层。四川盆地是我国天然气工业的发源地，已探明高含硫天然气储量超过 9000×10^8 m³，占全国同类天然气储量的比例超过90%，是中国高含硫天然气开发的主战场。由于硫化氢气体的剧毒性和腐蚀性，使得安全、清洁、经济开发高含硫天然气变得技术要求高、开发难度大。

     科学家们正在考虑用光催化技术实现H₂S 制氢和高值硫化产品， 从而实现 H₂S 的清洁作用。

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图文来源 | 《油气简史》

绘图 | 侯雪梅

编辑 | 张钰晗

责编 | 王思翔 缪游佳 

审核 | 刘仲铭