硫在高含硫化氫天然氣中溶解度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

摘 要

摘要：硫的溶解度測(cè)定是高含H2S氣田開采過(guò)程中首先要解決的基礎(chǔ)問(wèn)題之一。為此，利用靜態(tài)法測(cè)定了元素硫在普光氣田X井高含H2S天然氣中的溶解度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在溫度336.2～396.6K
摘要：硫的溶解度測(cè)定是高含H2S氣田開采過(guò)程中首先要解決的基礎(chǔ)問(wèn)題之一。為此，利用靜態(tài)法測(cè)定了元素硫在普光氣田X井高含H2S天然氣中的溶解度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在溫度336.2～396.6K、壓力10.0～55.2MPa下，元素硫的溶解度介于0.0083～2.0672g/cm3；隨溫度和壓力的增加，硫的溶解度增大，而高壓(大于30MPa)下增加的幅度較之低壓下更加明顯。該研究結(jié)果為普光氣田的開發(fā)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：硫；硫化氫；溶解度；天然氣；普光氣田；實(shí)驗(yàn)；測(cè)定
    在高含H2S天然氣開采過(guò)程中，隨著地層壓力的不斷下降，硫在高含H2S天然氣中的溶解度也隨之降低，硫?qū)⒁蛟跉怏w中過(guò)飽和而析出并沉積在地層中，從而降低氣井產(chǎn)能，嚴(yán)重時(shí)，造成氣井停產(chǎn)[1～3]。因此，測(cè)定硫在高含H2S天然氣中的溶解度對(duì)高酸性氣田的開發(fā)至關(guān)重要。
    雖然有學(xué)者[4～7]對(duì)硫的溶解度進(jìn)行了測(cè)定，但主要以純氣體或?qū)嶒?yàn)室復(fù)配氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很少直接采用分離氣體開展實(shí)驗(yàn)。為此，利用靜態(tài)法測(cè)定了元素硫在高含H2S天然氣中的溶解度，考察了溫度和壓力對(duì)溶解度的影響，進(jìn)而為普光氣田的高效、安全開采提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
    固體硫粉由中國(guó)石化西南油氣田分公司提供，其純度為99.9%；高含H2S天然氣取自普光氣田X井的一級(jí)分離器氣，其組分組成由氣相色譜測(cè)定(氣藏溫度396.6K，地層壓力55.2MPa)，具體數(shù)據(jù)如下：H2S為13.79%，N2為0.52%，C02為9.01%，CH4為76.64%，C2H6為0.03%，He為0.01%。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
    本實(shí)驗(yàn)用靜態(tài)法測(cè)定硫在高含H2S天然氣中的溶解度，測(cè)定裝置如圖1所示。高壓平衡釜和管線材質(zhì)均為抗H2S、C02不銹鋼，壓力為0.1～68.94MPa，精度為0.02MPa；溫度為288.2～473.2K，精度為0.1K；天平精度為0.1mg。恒溫箱溫度波動(dòng)為±0.1K。
 

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟
    步驟：①先按圖1流程連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行檢漏；②量取適量硫粉置于1中，利用V6抽真空，并用其中的氣體反復(fù)吹洗儀器及管線4次，同時(shí)開啟2加熱到實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度；③啟動(dòng)泵5至設(shè)定壓力后，使硫粉與天然氣充分混合，平衡時(shí)間控制在24～25h，然后開啟9至預(yù)定壓力，使平衡釜內(nèi)的混合氣體進(jìn)入裝置10；④打開V7、V9～V11，然后逐步緩慢降低回壓泵壓力，氣體緩慢流出，并使硫充分析出并沉積；⑤記錄氣體體積讀數(shù)，并用CS2溶液清洗出口端管線，收集揮發(fā)后的固體硫，并用天平稱重；⑥整個(gè)過(guò)程通常持續(xù)4～5h，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)收集得到的氣體體積1～2m3，利用計(jì)量的固體硫重量和累積氣體體積值，可得到一定溫度壓力條件下高含H2S天然氣中硫的溶解度；⑦重復(fù)步驟③～⑥，直至所要求的10個(gè)壓力水平；⑧改變溫度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。
1.4 實(shí)驗(yàn)條件
    根據(jù)普光氣田X井設(shè)計(jì)要求，本實(shí)驗(yàn)選擇5個(gè)溫度水平(即336.2、351.2、366.2、381.2、396.6K)，每個(gè)溫度下對(duì)應(yīng)做10個(gè)壓力水平(即表壓10.0、15.0、20.0、25.0、30.0、35.0、40.0、45.0、50.0、55.2MPa)。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)測(cè)定5～6次，剔除異常點(diǎn)，取平均值，且確保每點(diǎn)與平均值的偏差小于5%。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    不同溫度和壓力下測(cè)得的硫在高含H2S天然氣中的溶解度如圖2所示。
 

    由圖2可知：①在溫度336.2～396.6K、壓力10.0～55.2MPa下，硫在高含H2S天然氣中的溶解度在0.0083～2.0672g/m3；②溫度一定時(shí)，硫的溶解度隨著壓力增加而增大。分析認(rèn)為，當(dāng)溫度一定，壓力增大時(shí)，高含H2S天然氣的密度增大。根據(jù)化工熱力學(xué)和超臨界流體理論[8]可知，物質(zhì)的溶解能力與其密度成正比，即氣體密度增大，溶質(zhì)的溶解度一定增加。③壓力一定時(shí)，硫的溶解度隨著溫度增加而增大，原因在于溫度對(duì)硫在高含H2S天然氣中溶解度的影響有兩個(gè)方面，一方面溫度增加致使硫的相對(duì)揮發(fā)度增大，有利于溶解度的增加，另一方面溫度增加使得高含H2S氣體密度減小，從而導(dǎo)致溶解度降低。因此，溫度對(duì)溶解度的影響取決于兩者的綜合作用。在本研究實(shí)驗(yàn)條件內(nèi)，硫的相對(duì)揮發(fā)度對(duì)溶解度的影響起決定性作用，從而使得溶解度隨溫度的升高而增大。④當(dāng)壓力低于15MPa時(shí)，隨著溫度的升高，硫的溶解度變化較??；當(dāng)壓力介于15～30MPa時(shí)，隨著溫度的升高，硫的溶解度逐漸增加，且幅度越來(lái)越大；當(dāng)壓力高于30MPa時(shí)，隨著溫度的增加，硫的溶解度也逐漸增大，且增加的幅度相當(dāng)明顯，即溫度越高硫的溶解度增幅越明顯。
3 結(jié)論
    1) 測(cè)定了溫度336.2～396.6K、壓力10.0～55.2MPa范圍內(nèi)硫在高含H2S天然氣中的溶解度為0.0083～2.O672g/m3。
    2) 溫度恒定時(shí)，硫在高含H2S天然氣中的溶解度隨著壓力的增加而增大，且溫度越高溶解度隨壓力的變化越明顯。
    3) 壓力恒定時(shí)，硫的溶解度隨著溫度的升高而增大，且高壓(大于30MPa)下增加的幅度較低壓下明顯。
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(本文作者：卞小強(qiáng)1 杜志敏1 郭肖1 湯勇1 楊學(xué)鋒2 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)；2.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院)