張育華，薛 崗，韋 瑋，王登海，胡建國(guó)，鄭 欣，葛 濤，閆曉峰

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西西安 710018；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西西安 710018；4.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠，陜西西安 710018）

蘇里格氣田上古集輸工藝主要采用“井下節(jié)流，井口不加熱、不注醇，中低壓集氣，帶液計(jì)量，井間串接，常溫分離，二級(jí)增壓，集中處理”。隨著蘇里格氣田開(kāi)發(fā)和穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，部分區(qū)塊開(kāi)發(fā)層位由單一的上古盒8 氣藏轉(zhuǎn)入同時(shí)兼顧開(kāi)發(fā)下古馬1+2 氣藏，例如蘇6區(qū)塊和桃2 區(qū)塊等，由于下古氣藏單井所在集氣站無(wú)下古流程，并且位置偏遠(yuǎn)分散等原因，難以接入已建的上古集輸系統(tǒng)，這部分產(chǎn)能無(wú)法發(fā)揮。這部分氣井H2S平均含量為207 mg/m3，最高含量達(dá)到1 000 mg/m3，氣量為10×108m3，屬于低潛硫天然氣。因此，蘇里格氣田上下古疊合區(qū)的下古天然氣需要在井場(chǎng)或站場(chǎng)脫硫后進(jìn)入上古集輸系統(tǒng)，上下古疊合區(qū)下古天然氣藏的有效開(kāi)發(fā)影響著蘇里格氣田的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)，需要研發(fā)一套新型上下古合采地面集輸工藝模式，實(shí)現(xiàn)提高蘇里格氣田上下古疊合區(qū)下古氣藏采收率的目的。

1 上下古疊合區(qū)有效開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)

蘇里格氣田上下古疊合區(qū)天然氣的開(kāi)發(fā)存在著以下難點(diǎn)：

（1）蘇里格上下古疊合區(qū)距離靖邊氣田下古集輸系統(tǒng)和蘇里格東區(qū)塊下古集輸系統(tǒng)均較遠(yuǎn)，采用靖邊氣田或蘇里格東區(qū)集輸工藝，集氣站和配套的集氣支干線均需采用抗硫管材，地面投資會(huì)顯著增加，已有的靖邊氣田下古高壓集氣模式和蘇里格氣田東區(qū)上下古合采的地面集輸工藝模式均不適應(yīng)于該類區(qū)塊。

（2）長(zhǎng)慶氣田現(xiàn)有的脫硫工藝均不適用井口和集氣站低潛硫天然氣的脫硫，需要結(jié)合上古區(qū)域內(nèi)下古含硫氣井的分布特點(diǎn)及氣質(zhì)特點(diǎn)研發(fā)新的脫硫工藝。

因此，亟需比選或研發(fā)出一種脫硫工藝，形成以“脫硫工藝”為核心的上下古合采的地面集輸工藝模式。研發(fā)出適應(yīng)長(zhǎng)慶低潛硫氣質(zhì)特點(diǎn)的脫硫核心技術(shù)和裝置，脫除下古氣藏天然氣中的硫化氫，利用區(qū)塊已建上古集輸系統(tǒng)外輸，在不新建下古骨架系統(tǒng)的條件下，充分發(fā)揮下古產(chǎn)能，保障蘇里格氣田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)，提高氣田采收率。

2 上下古疊合區(qū)脫硫工藝概述

2.1 脫硫工藝的選擇

根據(jù)天然氣中所含硫元素質(zhì)量的多少，可將天然氣的脫硫處理規(guī)模劃分為低潛硫量（通常劃分界限為低于0.2 t/d 的元素硫）、中潛硫量（通常劃分界限為0.2～30 t/d 的元素硫）和高潛硫量（通常劃分界限為高于30 t/d 的元素硫）規(guī)模。蘇里格氣田邊遠(yuǎn)含硫氣井天然氣屬于低潛硫量范圍，國(guó)外對(duì)于低潛硫量＜50 kg/d天然氣脫硫建議采用非再生的固體和液體，其中非再生固體為氧化鐵，非再生液體為三嗪類液體脫硫劑。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[1-3]，三嗪類液體脫硫劑與天然氣中的硫化氫反應(yīng)后的產(chǎn)物，與水互溶，基本無(wú)毒，國(guó)外的使用經(jīng)驗(yàn)表明三嗪溶液脫硫技術(shù)適用于氣田低潛硫量天然氣脫硫，即大氣量低含硫和低氣量較高含硫工況。采用該工藝國(guó)外通常不回收反應(yīng)后的廢脫硫溶液，而是采用隨著氣田采出流體混合回注地層的方式進(jìn)行處理[4]。

對(duì)于中低潛硫量天然氣的脫硫，國(guó)內(nèi)主要有干法和濕法兩種脫硫工藝。干法通常為氧化鐵固體脫硫工藝，該工藝須對(duì)脫硫劑進(jìn)行更換，存在操作復(fù)雜、廢脫硫劑與空氣接觸后極易發(fā)生自燃，加大了廢脫硫劑回收處理難度。濕法主要為絡(luò)合鐵液相氧化還原法，該工藝通常用于MDEA 凈化裝置酸氣的硫磺回收，用于低潛硫量天然氣脫硫時(shí)運(yùn)行費(fèi)用和投資明顯偏高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)又最新開(kāi)發(fā)了一種SDT 漿液法脫硫工藝，在煉油及石化行業(yè)開(kāi)展了部分的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，SDT 漿液法以無(wú)定型羥基氧化鐵水漿液作為脫硫劑，與硫化氫反應(yīng)生成的硫鐵化合物為巰基硫化，且在有氧環(huán)境可以氧化生成單質(zhì)硫。巰基硫化鐵可以再生還原為無(wú)定型羥基氧化鐵。氧化鐵固法脫硫、SDT 漿液法脫硫和三嗪溶液脫硫工藝對(duì)比（見(jiàn)表1）。

根據(jù)表1 可知，三嗪溶液脫硫工藝在國(guó)外已經(jīng)成熟應(yīng)用，與其他兩種脫硫工藝相比具有反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)毒，處理簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，脫硫效率高，溶液更換方便、脫硫產(chǎn)物易處理的特點(diǎn)，更加適用于蘇里格氣田邊遠(yuǎn)井場(chǎng)、站場(chǎng)脫硫的特點(diǎn)，因此選擇三嗪溶液脫硫工藝[5，6]。

表1 氧化鐵固法、SDT 漿液法和三嗪溶液法三種脫硫工藝對(duì)比表

2.2 三嗪溶液的組成、脫硫原理及硫容

2.2.1 三嗪溶液脫硫劑的組成 國(guó)內(nèi)三嗪主要由三嗪原液、水、穩(wěn)定劑和增效劑組成，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，根據(jù)不同的氣質(zhì)特點(diǎn)可以靈活調(diào)整配比。

2.2.2 脫硫原理 三嗪屬于一種環(huán)狀胺，pH 在10～11。環(huán)上氮原子強(qiáng)烈的吸電子作用使得三嗪環(huán)上的碳具有親電性質(zhì)。當(dāng)?shù)淤|(zhì)子化時(shí)，會(huì)加強(qiáng)環(huán)上碳原子的親電性，促使嗪對(duì)硫化氫和其他親核試劑的親核攻擊反應(yīng)活性增強(qiáng)。這些結(jié)構(gòu)性質(zhì)使1，3，5-三（2-羥乙基）-六氫均三嗪成為良好的硫化氫脫除劑。三嗪與硫化氫在不同pH 反應(yīng)活性不同，pH 值越高，三嗪溶液活性越強(qiáng)。三嗪類化合物的水溶液與硫化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成噻二嗪，該過(guò)程不可逆，生成的脫硫產(chǎn)物仍然是水溶性液體，該液體具有無(wú)毒性能，安全可靠，可進(jìn)入常規(guī)水處理系統(tǒng)進(jìn)行后期再處理。

2.2.3 三嗪溶液脫硫劑的硫容 硫容是考核脫硫劑性能的重要指標(biāo)，是指每100 kg 脫硫劑所能吸收的硫的質(zhì)量，一般用百分比或單位體積吸收硫的質(zhì)量表示。國(guó)內(nèi)三嗪溶液脫硫劑理論硫容范圍為85～120 g/L，國(guó)外三嗪溶液脫硫劑的理論硫容范圍為120～180 g/L，溶液在達(dá)到理論硫容的最佳反應(yīng)溫度為20～30 ℃，且反應(yīng)過(guò)程不能有游離水，在遇大量游離水和反應(yīng)溫度較低工況，溶液硫容性能將不同程度的降低。根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)資料[7-11]，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算三嗪溶液脫硫劑硫容在120 g/L 時(shí)與氧化鐵固法脫硫劑運(yùn)行費(fèi)用基本持平。

3 蘇里格氣田地面集輸工藝模式

蘇里格氣田集輸工藝針對(duì)上古不含硫天然氣氣質(zhì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)。井口來(lái)天然氣經(jīng)采氣支線、干管進(jìn)入集氣站，在集氣站內(nèi)經(jīng)常溫分離脫除天然氣中的游離水，增壓至3.5 MPa 出集氣站，經(jīng)集氣支線、干線進(jìn)入天然氣處理廠，在天然氣處理廠內(nèi)經(jīng)脫油脫水，增壓至3.9 MPa，達(dá)到II 類商品氣質(zhì)指標(biāo)后外輸。已建的蘇里格地面集輸系統(tǒng)，具有脫水脫烴功能，不具備脫硫功能。要利用已建的集輸系統(tǒng)，同時(shí)保證達(dá)到Ⅰ類商品氣質(zhì)指標(biāo)的要求，需要在井場(chǎng)或集氣站將含硫天然氣中的硫化氫脫除后，進(jìn)入已建的地面集輸系統(tǒng)[12-16]。

4 上下古合采井場(chǎng)新模式

4.1 井場(chǎng)上下古合采新工藝

蘇里格氣田上古區(qū)域內(nèi)布置的下古氣井存在數(shù)量多、單井氣量低、位置偏、分布散、不集中、天然氣潛硫含量低等特點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。

圖1 井場(chǎng)液體脫硫上下古合采集輸模式示意圖

如圖1 所示在已建集氣站采氣支干線周圍零星分散的下古氣井，不具備集中脫硫的條件時(shí)，采用井口分散脫硫的方式，脫硫后的天然氣進(jìn)入已建的地面集輸系統(tǒng)，形成“井下節(jié)流、井口液體脫硫、中壓串接、常溫分離、上下古同輸”的上下古合采的地面集輸工藝模式（見(jiàn)圖2）。

圖2 井場(chǎng)液體脫硫上下古合采工藝新模式流程框圖

下古井場(chǎng)脫硫工藝流程為：下古天然氣經(jīng)井下節(jié)流后，經(jīng)過(guò)流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入天然氣井口脫硫一體化集成裝置內(nèi)的氣液分離器，分離出攜帶的采出液后，含硫天然氣進(jìn)入脫硫罐脫硫，脫除天然氣中的硫化氫后進(jìn)入采氣管線；氣液分離器分離出的采出液經(jīng)疏水閥后進(jìn)入采氣管線；放空的天然氣經(jīng)放空立管直接排空（見(jiàn)圖3）。

圖3 井場(chǎng)液體脫硫工藝流程框圖

4.2 井場(chǎng)液體脫硫一體化集成裝置研發(fā)

4.2.1 裝置組成 該裝置由氣液分離器、脫硫罐、疏水閥、橇座及配套閥門(mén)儀表組成，裝置具有天然氣快速脫硫，反應(yīng)后的廢脫硫溶液無(wú)毒無(wú)害，無(wú)尾氣排放，無(wú)污染，能耗低，處理費(fèi)用低，硫脫除率高等特點(diǎn)。

4.2.2 裝置設(shè)計(jì)參數(shù) 裝置單罐處理量：2×104m3/d；裝置設(shè)計(jì)壓力：6.3 MPa；硫化氫含量設(shè)計(jì)值：3 000 mg/m3；外輸天然氣H2S 含量不超過(guò)15.18 mg/m3；氣液分離器設(shè)計(jì)處理量：5×104m3/d；進(jìn)氣溫度：0～30 ℃；疏水閥排液量：1 m3/h。

4.2.3 裝置工藝流程 天然氣經(jīng)過(guò)分離器，分離后的天然氣從底部進(jìn)入脫硫罐1 或脫硫罐2，與脫硫罐內(nèi)的脫硫劑三嗪水溶液在填料層內(nèi)逆向、充分接觸，將天然氣中的硫化氫脫除至20 mg/m3以下，再經(jīng)塔頂捕霧絲網(wǎng)除去大于5 μm 的三嗪溶液液滴，天然氣從罐頂部去井口外輸。裝置脫硫罐一用一備，可實(shí)現(xiàn)脫硫劑失效更換或單罐檢修時(shí)不影響天然氣處理。脫硫罐中反應(yīng)完的三嗪溶液可經(jīng)排液管線排入下游采氣管線；脫硫劑廢液也可通過(guò)裝置上的快速接口排至采出水罐車，通過(guò)罐車將脫硫劑廢液拉運(yùn)出井場(chǎng)。

5 上下古合采站場(chǎng)新模式

5.1 站場(chǎng)上下古合采新型工藝

集氣半徑內(nèi)下古氣井?dāng)?shù)量居多，上古氣井零星分散的區(qū)域內(nèi)，采用在集氣站脫硫的方式，脫硫后的天然氣進(jìn)入集輸系統(tǒng)[17-20]，形成“井下節(jié)流、中壓串接、集中注醇、常溫分離、天然氣加熱、液體脫硫、上下古同輸”的上下古合采的地面集輸工藝模式（見(jiàn)圖4）。

圖4 站場(chǎng)液體脫硫上下古合采工藝新模式流程框圖

站場(chǎng)天然氣脫硫流程為：上下古天然氣在集氣站內(nèi)的匯管匯合，上古天然氣進(jìn)入?yún)R管前總管裝有止回閥，防止含硫天然氣進(jìn)入上古集氣總管。匯合后的天然氣進(jìn)入氣液分離器，分離后的天然氣進(jìn)入加熱爐加熱，加熱至20～30 ℃，再進(jìn)入集氣站液體脫硫一體化集成裝置，脫除天然氣中的硫化氫后，進(jìn)入壓縮機(jī)由1.5 MPa 增壓至3.5 MPa，經(jīng)計(jì)量后外輸。

5.2 站場(chǎng)液體脫硫一體化集成裝置研發(fā)

5.2.1 裝置組成 該裝置由脫硫鼓泡塔、氣液分離器、加藥泵、清洗泵、硫化氫在線檢測(cè)儀、儀表接線箱和控制系統(tǒng)等組成。裝置脫硫劑硫容高（100 g/L 以上），瞬間脫硫率達(dá)到99%以上，脫硫后天然氣中硫化氫含量瞬間均為0，可滿足脫硫后天然氣中硫化氫含量小于6 mg/m3的指標(biāo)要求。裝置控制系統(tǒng)通過(guò)天然氣量、進(jìn)出口天然氣硫化氫的含量以及脫硫劑的硫容，實(shí)時(shí)計(jì)算出所需要的脫硫劑量，通過(guò)加藥泵進(jìn)入裝置，精準(zhǔn)控制脫硫劑的注入量。

5.2.2 裝置設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)規(guī)模：（8.5～25）×104m3/d；裝置設(shè)計(jì)壓力：4.0 MPa；運(yùn)行壓力：0.9～1.1 MPa；最高運(yùn)行壓力：3.5 MPa；硫化氫含量設(shè)計(jì)值為：3 000 mg/m3；外輸天然氣H2S 含量≤20 mg/m3；進(jìn)裝置天然氣溫度：10～30 ℃；H2S 檢測(cè)計(jì)量精度±1%以內(nèi)；裝置H2S 最大檢測(cè)計(jì)量范圍：0～1 518 mg/m3；出裝置H2S 最大檢測(cè)計(jì)量范圍：0～151.8 mg/m3。

5.2.3 裝置工藝流程 含硫天然氣與脫硫劑在裝置進(jìn)口管道匯合后進(jìn)入脫硫塔，在脫硫塔內(nèi)與脫硫劑反應(yīng)，脫除硫化氫的天然氣從塔頂出塔，進(jìn)入氣液分離器，分離出脫硫劑后經(jīng)氣液分離器頂補(bǔ)霧絲網(wǎng)除去微小的脫硫劑液滴后進(jìn)入下游系統(tǒng)。裝置運(yùn)行時(shí)，脫硫塔內(nèi)充滿三嗪溶液，控制系統(tǒng)通過(guò)天然氣量、進(jìn)出口天然氣硫化氫的含量以及脫硫劑的硫容，實(shí)時(shí)計(jì)算出所需要的脫硫劑量，通過(guò)加藥泵進(jìn)入裝置。補(bǔ)充反應(yīng)所需的脫硫劑。氣液分離器設(shè)置了高液位排液，低液位停止排液程序，當(dāng)從脫硫鼓泡塔溢流至氣液分離器內(nèi)的脫硫后廢液液位達(dá)到高液位時(shí)，分離器開(kāi)始自動(dòng)排液，當(dāng)液位降至設(shè)定的低液位后裝置停止排液，裝置工藝流程（見(jiàn)圖5）。

圖5 集氣站液體脫硫一體化集成裝置流程示意圖

6 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果

新型上下古合采地面集輸工藝模式及系列裝置已推廣應(yīng)用于氣田等13 口含硫天然氣井口和4 個(gè)場(chǎng)站，共計(jì)17 套。脫硫后的天然氣中硫化氫含量指標(biāo)均達(dá)到《天然氣》GB 17820-2018 中天然氣I 類氣質(zhì)指標(biāo)（6 mg/m3）。

截至2020 年底，已累計(jì)完成了3 416.3×104m3低含硫天然氣接入上古集輸系統(tǒng)，天然氣銷售價(jià)格按照1.22 元/立方米計(jì)算，實(shí)現(xiàn)銷售收入增加4 167.9 萬(wàn)元。隨著新型上下古合采地面集輸工藝模式及系列裝置的推廣應(yīng)用，所有液體脫硫裝置全部投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)蘇里格氣田上下古氣藏年增產(chǎn)下古天然氣5.31×108m3，年增加銷售收入6.47 億元。

7 結(jié)論

（1）氧化鐵干法脫硫工藝適用于干天然氣的脫硫，不適用于產(chǎn)水量大、氣質(zhì)條件較臟的蘇里格氣田井場(chǎng)脫硫，主要原因就是游離水會(huì)使氧化鐵脫硫劑很快失效，氣質(zhì)中夾帶的地層中的固體和液體雜質(zhì)極易堵塞脫硫劑，且只更換脫硫劑難度很大，需要整塔更換，這樣更換周期長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用高；SDT 漿液脫硫工藝（無(wú)定型羥基氧化鐵水漿液）由于脫硫溶液再生，流程較復(fù)雜，設(shè)備多，需配套建設(shè)外電、儀表風(fēng)等復(fù)雜的輔助配套系統(tǒng)，適用于較大規(guī)模的站場(chǎng)，且國(guó)內(nèi)外氣田均未見(jiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)不成熟，因此也不適用于蘇里格氣田井場(chǎng)脫硫；三嗪溶液脫硫工藝在國(guó)外已經(jīng)成熟應(yīng)用，與其他兩種脫硫工藝相比具有反應(yīng)產(chǎn)物無(wú)毒，處理簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，脫硫效率高，溶液更換方便的特點(diǎn)，更加適用于蘇里格氣田邊遠(yuǎn)井場(chǎng)脫硫的特點(diǎn)。

（2）三嗪溶液脫硫工藝對(duì)不同氣井有不同的硫化氫適應(yīng)范圍，不能統(tǒng)一劃定該工藝的硫化氫適應(yīng)界限。在50 kg/d 的潛硫量下，對(duì)于10 000 m3/d 的氣井，硫化氫含量建議為4 950 mg/m3，對(duì)于50 000 m3/d 的氣井，硫化氫含量建議為1 000 mg/m3，對(duì)于200 000 m3/d 的站場(chǎng)，硫化氫含量建議為250 mg/m3，實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)裝置實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用的可接受程度，適當(dāng)放大潛硫量適應(yīng)范圍，如由50 kg/d 擴(kuò)大到100 kg/d，甚至更大值等，將進(jìn)一步擴(kuò)大該工藝的適應(yīng)范圍。

（3）新型上下古合采地面集輸工藝模式滿足了上古區(qū)域內(nèi)下古天然氣藏的開(kāi)發(fā)需求。利用了區(qū)塊已建上古集輸系統(tǒng)，在不新建下古骨架系統(tǒng)的條件下，充分發(fā)揮了下古產(chǎn)能。降低了投資。實(shí)現(xiàn)了上古區(qū)域內(nèi)下古含硫氣藏的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)，提高了氣田采收率。

（4）研發(fā)的井場(chǎng)、站場(chǎng)液體脫硫一體化集成裝置脫硫后天然氣硫化氫含量達(dá)到《天然氣》GB 17820-2018中天然氣I 類氣質(zhì)指標(biāo)。該技術(shù)對(duì)類似氣田的地面工程建設(shè)也具有重要的借鑒意義，推廣前景廣闊。