凌建勛

（中國石化華北油氣分公司地面工程與設備管理部，河南 鄭州 450000）

0 引言

鄂爾多斯盆地大牛地氣田下古生界氣藏含硫氣井約為120口，其中檢測到H2S的氣井有37口，分屬五個采氣管理區(qū)，16座集氣站。下古生界含硫氣井平面分布較分散，無明顯富集區(qū)，在DK13井區(qū)相對多一些；縱向上，含硫氣井層位分布以馬五1+2和馬五5為主，其中馬五1+2層位含硫氣井為17口，占下古生界氣藏總井數(shù)比例為45.9%，H2S濃度偏高井有2口；馬五5層位含硫井共18口，占下古生界氣藏總井數(shù)比例為48.6%，H2S濃度偏高氣井共13口。相對來說，馬五5天然氣井H2S濃度偏高，含硫天然氣井的比例也相對較高。37口含硫氣井配產(chǎn)較低，平均日配產(chǎn)氣量為47.8×104m3，H2S濃度在2.37～3 785 mg／L之間。根據(jù)《天然氣藏分類：GB／T 26979—2011》可知，按照H2S濃度劃分，大牛地氣田下古生界氣藏含硫氣井屬于微含—中含H2S氣藏。

1 大牛地氣田除硫基礎條件

大牛地氣田從2016年開始優(yōu)選高效除硫藥劑進行除硫釋放含硫井的產(chǎn)能，至2018年形成井筒除硫、井下節(jié)流+井口霧化藥劑除硫工藝，使下古生界氣藏產(chǎn)能得到一定釋放。2019-2020年分別開展絡合鐵法集中除硫工藝、井口撬裝羥基氧化鐵干法除硫工藝、三嗪類井口撬裝除硫工藝、井口撬裝絡合鐵工藝除硫試驗，逐步開始向區(qū)域集中除硫+零散撬裝除硫模式發(fā)展。

截止到2021年3月，已投運2座集中除硫站，對周邊含硫氣井進行集中除硫，除硫后接入外輸干線。其余零散含硫氣井采用井口霧化除硫工藝、井筒除硫工藝（表1、2）。

表1 不同H2S濃度氣井統(tǒng)計表

2 大牛地下古生界含硫氣井脫硫工藝適應性分析

2.1 井筒藥劑除硫工藝

井筒除硫的原理是通過加注泵將除硫藥劑加入氣井井筒或采氣管線中，通過氣流攪動，使除硫藥劑與天然氣中H2S充分反應，以此脫除天然氣中H2S。

表2 除硫工藝使用基礎數(shù)據(jù)情況表

井筒脫硫劑可以利用單井注醇系統(tǒng)在集氣站內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)加注，其反應后的生成物性質(zhì)穩(wěn)定，以采出液的形式伴隨天然氣采出到地面，具有操作簡單、安全性高、成本低、不影響氣井連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點［6-8］。但是當H2S濃度大于150 mg／L時，含硫氣井反應不完全，無法有效脫硫；當氣井產(chǎn)液量高，脫硫劑與水容易結(jié)合，導致與氣體不能充分接觸，反應不完全；當井口壓力較高，例如初期井口壓力為10 MPa，后期井口壓力為8 MPa時，H2S的分壓高，液態(tài)藥劑與高壓氣體不能充分接觸，導致反應不完全，影響氣井生產(chǎn)。所以，對于井筒加藥脫硫工藝而言，一是適用氣井為低含硫氣井，H2S濃度小于150 mg／L；二是采用井下節(jié)流工藝實現(xiàn)節(jié)流降壓和防止生成水合物。這樣才能有效提高井筒加藥的效率，使氣井達到連續(xù)生產(chǎn)的目的。

大牛地氣田于2017年推廣應用藥劑井筒脫硫工藝，針對11口H2S濃度在13～100 mg／L之間的低含硫井進行井筒加藥脫硫，H2S濃度均降至20 mg／m3，即13 mg／L以下，符合《天然氣：GB 17820—2018》國家二類氣要求H2S含量小于等于20 mg／m3，CO2含量小于等于4.0%，均能達到外輸氣質(zhì)要求；同時，使氣井開井率達到50%以上，日產(chǎn)天然氣量達到8.45×104m3，日產(chǎn)液量為11.97 m3，累積天然氣產(chǎn)量達到2 240×104m3，除硫平均成本僅為0.036元／m3。

2.2 井口霧化除硫工藝

地面井口霧化除硫的原理是在氣井井口加裝霧化器和混合器，除硫藥劑通過霧化器霧化后在混合器內(nèi)同天然氣中H2S充分混合反應，以此去除天然氣中H2S。

井筒霧化工藝的除硫效果與脫硫劑自身霧化的化學反應能力及加注量有關。但是霧化脫硫工藝無法除去H2S濃度大于3 000 mg／L的氣井，且H2S濃度大于500 mg／L時，除硫成本較高，而且除硫劑與產(chǎn)出液混合，導致采氣管線結(jié)垢嚴重。所以，為保證霧化效果，一是在井口霧化器、混合器中增強藥劑與氣體的全面接觸和化學反應；二是在井口實現(xiàn)生產(chǎn)管線連續(xù)加注。這樣才能通過霧化除硫后，實現(xiàn)進站H2S濃度在0～13 mg／L，使氣質(zhì)達到外輸要求。該工藝適用于H2S濃度介于150～3 000 mg／L氣井，且氣井附近沒有集中脫硫站的情況。

經(jīng)過多次高含量H2S試驗，對高含量H2S氣井形成了“井下節(jié)流+藥劑地面霧化混合加注除硫”工藝，對11口H2S濃度在280～3 000 mg／L之間的高含H2S氣井進行井口霧化脫硫，H2S濃度均降至20 mg／m3以下，達到日增產(chǎn)天然氣量為20.5×104m3，日產(chǎn)液量為54.67 m3，累計增產(chǎn)天然氣量達2 068×104m3，除硫平均成本為0.272元／m3。

2.3 井口撬裝脫硫工藝

小型撬裝脫硫的原理是在氣井井口加裝撬裝脫硫設備，含硫天然氣在撬裝脫硫設備中除去H2S。天然氣經(jīng)過分離器將天然氣中水分離出，分離出的干天然氣從脫硫罐中部進入，與脫硫罐內(nèi)的除硫劑充分接觸后，將天然氣中的H2S脫除，再經(jīng)塔頂部排出進入地面輸氣管線，輸送到集氣站內(nèi)。分離后的地層水則通過裝置上排水管線，排入地面輸氣管線中，隨著天然氣一起輸送到集氣站內(nèi)進行氣、液分離。

大牛地氣田對大124井開展井口撬裝脫硫工藝現(xiàn)場試驗，該井在試驗前關井，油壓和套壓均為20.4 MPa，在下入節(jié)流器后，前期通過霧化除硫生產(chǎn)。當井口油壓下降到5 MPa以后，導入撬裝除硫生產(chǎn)。經(jīng)過多輪試驗，進撬H2S濃度均高于2 000 mg／L，出撬H2S濃度則小于5 mg／L，平均硫容量為73.62 kg／m3。

根據(jù)在大124井試驗的硫容量計算，該撬裝工藝在日產(chǎn)天然氣在20 000 m3／d以內(nèi)，H2S濃度1 700 mg／L以內(nèi)的含硫氣井中，可以每24 h倒一次罐（每罐600 L除硫劑）。前期霧化除硫因使用的藥劑量較大，單方氣除硫費用為1.46元／m3；后期壓力下降后使用小型撬裝除硫，單方氣除硫費用為1.03元／m3，對比霧化除硫費用下降了29%，但是由于氣井出液和產(chǎn)生的顆粒物，堵塞排污管線，造成地層水進入脫硫塔，引起除硫劑被天然氣帶走，藥劑有效期變短，而且前期井口壓力較高，地處偏遠地區(qū)，危險性較大。為了進一步降低成本費用，提高安全系數(shù)，一是通過定時清理排污管線及分離器，排出顆粒物，保持排污管線暢通；二是降壓及超壓保護措施：①安裝井下節(jié)流器，在井底降壓；②若壓力高，先采取霧化除硫大流量進站生產(chǎn)降低井口壓力，等壓力降到安全值再進撬；③在脫硫撬前安裝緊急切斷閥，設置切斷壓力為5 MPa；④脫硫撬壓力容器上均安裝安全閥，起跳壓力為5.8 MPa；三是采取遠程監(jiān)控措施，安裝H2S遠程報警儀，井場配置視頻監(jiān)控及喊話系統(tǒng)；四是做好個體防護，人員進入現(xiàn)場佩戴空呼和H2S便攜式檢測儀；五是做好現(xiàn)場安全警示，設置安全告知牌、警示牌。

從大124井試驗情況分析，井口小型撬裝脫硫工藝初步適用于H2S濃度在2 000 mg／L以內(nèi)，且產(chǎn)氣量在20 000 m3／d以內(nèi)的含硫氣井，或無法進脫硫站生產(chǎn)的氣井。

該工藝技術在液相中直接將H2S轉(zhuǎn)化為無毒的硫化物。處理后H2S濃度小于5 mg／L，工藝流程短，結(jié)構緊湊，占地面積小，生產(chǎn)過程基本無三廢排放和污染。經(jīng)大124井短時間試驗后，實現(xiàn)了初步的應用效果。

2.4 地面集中脫硫工藝

目前，天然氣集中脫硫主要分為干法、濕法兩大類。

濕法脫硫目前主要工藝有雙塔絡合鐵法、胺法+單塔絡合鐵自循環(huán)法、胺法+克勞斯、生物法等。地面脫硫工藝考慮其設計規(guī)模、H2S質(zhì)量濃度、潛硫量大小及脫硫劑費用等因素采用濕法脫硫工藝，其中雙塔絡合鐵脫硫工藝開發(fā)是一個熱點，該法具有吸收速度快、脫硫效率高、硫容量大、再生速度快、副反應少、成本低、無毒性等優(yōu)點，為大牛地氣田持續(xù)開發(fā)下古氣藏含硫氣井脫硫工藝提供了一種選擇［9］（圖1）。

圖1 絡合鐵脫硫工藝流程圖

干法脫硫主要利用吸附劑（羥基氧化鐵等）與H2S直接反應，脫除氣體中的H2S，適用于H2S含量低，氣量小的工況，潛流量小于100 kg／d時，可以考慮該方法。但對于大牛地氣田脫硫站接入的十余口單井來說，潛硫量較高，約為1.3 t／d，僅脫硫劑的更換費用就高達3 575萬元／a，經(jīng)濟性差，不適用［10］。

濕法脫硫工藝是廣為使用的脫硫工藝，各種濕法脫硫工藝比選如表3所示。

表3 多種濕法脫硫工藝比選表

從表3中可以看出，大牛地氣田更適合雙塔絡合鐵法濕法脫硫工藝，高硫容絡合鐵脫硫藥劑采用Na2CO3／KOH溶液作為吸收體系，吸收H2S，采用鐵離子作為催化劑，將吸收后的H2S轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫，工作硫容可達到3.0 g／L，較常規(guī)絡合鐵藥劑硫容（0.3～0.4 g／L）提高了6倍，降低循環(huán)能耗約80%。具有吸收速度快、凈化度高、生產(chǎn)的硫磺顆粒大（大于30μm），具有不易粘附、流動性好、硫磺下沉、易于分離過濾等特點。

3 脫硫工藝優(yōu)劣勢對比分析

針對不同脫硫工藝應用情況，從單井產(chǎn)氣、產(chǎn)液、H2S濃度分析除硫工藝適用邊界條件。目前，不同組合脫硫工藝基本可以滿足目前所有含硫井除硫生產(chǎn)（表4）。

表4 不同組合脫硫工藝適用性匯總表

從表4可以看出，單井霧化除硫工藝除硫成本較高，經(jīng)濟效益較低。2020年含硫氣井天然氣產(chǎn)量共計為9 821×104m3，除硫操作成本共計6 300萬元，平均操作成本0.641 4元／m3，除硫成本較高，經(jīng)濟效益較低。

單井霧化除硫工藝管線結(jié)垢嚴重，影響產(chǎn)量安全釋放，下古生界氣藏氣井產(chǎn)出水礦化度高，藥劑除硫用三嗪類除硫劑為堿性環(huán)境，加劇了采氣管線結(jié)垢、堵塞情況，需定期加注解堵劑從而造成除硫成本增高。目前已投產(chǎn)的含硫氣井中，50%以上采用三嗪類藥劑除硫工藝，H2S濃度較高，藥劑加注量較大時，管線結(jié)垢快，需通過定期酸洗除垢維持生產(chǎn)。2020年酸洗達488井次，平均單井酸洗達23次，影響生產(chǎn)時率為5%。

絡合鐵除硫工藝生產(chǎn)穩(wěn)定性有待提升。1#脫硫站自裝置投運以來，吸收塔塔底積聚硫膏導致裝置停車檢修，大小堵塞發(fā)生多次，主要是各裝置錐體到對應的管線連接處容易發(fā)生堵塞、刺漏現(xiàn)象，無法順利達產(chǎn)；2#除硫站生產(chǎn)87 d發(fā)生B列再生塔錐體出口到硫漿泵管線晶體堵塞，同時，因含硫氣井H2S含量過高，導致二號站進站酸氣總硫負荷超設計值達69%，藥劑再生能力不足制約了產(chǎn)能的釋放。

設計一座處理規(guī)模為50×104Nm3／d脫硫站，潛硫量為1.23 t／d，污水處理量為100 m3／d（污水中H2S含量為70 mg／L），H2S含量按照1 717 mg／L計算。脫硫站投資較高，對設備的選型要求較高，對集輸系統(tǒng)抗硫材質(zhì)的選擇要通過計算進行分析。從長遠來看，脫硫站建成投運后，絡合鐵脫硫法15年總成本為0.226元／m3天然氣，只要控制好人工成本和設備折舊，其運行費用較低，預計5年內(nèi)可完成投資回收期，比較經(jīng)濟有效。

4 結(jié)論與認識

通過對大牛地氣田含硫氣井的分布特點、H2S濃度進行分析，以“效益優(yōu)先”為原則，結(jié)合含硫氣井發(fā)展部署規(guī)劃，綜合評價井筒脫硫、井口霧化、井口撬裝和地面集中脫硫工藝的適應性，得到認識如下：

1）井筒加藥脫硫工藝操作簡便、成本低、適用于H2S濃度小于150 mg／L氣井。

2）井口霧化除硫工藝操作簡便，成本較高，適用于H2S濃度介于150～3 000 mg／L氣井，且氣井無法進集中脫硫站。

3）井口撬裝除硫工藝操作比井口霧化除硫復雜一些，但成本相對低一些，適用于H2S濃度在2 000 mg／L以內(nèi)，產(chǎn)氣量20 000 m3／d以內(nèi)，且天然氣無法輸入集中脫硫站的情況。

4）雙塔絡合鐵法濕法脫硫工藝適應H2S濃度最為廣泛，除硫成本比井口霧化、井口撬裝除硫工藝都要低很多，但是初期投資大，適合在含硫井集中的區(qū)域進行大規(guī)模氣量除硫，不適合用于單井或者少數(shù)幾口井除硫。從發(fā)展趨勢來看，集中脫硫是今后脫硫的主要發(fā)展方向。