普光氣田安全高效開發(fā)技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用

曹耀峰

（中國石油化工集團(tuán)公司，北京 100728）

普光氣田安全高效開發(fā)技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用

曹耀峰

（中國石油化工集團(tuán)公司，北京 100728）

針對(duì)普光超深高含硫氣田安全高效開發(fā)面臨的諸多世界性技術(shù)難題，按照“學(xué)習(xí)借鑒、攻關(guān)創(chuàng)新、集成應(yīng)用”緊密銜接的科技創(chuàng)新路徑，組建產(chǎn)學(xué)研一體化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，形成開放式創(chuàng)新體系，實(shí)現(xiàn)科技攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)良性互動(dòng)，成功推動(dòng)了超深高含硫氣田安全高效開發(fā)技術(shù)的研發(fā)與配套、關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)及其工業(yè)化應(yīng)用，使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握開發(fā)特大型超深高含硫氣田核心技術(shù)的國家，為我國乃至世界復(fù)雜山地超深高含硫氣田安全高效開發(fā)做出了貢獻(xiàn)。

普光氣田；超深高硫；技術(shù)創(chuàng)新；工業(yè)化應(yīng)用

1 前言

21世紀(jì)人類將進(jìn)入低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，天然氣作為清潔能源的地位日益突出。2010年世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中天然氣占22.6%，而我國僅占4.8%，大力開發(fā)利用天然氣是國家能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界天然氣資源約60%含硫、10%為高含硫。我國高含硫天然氣資源十分豐富，資源量超過4×1012m3，探明儲(chǔ)量近萬億立方米。安全高效開發(fā)該類資源對(duì)當(dāng)前及今后的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重大意義。

2 普光氣田概況及其安全高效開發(fā)面臨的世界性難題

普光氣田是我國已發(fā)現(xiàn)的最大規(guī)模的海相整裝高含硫氣田，其主體區(qū)塊探明儲(chǔ)量2.783×1011m3。主要具有以下特點(diǎn)：a.埋藏超深，平均井深5 974 m；b.壓力高，氣藏地層平均壓力達(dá)56 MPa；c.硫化氫和二氧化碳含量高，平均含量分別達(dá)到15.2%、8.6%，有機(jī)硫含量達(dá)340 mg/m3；d.地處復(fù)雜山地，人口密集，平均海拔360～1 130 m，氣田核心區(qū)域約500人/km2。由于高含硫天然氣劇毒、腐蝕性強(qiáng)，安全風(fēng)險(xiǎn)高，開發(fā)難度大，尤其對(duì)于普光氣田這樣超深、地處復(fù)雜山地、人口密集條件下的高含硫氣田，國內(nèi)外尚無成功開發(fā)先例，是公認(rèn)的世界性難題。從工程技術(shù)角度看，主要有以下幾個(gè)方面。

1）超深高含硫氣田儲(chǔ)層特征及滲流規(guī)律復(fù)雜，投資風(fēng)險(xiǎn)高，必須攻克少井、高產(chǎn)、高效開發(fā)的技術(shù)難題。

2）高含硫化氫天然氣腐蝕性極強(qiáng)，普通鋼材幾小時(shí)就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，必須攻克腐蝕防護(hù)技術(shù)難題。

3）天然氣高含硫化氫和有機(jī)硫，必須攻克高含硫天然氣特大規(guī)模深度凈化和硫磺安全儲(chǔ)運(yùn)的難題。

4）硫化氫濃度達(dá)0.1%會(huì)致人瞬間死亡，普光氣田高達(dá)15%，鉆井、作業(yè)及生產(chǎn)過程中高含硫天然氣一旦泄漏，復(fù)雜山地救援十分困難，必須攻克高含硫氣田安全控制難題。

5）國內(nèi)不能生產(chǎn)高抗硫管材，國外公司實(shí)行壟斷，價(jià)格昂貴且供貨周期長，必須攻克抗硫管材國產(chǎn)化難題。

3 普光氣田安全高效開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐

為緩解我國能源緊張局面，有效利用高含硫天然氣資源，國家實(shí)施了以普光氣田為主供氣源的“川氣東送”工程，并將其列為“十一五”重大工程。中國石油化工集團(tuán)公司針對(duì)普光超深高含硫氣田安全高效開發(fā)面臨的諸多世界性難題，按照“學(xué)習(xí)借鑒、攻關(guān)創(chuàng)新、集成應(yīng)用”緊密銜接的科技創(chuàng)新路徑，組建產(chǎn)學(xué)研一體化技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，堅(jiān)持面向工程建設(shè)一線、以解決工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際難題為導(dǎo)向的工程科技管理模式，實(shí)現(xiàn)了科技攻關(guān)與現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)的良性互動(dòng)，有效提高了科技攻關(guān)和技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用效率。

3.1 尊重科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)律，按照“學(xué)習(xí)借鑒、攻關(guān)創(chuàng)新、集成應(yīng)用”緊密銜接的科技創(chuàng)新路徑進(jìn)行自主創(chuàng)新

1）積極學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外高含硫氣田安全高效開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)。在人類發(fā)展歷史上，每一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新取得的進(jìn)步無不是建立在繼承前人成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。我們邀請(qǐng)法國、加拿大等具有開發(fā)高含硫氣田經(jīng)驗(yàn)的國際知名公司參與普光氣田開發(fā)方案的設(shè)計(jì)審查、監(jiān)督管理，組織一線技術(shù)人員遠(yuǎn)赴加拿大高含硫氣田跟班培訓(xùn)，最大限度地吸收、學(xué)習(xí)和借鑒國外企業(yè)開發(fā)高含硫氣田的經(jīng)驗(yàn)。

2）組建產(chǎn)學(xué)研一體化攻關(guān)團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)新。針對(duì)普光氣田與國外已開發(fā)高含硫氣田的差異性，以及國外企業(yè)對(duì)核心技術(shù)的封鎖，組織大型國有企業(yè)、科研院所和大專院校近3 000人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)建了高含硫氣田儲(chǔ)層改造、腐蝕評(píng)價(jià)、泄漏模擬等實(shí)驗(yàn)室，依托“高含硫氣藏安全高效開發(fā)技術(shù)”和“大型高含硫氣田開發(fā)示范工程”兩項(xiàng)國家科技重大專項(xiàng)，以普光氣田開發(fā)面臨的酸性氣田安全高效開發(fā)、硫化氫防護(hù)、特大酸性氣體凈化、安全保障、抗硫裝備管材國產(chǎn)化等世界性難題為攻關(guān)目標(biāo)，堅(jiān)持不懈地開展自主創(chuàng)新。

3）注重科技成果現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，構(gòu)建技術(shù)研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良性互動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新體系。在工程建設(shè)一線組建了建設(shè)單位、施工單位、第三方服務(wù)商技術(shù)力量組成的技術(shù)集成應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，在工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)組織實(shí)施了氣體鉆井、旋轉(zhuǎn)尾管固井、儲(chǔ)層改造等63個(gè)先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目，同時(shí)聘請(qǐng)系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的專家和科研人員進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)新技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了科技成果“攻關(guān)一批、集成轉(zhuǎn)化一批、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一批”，極大地發(fā)揮了科技對(duì)工程建設(shè)的支撐和引領(lǐng)作用，促進(jìn)了科技成果向現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。

3.2 創(chuàng)新形成的主要技術(shù)成果

經(jīng)過七年的攻關(guān)和應(yīng)用，創(chuàng)新形成了高含硫氣田安全高效開發(fā)的五項(xiàng)核心技術(shù)，在國際上首次成功開發(fā)了年產(chǎn)1.05×1010m3的特大型超深復(fù)雜山地高含硫氣田，自主設(shè)計(jì)建成了世界第二大超百億立方米級(jí)的高含硫天然氣凈化廠。

3.2.1 創(chuàng)新形成了特大型超深高含硫氣田高產(chǎn)高效開發(fā)技術(shù)

建立了高含硫氣田氣—液—固（硫）三相滲流理論模型，首次揭示了高含硫氣藏單質(zhì)硫析出、運(yùn)移、沉積的特殊滲流規(guī)律，直接用于“少井高產(chǎn)”的開發(fā)設(shè)計(jì)。創(chuàng)新超深礁灘相氣藏開發(fā)精細(xì)描述技術(shù)，氣藏描述單元由三級(jí)提升到四級(jí)層序，建立的三維地質(zhì)模型精確描述了超深儲(chǔ)層的含氣性和空間展布。創(chuàng)新高含硫長井段氣井射孔和酸壓增產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了超深高含硫氣藏一次性安全射孔和非均質(zhì)巨厚氣層的有效改造，大幅提高了氣井的生產(chǎn)能力。應(yīng)用上述創(chuàng)新技術(shù)，提高了單井產(chǎn)量和氣田開發(fā)效益。設(shè)計(jì)的氣井均鉆遇優(yōu)質(zhì)氣層，成功率達(dá)100%；創(chuàng)造了氣井一次性射孔井段1 215 m的世界記錄；氣井酸壓后日產(chǎn)氣量由3×105m3提高到8×105m3；氣田開發(fā)內(nèi)部收益率由12.9%提高到17.1%。

3.2.2 創(chuàng)新形成了特大型高含硫氣田腐蝕防護(hù)技術(shù)

建立了高含硫化氫、二氧化碳、單質(zhì)硫、氯離子共存環(huán)境的腐蝕評(píng)價(jià)方法和選材標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新了高含硫氣田抗硫管材腐蝕評(píng)價(jià)與優(yōu)選技術(shù)。建立了焊接接頭耐蝕性評(píng)定及消氫控制方法，攻關(guān)突破了高含硫天然氣集輸管道焊接工藝難題，提升了管道接口的抗硫化氫腐蝕性能。創(chuàng)新高含硫氣田濕氣集輸“緩蝕劑、腐蝕監(jiān)測(cè)、智能檢測(cè)、陰極保護(hù)”綜合防腐工藝，提高了復(fù)雜山地集輸系統(tǒng)的抗腐蝕能力。上述技術(shù)創(chuàng)新，突破了抗硫管材選擇國際標(biāo)準(zhǔn)NACEMR-0175范圍，硫化氫分壓由3.5 MPa拓展到10 MPa；高含硫天然氣集輸管道一次焊接合格率達(dá)95.5%，超過國家優(yōu)質(zhì)工程標(biāo)準(zhǔn)（93%）；普光氣田腐蝕速度0.059 mm/a以下，實(shí)現(xiàn)了高含硫天然氣濕氣直接輸送。

3.2.3 創(chuàng)新形成了高含硫天然氣特大規(guī)模深度凈化技術(shù)

1）高含硫化氫及有機(jī)硫天然氣特大規(guī)模深度脫硫技術(shù)。研發(fā)了固定床低溫催化水解有機(jī)硫和兩級(jí)吸收、級(jí)間冷卻凈化工藝，實(shí)現(xiàn)了硫化氫和有機(jī)硫深度脫除。

2）特大規(guī)模硫磺高效回收技術(shù)。研發(fā)了特大型克勞斯?fàn)t和低溫加氫水解尾氣處理工藝，大幅度提高了總硫的回收率。

3）特大規(guī)模散裝硫磺儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。研發(fā)了特大型散裝硫磺倉儲(chǔ)成套裝置和硫磺粉塵監(jiān)測(cè)、抑制與消防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了安全環(huán)保儲(chǔ)運(yùn)。

應(yīng)用上述創(chuàng)新技術(shù)，高含硫天然氣凈化率99.99%，總硫回收率達(dá)99.9%；自主設(shè)計(jì)建成了年處理高含硫天然氣1.2×1010m3、生產(chǎn)硫磺2.1×106t的凈化廠。

3.2.4 創(chuàng)新形成了復(fù)雜山地高含硫氣田安全控制技術(shù)

首次開展了復(fù)雜山地氣體擴(kuò)散風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，揭示了不同氣象條件下高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，建立了人體動(dòng)態(tài)毒性負(fù)荷理論模型，研發(fā)了泄漏監(jiān)測(cè)、氣田聯(lián)鎖關(guān)斷、特種救援裝備，建成了國家級(jí)油氣田應(yīng)急救援基地。建立了“技術(shù)設(shè)計(jì)無缺失、監(jiān)測(cè)控制無缺位、培訓(xùn)演練無缺員、應(yīng)急救援無缺憾”的安全控制鏈，實(shí)現(xiàn)了氣田建設(shè)與生產(chǎn)全過程、全方位、全天候的安全監(jiān)測(cè)與控制。首次建立了復(fù)雜山地高含硫氣田搬遷、疏散、預(yù)警的安全防范標(biāo)準(zhǔn)；泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硫化氫濃度報(bào)警值0.000 2%，準(zhǔn)確率達(dá)100%；全氣田聯(lián)鎖關(guān)斷系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間2～20 s，成功率達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)零事故。

3.2.5 自主研發(fā)了關(guān)鍵抗硫管材，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化

創(chuàng)新了超高純凈度冶煉技術(shù)，研制了P110SS抗硫套管、BG2250高鎳基合金油管和大口徑L360抗硫集輸管，打破了國外技術(shù)封鎖，性能指標(biāo)達(dá)到國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，價(jià)格降低了35%～50%。

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)查新檢索結(jié)果，普光氣田安全高效開發(fā)五項(xiàng)核心創(chuàng)新技術(shù)中，特大型超深高含硫氣田高產(chǎn)高效開發(fā)技術(shù)、高含硫天然氣超大規(guī)模深度凈化技術(shù)、復(fù)雜山地高含硫氣田安全控制技術(shù)等三項(xiàng)達(dá)到國際領(lǐng)先，特大型高含硫氣田腐蝕防護(hù)技術(shù)、關(guān)鍵抗硫管材國產(chǎn)化兩項(xiàng)達(dá)到國際先進(jìn)。

普光氣田從開發(fā)設(shè)計(jì)到投產(chǎn)運(yùn)行，先后聘請(qǐng)三家國際知名公司跟蹤評(píng)估，均給予高度評(píng)價(jià)。國際著名質(zhì)量健康安全環(huán)保管理體系（QHSE）評(píng)估機(jī)構(gòu)法國國際檢驗(yàn)局評(píng)價(jià)，普光氣田凈化廠總體設(shè)計(jì)具有很高的國際水平；國際知名工程設(shè)計(jì)管理公司加拿大IMV公司評(píng)價(jià)，普光高含硫氣田集輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有世界一流水平；國際能源領(lǐng)域知名安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估咨詢公司挪威斯堪伯奧評(píng)價(jià)，普光氣田鉆井、作業(yè)、集輸整體技術(shù)設(shè)計(jì)在國際油氣領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。

4 普光氣田安全高效開發(fā)技術(shù)產(chǎn)生的學(xué)術(shù)影響

1）首次揭示了高含硫氣藏單質(zhì)硫析出、運(yùn)移、沉積的特殊滲流規(guī)律，建立了高含硫氣田氣—液—固（硫）三相滲流理論模型；揭示了不同氣象條件下高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，建立了人體動(dòng)態(tài)毒性負(fù)荷理論模型，為復(fù)雜山地超深高含硫氣田安全高效開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。

2）創(chuàng)建了高含硫氣田儲(chǔ)層改造、腐蝕評(píng)價(jià)、泄漏模擬等實(shí)驗(yàn)室，使我國高含硫氣田開發(fā)研究水平邁入世界先進(jìn)行列。

3）創(chuàng)新形成了高含硫氣田開發(fā)的五項(xiàng)核心技術(shù)，標(biāo)志著我國已具備安全高效開發(fā)高含硫氣田的能力。

4）建立了高含硫氣田安全開發(fā)的整套（四類66項(xiàng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了我國天然氣開發(fā)領(lǐng)域技術(shù)的升級(jí)換代。

5 普光氣田安全高效開發(fā)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用取得的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

1）普光氣田天然氣為“川氣東送”管道沿線六省兩市70多個(gè)城市提供了優(yōu)質(zhì)清潔能源，極大推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，每年可減少二氧化碳排放量1.68×107t，減少二氧化硫、氮氧化物等有害物7×105t。

2）我國是世界上最大的硫磺需求國和進(jìn)口國，其中80%硫磺用作生產(chǎn)磷肥的原料。普光氣田將天然氣中劇毒的硫化氫變害為利，年產(chǎn)2.1×106t硫磺，占我國硫磺產(chǎn)量的45%，為降低我國硫磺對(duì)外依存度做出了貢獻(xiàn)。

3）創(chuàng)新形成的理論、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)極大推動(dòng)了我國高含硫天然氣的開發(fā)步伐，預(yù)計(jì)“十二五”末和“十三五”末每年高含硫天然氣產(chǎn)量分別達(dá)到3×1010m3和5×1010m3，成為我國今后一個(gè)時(shí)期天然氣產(chǎn)量的重要增長點(diǎn)。

4）與我國毗鄰的中亞地區(qū)高含硫天然氣資源十分豐富，按照國家“走出去”的發(fā)展戰(zhàn)略，已與哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦國家石油公司進(jìn)行了高含硫氣田合作開發(fā)的交流，將拓展我國開發(fā)利用海外油氣資源的新領(lǐng)域。

5）高抗硫套管、高鎳基合金油管、大口徑抗硫集輸管等關(guān)鍵抗硫管材已全面國產(chǎn)化，廣泛應(yīng)用到我國高含硫氣田開發(fā)建設(shè)中，并出口美國、加拿大、中東、中亞等國家和地區(qū)，提升了大型國有企業(yè)高端管材制造的國際競(jìng)爭力。

6）普光氣田安全高效開發(fā)推動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。在普光氣田周邊建成了社會(huì)主義新農(nóng)村示范區(qū)，1萬多人搬入新居，援建了一批道路、學(xué)校、醫(yī)院等基礎(chǔ)設(shè)施；支持當(dāng)?shù)卣ǔ闪颂烊粴饣@區(qū)，進(jìn)駐企業(yè)30余家，增加近2萬個(gè)就業(yè)崗位。

“普光氣田安全高效開發(fā)及工業(yè)化應(yīng)用”項(xiàng)目，攻克了建國以來幾代石油人努力探索的高含硫氣田安全高效開發(fā)技術(shù)，成功開發(fā)了普光特大型高含硫氣田，對(duì)國家天然氣發(fā)展戰(zhàn)略產(chǎn)生了重要影響，使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握開發(fā)特大型超深高含硫氣田核心技術(shù)的國家。

The secure and highly efficient development technology for Puguang Gas Field and its industrial application

Cao Yaofeng
（China Petrochemical Corporation，Beijing 100728，China）

To solve the multi-types of technical problem concerning with the development technology of Puguang Gas Field which is deeply reserved and abounds with hydrogen sulfide，we have organized a scientific innovation team of industry-teaching-research integration.So that，we have formed a technology innovation system，realized the general interaction of key science and technology program and site-testing，promoted the research and development of gas field with super-deep and high-sulfur，localization of key equipment，the construction of standard system and its industrial application，pushed China to be one of the few countries of holding the core technology for high-sulfur gas field development，and made important contribution to superdeep and high-sulfur gas field development of China and even the whole world.

Puguang Gas Field；super-deep and high-sulfur；technology innovation；industrial application

TE37

A

1009-1742（2013）11-0049-04

2013-09-02

曹耀峰（1953—），男，陜西渭南市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槭吞烊粴夤こ碳夹g(shù)開發(fā)與管理；E-mail：caoyf2011@126.com