液體吸附型硫化氫處理劑的選擇與緩蝕性能評價

曹 煜 林 璠 田慧君 周瑞立

(1.成都理工大學能源學院，四川成都 610059;2.中石化華北分公司工程技術研究院，河南鄭州 450006)

大牛地氣田奧陶系馬五段H2S含量高，在氣田開采過程中，腐蝕油氣井生產(chǎn)管道及儀器設備;該區(qū)域氣井中普遍含有較高的CO2，CO2的存在加劇了H2S對管材的腐蝕，嚴重影響氣井的開采［1，2］。目前國內外在H2S處理的問題上主要集中在物理方法、化學方法和生物方法的研究方面，包括活性炭吸附法、沉淀法、氧化法等［3－5］。含H2S氣藏開采中，可以利用硫化氫處理劑，吸附氣藏中的H2S，降低其濃度，減緩管材腐蝕的速度，達到保護管材的目的［6］。大牛地大部分氣井產(chǎn)水嚴重，馬五段地層水礦化度大，Cl－含量高，破壞腐蝕產(chǎn)物膜加速腐蝕，增加了選擇合適的硫化氫處理劑的難度［7］。筆者模擬大牛地氣田的地質條件，通過室內實驗研究，根據(jù)硫化氫處理劑用量和反應時間，選取了硫化氫處理劑主劑和硫化氫促吸劑的最佳組合，并進行了緩蝕性能評價，結果表明優(yōu)選出的硫化氫處理劑能夠有效地降低腐蝕速率，保護管材。

1 硫化氫處理劑在氣井中去除硫化氫原理

通過油管或油套環(huán)空，將液體吸附型硫化氫處理劑泵入井內，一部分附著在套管壁或油管壁上，一部分以積液的形式沉降在井底。含水氣井在生產(chǎn)過程中，管道里存在著四種流動形態(tài):泡狀流、段塞流、過渡流和環(huán)霧流，四種形態(tài)單一出現(xiàn)或者組合出現(xiàn)。泵入井內的硫化氫處理劑以多相流狀態(tài)，伴隨天然氣在垂直管道中流動，其流動形態(tài)取決于流動段面氣相與液相的相對含量及流速大小。由于氣液多相流的作用，硫化氫處理劑與天然氣在氣井生產(chǎn)過程中充分接觸，吸附天然氣中的H2S，將硫轉化為C－S鍵的鏈接形式，C－S鍵具有極高的熱穩(wěn)定性，使硫元素不再以硫化氫的形式出現(xiàn)，并以更穩(wěn)定的液態(tài)形式存在于液相(水和凝析油)中，并與積液中的水或凝析油相互溶解，隨著氣體一起開采出來，達到去除掉氣井中硫化氫的目的。

2 硫化氫處理劑的選擇

在室內模擬大牛地氣田奧陶系馬家溝組馬五段腐蝕環(huán)境，根據(jù)硫化氫處理劑的用量和反應時間考察硫化氫處理劑的作用效果，選取硫化氫處理劑主劑和硫化氫促吸劑的最佳組合。

2.1 實驗藥品

硫化氫處理劑主劑:EDM－1;AMA－1;TTM;TSN;PSN;PD －1。

硫化氫促吸劑:CAB－1;DPA－5;ERG－2。

實驗用模擬溶液:氣田凝析油樣;氣田采出水樣。

2.2 硫化氫處理劑主劑的選取

為了反映地層的真實情況，實驗模擬了大牛地含硫氣井的腐蝕環(huán)境作為實驗條件:硫化氫含量為200ppm，溫度80℃，壓力20MPa，分別以氣田凝析油樣和氣田采出水樣為基礎液設計實驗。其中，當以氣田凝析油樣為基礎液時，氣田凝析油樣與氣田采出水樣的比例為8:2;當以氣田采出水樣為基礎液時，氣田凝析油樣與氣田采出水樣的比例為2:8。

2.2.1 實驗步驟

(1)向反應釜中加入100mL基礎液，然后向其中通入H2S氣體，使反應釜中H2S濃度達到200mg/L以上，隨后攪拌溶液20min。

(2)利用進樣器向反應釜中逐步滴入硫化氫處理劑主劑，邊滴入邊攪拌，使用SMAT5000型便攜式硫化氫氣體檢測儀檢測H2S濃度，直到硫化氫檢測儀上的H2S濃度讀數(shù)不再下降為止，用氮氣吹掃20min，硫化氫檢測儀測定硫化氫含量，計算出反應釜中H2S最終濃度，并記錄硫化氫處理劑主劑的用量，考察硫化氫處理劑主劑的用量對H2S處理的作用效果。

(3)利用進樣器向反應釜中一次性滴入步驟(2)中得到的硫化氫處理劑主劑用量，當反應釜中H2S的濃度降至步驟(2)中記錄的最終濃度時，記錄反應時間，考察硫化氫處理劑主劑的反應時間對H2S處理的作用效果。

2.2.2 實驗結果分析

(1)采用氣田凝析油作為液相時，實驗結果(表1)表明:用量方面，TTM、TSN、PD－1這三種主劑在含凝析油的液相中，能夠以較小的用量將H2S濃度降到30 mg/L以下，H2S處理效果較好;結合反應時間分析，用量少且H2S最終濃度低的主劑，其反應速度也較快。所以，TTM、TSN、PD－1這三種主劑能夠在較短的反應時間內得到較好的H2S處理效果。

表1 氣田凝析油相為基礎硫化氫處理劑主劑的用量和反應時間

(2)采用氣田采出水樣作為液相時，實驗結果(表2)表明:用量方面，TTM、EDM －1、TSN、PD －1這四種主劑在氣田采出水樣中，能夠以較小的用量將硫化氫濃度降到20mg/L以下，H2S處理效果較好，而PSN在氣田采出水樣中反應會生成沉淀，不適用于該氣田;結合反應時間分析，與凝析油相液體類似，用量少且H2S最終濃度低的主劑，其反應速度也較快，但由于H2S在油相中的溶解量遠大于水相，水相為基礎的實驗中，硫化氫處理劑主劑的用量減少，反應時間加快。其中，EDM－1、TTM、TSN、PD －1這四種主劑能夠在較短的反應時間內得到較好的硫化氫處理效果。

表2 氣田采出水樣為基礎硫化氫處理劑主劑的用量和反應時間

結合硫化氫處理劑主劑在凝析油和氣田采出水樣為液相的實驗結果，得出硫化氫處理劑主劑效果從優(yōu)到劣的排列順序為:TTM＞PD－1＞TSN＞EDM－1＞AMA－1，選擇TTM和PD－1作為硫化氫處理劑主劑。

2.3 硫化氫促吸劑的選取

2.3.1 氣田凝析油樣為液相

(1)實驗步驟

①反應釜中加入氣田凝析油100mL，并加入H2S，使其濃度達到200mg/L以上，并分別加入硫化氫處理劑主劑 TTM 4mL，PD －1 4mL。

②用進樣器向反應釜中逐步滴加硫化氫促吸劑，并攪拌，直到反應釜中H2S濃度不再大幅降低為止，用氮氣吹掃20min，硫化氫檢測儀測定H2S含量，計算出反應釜中最終H2S濃度，并記錄促吸劑用量。

③用進樣器向反應釜中一次性滴入步驟②中得到的促吸劑用量，當反應釜中H2S的濃度降至步驟②中記錄的最終濃度時，記錄反應時間。

表3 氣田凝析油相為基礎硫化氫促吸劑的用量和反應時間

(2)實驗結果

由表3得出:用量方面，CAB－1、DPA －5、ERG －2在含凝析油的液相中對TTM和PD－1吸附量均有促進作用，能夠更有效的使高壓釜內的硫化氫濃度降到10mg/L以下。結合反應時間分析，向硫化氫處理劑主劑中加入促吸劑后，能加快反應速度，作用時間以及用量最好的促吸劑為ERG－2。

2.3.2 氣田采出水樣為液相

反應釜中分別加入硫化氫處理劑主劑TTM 3mL，PD－1 3mL，其余步驟同凝析油為液相時的實驗步驟一致。

由表4得出:用量方面，CAB －1、DPA －5、ERG －2在氣田采出水樣的液相中對TTM和PD－1吸附量也有促進作用，能夠更有效的使高壓釜內的H2S濃度降到5mg/L以下。結合反應時間分析，氣田采出水樣為液相時，ERG－2促吸劑的H2S處理效果最好。

總結硫化氫處理劑主劑和硫化氫促吸劑的選取實驗結果得出，硫化氫處理劑最佳組合為:主劑TTM與促吸劑ERG－2的組合或主劑PD－1與促吸劑ERG－2的組合。

表4 氣田采出水樣為基礎硫化氫促吸劑的用量和反應時間

3 硫化氫處理劑的緩蝕性能評價

3.1 實驗方法步驟

大牛地井下腐蝕的主要原因為井下高溫高壓條件下，CO2和H2S共存條件下的分壓腐蝕。當CO2分壓較低時，腐蝕情況更加嚴重。根據(jù)標準SY/T5273－2000《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》進行緩蝕性能評價實驗［8］。硫化氫緩蝕性能評價實驗中，氣相選擇H2S/CO2體系，H2S濃度200mg/L，并設定CO2分壓為較低值:0.6MPa，模擬大牛地氣田最惡劣的H2S/CO2分壓腐蝕條件。液相選擇從馬五層采出的地層水樣。溫度設定為80℃。選擇碳鋼試片:N80鋼和P110鋼進行緩蝕性能測試。整個實驗過程為:向氣田采出水樣中通入H2S/CO2體系，并加入硫化氫處理劑(加入量分別為0、20mg/L、50mg/L、75mg/L、125mg/L)，檢測試片腐蝕失重情況，計算腐蝕速率和緩蝕率。

緩蝕速率計算公式:

式中:Va為平均腐蝕速率，mm/a;W為掛片失重，g;S為掛片腐蝕面積，cm2;t為腐蝕時間，h;ρ為掛片密度，g/cm3。

緩蝕率計算公式:

式中:η為緩蝕劑的緩蝕效率，%;V為未加緩蝕劑的腐蝕速率，mm/a;V0為加了緩蝕劑后的腐蝕速率，mm/a。

3.2 實驗結果分析

表5 硫化氫處理劑主劑TTM+促吸劑ERG－2在氣田采出水樣中的緩蝕性能

表6 硫化氫處理劑主劑PD－1+促吸劑ERG－2在氣田采出水樣中的緩蝕性能

由表5和表6得出:隨著硫化氫處理劑用量的增加，鋼片的腐蝕速度降低，緩蝕率增加，緩蝕效果增強，說明硫化氫處理劑吸收了H2S氣體，降低了其對鋼片的腐蝕;但后期當處理劑用量增大到一定程度后，緩蝕率增加的幅度減小，說明H2S被吸收完全后，鋼片的腐蝕主要表現(xiàn)為CO2腐蝕以及地層鹽水的電化學腐蝕。兩種硫化氫處理劑組合的硫化氫處理效果表明:主劑TTM與促吸劑ERG－2的組合的除硫效果要好于主劑PD－1與促吸劑ERG－2的組合。

4 結論

(1)采用兩種指標:硫化氫處理劑用量與反應時間，考察H2S的處理效果，從而選擇出了反應時間較短、用量較少，效果最優(yōu)的兩種硫化氫處理劑主劑+硫化氫促吸劑的組合:硫化氫處理劑主劑TTM與促吸劑ERG－2的組合或硫化氫處理劑主劑PD－1與促吸劑ERG－2的組合。

(2)模擬大牛地氣田H2S/CO2腐蝕系統(tǒng)，以氣田采出水樣為液相，對優(yōu)選的硫化氫處理劑進行緩蝕性能評價，評價結果表明:鋼片的緩蝕作用隨著硫化氫處理劑用量的增加而增強，當硫化氫氣體被吸收完全后，鋼片表現(xiàn)為CO2腐蝕以及地層鹽水的電化學腐蝕，所以緩蝕效果不再隨著處理劑用量的增加而大幅增加。

(3)由硫化氫處理劑緩蝕性能評價實驗得出:主劑TTM與促吸劑ERG－2的組合的除硫效果要好于主劑PD－1與促吸劑ERG－2的組合。

［1］陳安定.陜甘寧盆地中部氣田奧陶系天然氣的成因及運移［J］.石油學報.1994，15(2):1－10.

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［8］SY/T5273－2000，油田采出水用緩蝕劑性能評價方法［S］.