高含硫氣田集氣站分離器堵塞問題探討

劉 佳 丁 華 吉 華

(1.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都,610065;2.中石油西南油氣田分公司川東北作業(yè)分公司，重慶，404100)

1 項目簡介

某高含硫天然氣田位于重慶市開縣境內(nèi)，原料氣主要成分為：甲烷81.38%mol、硫化氫10.08%mol、CO27.5%mol。在X井場和Y井場內(nèi)原料氣經(jīng)加熱、節(jié)流至外輸壓力后，經(jīng)采氣管線進入Z集氣站，再經(jīng)氣液分離和過濾分離后進入脫水裝置。脫水后的天然氣進入集氣干線輸至天然氣凈化廠。凈化廠內(nèi)對天然氣進行脫硫、脫水處理，并將液硫輸送到硫磺廠回收副產(chǎn)品硫磺。集氣站至天然氣凈化廠之間管線采用干氣輸送，井場至集氣站脫水裝置前管線采用加熱保溫濕氣輸送工藝。

2 存在問題

該高含硫天然氣田投產(chǎn)10個月后，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)顯示Z集氣站的過濾分離器出現(xiàn)高壓差，每隔3-5天就需要更換一批濾芯。如圖1所示，被更換下來的分離過濾器廢濾芯表面積滿“塵”，呈棕色和深灰色，有刺鼻性氣味。

圖1 過濾分離器濾芯表面沉積物

根據(jù)該氣田原料氣特征，推測過濾器堵塞或與硫沉積有關(guān)。根據(jù)查詢到的硫沉積相關(guān)報道顯示，近年來各含硫氣田集輸系統(tǒng)的硫沉積現(xiàn)象很普遍。龍崗氣田硫沉積物多為灰白色、灰褐色及黑色粘稠的膠乳狀物，不溶于水，可油相稀釋，類似于果凍，有油臭，有刺激性H2S氣味[1]。而普光氣田集輸系統(tǒng)的硫沉積物多為淡黃色粉末、黃色塊狀和少量褐色粘稠的膠狀物，并伴有刺激性氣味[2]。

目前尚未見有關(guān)含硫氣田集輸系統(tǒng)顆粒狀沉積物類似報道。為了探究該濾芯沉積物特性進而找到適合的緩解堵塞措施，特采集了兩種顏色的沉積物送專業(yè)實驗室進行成分分析。

3 分離過濾器濾芯沉積物分析

用干凈的毛刷采集濾芯表面沉積物，再封裝到采樣瓶中分別命名為A和B樣品。A樣品所在的氣液分離器更靠近下游端。實驗室人員對兩組沉積物依次進行物理特征觀察、滴加鹽酸測試以及XRD分析。

3.1 物理特征

A樣品：極細顆粒、深灰色、含油類，顆粒呈聚集狀，散發(fā)出強烈的氣味且不溶于水；B樣品：細顆粒、呈棕色，顆粒很松散，散發(fā)出強烈的氣味且不溶于水。

3.2 滴加鹽酸測試

兩組樣品均分別稱量5g樣品，盛放在不同的容器中，再用滴管取適量稀鹽酸(0.1mol/L)進行觀察。滴加鹽酸試驗過程中兩組樣品均產(chǎn)生了微小氣泡，上清液中有黃色物質(zhì)，但樣品原始顏色無變化，分別如圖2和圖3所示。

圖2 樣品A

圖3 樣品B

3.3 XRD檢測

為了進一步確認這些濾芯表面沉積物成分，將樣品進行衍射分析。由于觀察到樣品A中明顯含烴類物質(zhì)，需要對樣品進行預(yù)處理。樣品B沒有進行類似的預(yù)處理。預(yù)處理后樣品A質(zhì)量損失10.7%。再將兩組樣品均進行熱處理和研磨達到衍射測樣要求。

實驗室XRD分析結(jié)果如圖4和圖5所示。通過軟件分析，樣品A和樣品B的衍射圖均與硫標準XRD譜圖匹配，未發(fā)現(xiàn)其他礦物質(zhì)。

圖4 樣品A衍射圖

圖5 樣品B衍射圖

3.4 過濾分離器濾芯沉積物分析結(jié)論及成因推測

根據(jù)前述一系列實驗分析，Z集氣站過濾分離器濾芯表面沉積物的成分如下：樣品A主要成分是硫，含10.7%石油類，可能含有方解石；樣品B主要成分是硫以及少量方解石。

相對于樣品B而言，樣品A采集自更靠近下游段的分離過濾器中，其含有明顯的烴類物質(zhì)，因而顯得顏色更黑，顆粒呈聚集狀。這可能是因為原料氣中部分含硫顆?；旌狭藷N類物質(zhì)，因此顆粒質(zhì)量變得更輕，更容易運輸?shù)较掠巍?/p>

根據(jù)普光氣田的經(jīng)驗,原料氣中硫化氫的摩爾分數(shù)大于10%時形成硫沉積的幾率明顯加大[2]。李時杰等[3]提出，硫沉積多發(fā)生于壓力溫度變化的位置。劉娟[4]提出，硫沉積常見的位置是壓力下降的位置，而且壓力下降會使溫度下降。冷凝和凝華是硫沉積的機理。

綜上，推測濾芯表面沉積物成因：當過濾分離器壓力溫度下降時，溶解在天然氣中的硫達到過飽和狀態(tài)，達到成核條件而以硫微粒的形式析出，并沉積在分離器濾芯表面[4,5]。沉積物中的烴類物質(zhì)可能來自X井合成泥漿或者MEG，烴類物質(zhì)以涂層的形式覆蓋在硫微粒表面使得硫沉積物顏色偏深，同時因硫微粒質(zhì)量變得更輕，被運輸?shù)较掠尾懦练e下來。方解石可能來自鉆井泥漿或地層顆粒。未混合烴類物質(zhì)的硫微粒因伴有方解石而呈現(xiàn)棕色。

4 管理建議及緩解措施

鑒于該項目投產(chǎn)才10個月就頻繁發(fā)生堵塞，頻繁更換濾芯導(dǎo)致運行成本增加。根據(jù)試驗結(jié)果，現(xiàn)場油田服務(wù)公司更換了溶解效果更佳的硫溶劑產(chǎn)品。該高含硫天然氣田集氣站堵塞問題經(jīng)過現(xiàn)場中外雙方技術(shù)專家探討后，給出了如下管理建議及緩解措施：

(1)持續(xù)監(jiān)控節(jié)流閥、分離器和過濾器等的壓力差。

(2)持續(xù)反沖洗過濾器以降低更換頻率。

(3)當每次進行濾芯更換時，須進行如下操作：①取樣并量化總固體質(zhì)量；②記錄更換頻率和任何物理特性變化；③運營部及時與地下部門分享現(xiàn)場記錄。

(4)清管作業(yè)時應(yīng)注意生產(chǎn)管線中的硫沉積及可能帶來的安全隱患。

(5)地下部門更新PVT、硫沉淀模型。

(6)在每口井節(jié)流閥前后持續(xù)添加硫溶劑：貝克休斯公司產(chǎn)品DMDS(二甲基二硫)。

根據(jù)上述管理建議，在經(jīng)過幾個月實施后，現(xiàn)場堵塞問題得到了緩解，濾芯更換頻率降低為3-4個月更換一次。