氣田兩種液體脫硫工藝應(yīng)用分析

蔣成銀，張 云，曹光榮，王志剛，劉 華，張 鵬

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500；3.中國石油長慶油田分公司第六采氣廠，陜西西安 710018）

蘇里格氣田正逐步開發(fā)下古含硫氣藏，由于下古集輸系統(tǒng)建設(shè)不完善，不抗硫上古管網(wǎng)不能接收下古含硫天然氣，導(dǎo)致下古天然氣氣井產(chǎn)能無法得到發(fā)揮。據(jù)不完全統(tǒng)計，因此原因，蘇里格氣田每天約50×104m3天然氣無法生產(chǎn)。

近年來，三嗪類液體脫硫作為一種非再生型高效脫硫劑，在國外得到廣泛應(yīng)用，脫硫劑與天然氣接觸反應(yīng)脫硫取得較好的應(yīng)用效果[4，9]，同時，反應(yīng)產(chǎn)物無毒無害。長慶氣田2018 年開始在氣井井口開展三嗪液體脫硫試驗評價[1，5，6]。目前，單井井口三嗪液體脫硫劑加注工藝采用整體小型撬裝和管道內(nèi)部噴淋，均能較好脫除天然氣中硫化氫，恢復(fù)氣井生產(chǎn)[2，3]。

1 三嗪液體脫硫機理

三嗪類液體脫硫劑可溶于水，常溫常壓下呈無色或淡黃色、黏稠、無刺激性氣味，實驗室瞬時脫硫率可達98%以上。三嗪化合物是一種大分子的活性劑，分子鏈上富含氮原子，與硫化氫中的硫離子發(fā)生親核取代反應(yīng)生成噻二嗪[4-8]。反應(yīng)產(chǎn)物噻二嗪易溶于水，無毒無害，符合常規(guī)采出水處理工藝要求。

三嗪與硫化氫反應(yīng)過程（見圖1），理論上1 mol 的三嗪可以吸收3 mol 的硫化氫，但實際上第三步反應(yīng)很難發(fā)生，故其反應(yīng)產(chǎn)物主要為噻二嗪化合物。

圖1 三嗪液體脫硫劑與硫化氫反應(yīng)機理圖

2 兩種脫硫裝置工藝簡介

2.1 井口液體脫硫一體化集成裝置

2.1.1 裝置原理 井口液體脫硫一體化集成裝置安裝在井口高低壓緊急關(guān)斷閥與流量計之間，具有雙罐輪換運行的功能，井口來天然氣經(jīng)過分離器分離出較小液滴，分離出的天然氣經(jīng)脫硫罐底部進入，與罐內(nèi)的三嗪脫硫劑在填料層內(nèi)逆向充分接觸脫除硫化氫，除硫后的天然氣經(jīng)脫硫罐頂部捕霧絲網(wǎng)去除大于5 μm 的三嗪液滴后進入下游管網(wǎng)。現(xiàn)場工藝流程（見圖2）[10]。

圖2 井口液體脫硫一體化集成裝置工藝流程圖

2.1.2 裝置安裝 井口液體脫硫一體化集成裝置工藝安裝（見圖3），裝置安裝在氣井井口，裝置連接口設(shè)置在井口高低壓緊急關(guān)斷閥與流量計之間，進口與高低壓緊急關(guān)斷閥下游法蘭連接，出口與井口流量計上游法蘭連接。裝置放空管線安裝于最小風(fēng)頻的上風(fēng)向，距離裝置不小于10 m，高度應(yīng)高出10 m 范圍的平臺或建筑物頂2.0 m 以上，且可靠固定[10]。

圖3 井口液體脫硫一體化集成裝置工藝安裝示意圖

2.2 井口噴淋霧化脫硫裝置

2.2.1 裝置原理 井口噴淋霧化脫硫裝置安裝在井口，井口儲藥罐內(nèi)的脫硫劑經(jīng)過柱塞泵加壓后經(jīng)過安裝在天然氣生產(chǎn)管路上的霧化器進行霧化，霧化后的脫硫劑與天然氣接觸發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，達到脫除天然氣中硫化氫的目的。現(xiàn)場工藝流程（見圖4）。

圖4 井口噴淋霧化脫硫裝置工藝流程圖

2.2.2 裝置安裝 井口噴淋霧化脫硫裝置工藝安裝（見圖5），裝置霧化器安裝在井口8 號閥門與保護器之間，通過改造工字短節(jié)安裝高壓霧化器，霧化器與藥劑加注設(shè)備間加裝單向閥，配套藥劑加注設(shè)備固定安裝于井場5 m 外的空地。

圖5 井口噴淋霧化脫硫裝置工藝安裝示意圖

3 兩種脫硫裝置工藝對比

3.1 安裝方式及時間

兩種脫硫裝置在井口吊裝到位后均需動火改造相關(guān)工藝管線，井口液體脫硫一體化集成裝置所需改造管線相對較多，改造時間也相對較長。兩種裝置安裝方式及時間對比（見表1）。

表1 兩種脫硫裝置安裝方式及安裝時間對比表

3.2 適用范圍

主要對比兩種裝置的適用氣井壓力、處理量、硫化氫含量等參數(shù)（見表2）。從表中可看出，井口噴淋霧化脫硫裝置的適用范圍相對更廣。

表2 兩種脫硫裝置參數(shù)對比表

3.3 藥劑更換周期

兩種脫硫裝置均有1～2 個儲存脫硫劑的罐，井口液體脫硫一體化集成裝置具有兩個脫硫罐，單罐可存儲1.2 m3脫硫劑，井口噴淋霧化脫硫裝置一般配備一個容積為4 m3的脫硫罐。井口噴淋霧化脫硫裝置理論計算的藥劑更換周期相對較長（見表3）。

表3 兩種脫硫裝置理論藥劑更換周期對比表

3.4 自動化程度

井口液體脫硫一體化集成裝置需人工檢測脫硫后天然氣中硫化氫含量，裝置全部為靜設(shè)備，可在摸清脫硫劑更換頻率后實現(xiàn)無人值守。

井口噴淋霧化脫硫裝置采用風(fēng)光互補供電系統(tǒng)為柱塞泵供電，可實現(xiàn)自動向管線內(nèi)加注脫硫劑，脫硫后天然氣中硫化氫含量也需人工檢測，理論上摸清藥劑加注周期后也可以實現(xiàn)無人值守。

3.5 脫硫后產(chǎn)物排放

井口液體脫硫一體化集成裝置設(shè)有兩種脫硫劑廢液的排放方式，一種是隨天然氣進入下游采氣管線，一種是現(xiàn)場通過罐車拉運或回收處理。

井口噴淋霧化脫硫裝置的脫硫劑廢液只能隨天然氣進入下游管線。

4 試驗效果評價

4.1 試驗氣井選取

試驗選取氣井為A 井，該井2018 年4 月23 日投產(chǎn)，5 月20 日檢測硫化氫含量高關(guān)停，該井井口硫化氫含量檢測情況（見表4）。從表中可以看出，該井硫化氫含量變化較大，最大差值達到1 200 mg/m3。

表4 氣井硫化氫含量檢測情況表

4.2 試驗氣井生產(chǎn)情況

2018 年5 月31 日至2019 年12 月16 日通過井口安裝噴淋霧化脫硫裝置開始脫硫生產(chǎn)，期間氣井日均產(chǎn)氣1.92×104m3，累計產(chǎn)氣384×104m3；2019 年1 月9 日至3 月6 日、2019 年6 月29 日至12 月15 日通過井口安裝液體脫硫一體化集成裝置脫硫生產(chǎn)，期間氣井日均產(chǎn)氣0.73×104m3，累計產(chǎn)氣144×104m3（見圖6）。

圖6 A 井脫硫生產(chǎn)曲線

4.3 裝置運行效果

4.3.1 脫硫情況 兩種裝置占地面積小，均能適用于面積局限的單井井場，經(jīng)裝置處理后的天然氣中硫化氫含量均低于20 mg/m3，能較好的適用于地面工藝管線不抗硫的氣井恢復(fù)生產(chǎn)。

4.3.2 藥劑用量 兩種脫硫裝置均能在井場使用三嗪類液體脫除天然氣中硫化氫，其中噴淋霧化脫硫裝置累計運行180 d，液體脫硫一體化集成裝置共計運行195 d，兩種裝置藥劑用量及更換周期（見表5）。

表5 兩種脫硫裝置運行期間藥劑消耗及更換周期表

4.3.3 設(shè)備故障情況 兩種脫硫裝置均能正常運行，期間出現(xiàn)不同類型的故障影響氣井正常生產(chǎn)，故障類型及故障次數(shù)（見表6）。

表6 兩種裝置運行故障情況及影響氣井生產(chǎn)時間情況對比表

5 結(jié)論

（1）通過對兩種脫硫方式的應(yīng)用分析可知，兩種脫硫裝置均采用三嗪類液體脫硫劑脫除天然氣中的硫化氫，累計增產(chǎn)超過500×104m3，在裝置運行期間氣井產(chǎn)能得以恢復(fù)，應(yīng)用效果良好。

（2）通過對兩種脫硫裝置的工藝對比分析可知，在井口安裝時均需對現(xiàn)有流程進行改造，改造時間為2～5 d。噴淋霧化脫硫裝置能適應(yīng)更高硫化氫含量氣井的生產(chǎn)恢復(fù)，且同等條件下的理論上藥劑更換周期更長。兩種裝置理論上均能實現(xiàn)無人值守，只需人工定期補充或更換藥劑。

（3）兩種裝置的自動化程度較低，無法實現(xiàn)硫化氫含量在線監(jiān)測，人員檢測時存在硫化氫中毒的風(fēng)險。目前設(shè)備運行故障主要存在于管線及液位計的堵塞方面，在一定程度上影響氣井產(chǎn)能發(fā)揮，建議進一步優(yōu)化設(shè)計，提高裝置自動化程度、降低設(shè)備故障率、削減人員安全風(fēng)險。

（4）通過在A 井的試驗情況分析，在硫化氫含量低于2 000 mg/m3的氣井上，對比藥劑消耗量、實際更換周期及設(shè)備故障率，井口液體脫硫一體化集成裝置相對為更好的選擇。下步可提高設(shè)備材質(zhì)性能，適用于更高硫化氫含量的氣井輔助生產(chǎn)。