天然氣干法脫硫“一站式”模式的創(chuàng)新發(fā)展與實踐

方 進 羅召錢

（中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621700）

0 引言

伴隨著四川盆地北部地區(qū)深層海相碳酸鹽巖氣藏取得重大勘探開發(fā)突破［1］，中低含硫天然氣的安全高效開采成為實現(xiàn)氣田高質(zhì)量發(fā)展的攻堅方向之一。干法脫硫作為含硫氣田開發(fā)初期小規(guī)模凈化處理的主要手段，在工藝管理模式上的不斷優(yōu)化創(chuàng)新，不僅是為了滿足日益增長的氣田開發(fā)需要，更是為了滿足“綠色礦山”的建設要求。

為此，針對傳統(tǒng)管理模式中制約天然氣干法脫硫高效運行中存在的一系列問題，摸索并建立了天然氣干法脫硫“一站式”創(chuàng)新模式［2］。

1 天然氣干法脫硫“一站式”模式的動因與內(nèi)涵

1.1 天然氣干法脫硫“一站式”模式的動因

隨著全球能源消費持續(xù)回暖，消費結(jié)構(gòu)進一步向清潔化發(fā)展，天然氣已成為當今全球三大主力能源之一。作為世界上最早開發(fā)和利用天然氣的區(qū)域，四川盆地常規(guī)和非常規(guī)兩類天然氣資源總量38×1012m3，累計探明4.1×1012m3。區(qū)塊勘探開發(fā)逐步由陸相向海相、由淺層向深層、超深層探索發(fā)展，后續(xù)勘探開發(fā)任務將會更加復雜。尤其是深層、超深層海相氣藏，氣質(zhì)組分更為復雜，多含硫化氫毒性氣體，有較大的安全、環(huán)保風險，對天然氣的處理能力也提出了更高的要求［3-5］。天然氣的含硫量作為脫硫工藝選擇的重要依據(jù)之一，通常用潛硫量表示。一般來說，潛硫量在10 t／d以上時，選擇化學／物理溶劑吸收法脫硫H2S，如胺法脫硫（MDEA），常用于大規(guī)模脫硫；當潛硫量介于0.2～10 t／d時，常選擇液相直接氧化還原工藝，如絡合鐵法；當潛硫量小于0.2 t／d時，常選用干法脫硫工藝。四川盆地北部地區(qū)中低含硫天然氣井潛硫量通常小于0.2 t／d，結(jié)合干法脫硫工藝流程簡單、投資低、占地面積小等優(yōu)勢，因此干法脫硫成為盆地含硫量較低氣井的主流凈化工藝［6］。

但在干法脫硫傳統(tǒng)生產(chǎn)管理中存在一定弊端，一方面脫硫劑的使用、富劑的處置面臨不同的承包商，多責任主體使得工作界面交叉復雜，管理難度大，脫硫質(zhì)量難以把控。另一方面，傳統(tǒng)模式以脫硫劑使用量為標準，對不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、不同服務商和不同的施工人員進行分開結(jié)算，程序復雜、誤差較大。實際使用的脫硫劑硫容高低由企業(yè)自行承擔，脫硫服務商對服務質(zhì)量的持續(xù)提升上顯得動力不足。再者，脫硫劑的更換多采用現(xiàn)場人工掏填的方式，脫硫富劑不可避免的與人員和現(xiàn)場環(huán)境接觸，安全管控風險大［7-10］。因此，為了優(yōu)化脫硫管理流程、提升工藝效果、降低作業(yè)風險，天然氣干法脫硫一站式模式成為加速含硫天然氣高質(zhì)量開采的內(nèi)在需求與必然選擇。

1.2 天然氣干法脫硫“一站式”模式的內(nèi)涵

在對傳統(tǒng)脫硫模式與歷史經(jīng)驗進行充分調(diào)研與總結(jié)研判后，從工藝流程設計、現(xiàn)場建設施工、生產(chǎn)運行管理三大過程管控入手，改革多責任主體、分步設計、分散施工的傳統(tǒng)脫硫模式，重塑管理流程，整合服務商資源，同時對脫硫設備撬裝化、一體化，從根本上杜絕脫硫劑與現(xiàn)場人員和環(huán)境的接觸，消除作業(yè)安全隱患（圖1）。其次，借鑒最新的天然氣計價模式，以經(jīng)濟杠桿激勵脫硫服務質(zhì)量提升。再者，以信息化手段進行可視化協(xié)同設計和全過程安全管控，推動脫硫管理實現(xiàn)高效、安全、環(huán)保的目標。

圖1 一站式脫硫管理總體框架示意圖

2 天然氣干法脫硫“一站式”模式創(chuàng)新

2.1 基于設計方案的管控流程重塑

在工藝流程設計方案上（圖2），與技術(shù)服務方協(xié)同開展集成化流程與裝置設計：整合傳統(tǒng)原料氣處置工藝，進行施工安裝及運行管理的整體化與便捷化改造，要求脫硫設備能撬裝化快速拆裝，脫硫設備能整體拉運更換，能以脫硫塔為容器將脫硫富劑密閉運輸直接返廠無害化統(tǒng)一處置，消除脫硫劑現(xiàn)場裝卸，杜絕廢劑自燃和粉塵污染等隱患，達到快速、安全、環(huán)保的目的。

圖2 一站式脫硫施工運行流程示意圖

在地面工程建設方案上，打破“建設初期分步設計、采購，建設后期分段施工、試運投產(chǎn)”的傳統(tǒng)建設工程模式，推行設備設施“工廠化預制、一體化集成、橇裝化安裝”的施工方案，加速新井地面工程的快建投產(chǎn)。

在脫硫運行方案上，首先是改變脫硫劑的傳統(tǒng)更換方式，由生產(chǎn)現(xiàn)場在脫硫塔內(nèi)人工掏填脫硫劑，現(xiàn)場打包脫硫劑裝車分散處置的方式優(yōu)化為小單元整體替換，脫硫富劑連帶舊塔一起整體拉運回廠處置。全程無脫硫富劑暴露，減輕員工操作強度，降低環(huán)境風險。其次是圍繞脫硫服務更換重點環(huán)節(jié)，梳理一站式脫硫管理界面，明確交接內(nèi)容，將傳統(tǒng)模式的放空泄壓、氮氣置換、設備打開、裝卸料、升壓驗漏、富劑處置等多個環(huán)節(jié)優(yōu)化整合，消減人在工藝流程切換中的不安全行為。最后實施屬地管理單位與脫硫服務單位合體同責的管理制度，實現(xiàn)雙方監(jiān)督管理與現(xiàn)場操作人員相對獨立，保證最大發(fā)揮設備設施裝置能效，提高固定資產(chǎn)使用率，推動脫硫服務、產(chǎn)品質(zhì)量提升。

2.2 基于計價體系的脫硫服務質(zhì)量把控

借鑒我國最新的天然氣能量熱值計價方式，合理利用經(jīng)濟杠桿，摸索出以天然氣硫含量為基礎，處理原料氣量為標準的新型計價模式。該模式以一定時期在線監(jiān)測硫化氫的平均值對比基準價氣質(zhì)條件的差值百分比進行折算，計算公式如下：

式中，F(xiàn)為結(jié)算價款，元；V0H2S為標準狀況下處理氣井原料氣的體積，Nm3；V1H2S為標準狀況下處理原料氣的H2S體積百分數(shù)；V2H2S為標準狀況下基準價的H2S體積百分數(shù)；F0為基準價，元／Nm3。

其中，基準價F0按不同氣井的情況定制發(fā)布，主要由固定資產(chǎn)購置安裝、脫硫服務生產(chǎn)現(xiàn)場管理操作人員配置、含硫原料氣凈化處置等費用綜合折算得到。計算參數(shù)較傳統(tǒng)模式更科學且易獲取，一次脫硫整體結(jié)算，有效解決傳統(tǒng)模式導致的計價難題，加深服務商參與度，提高服務商積極性，在科學結(jié)算的同時確保服務質(zhì)量。

2.3 基于信息化技術(shù)的管理效率提升

在天然氣干法脫硫“一站式”管理模式中，信息化手段輔助全過程管理效率的提升。

一是搭建屬地管理方與服務商的實時交流平臺，構(gòu)建高效管控基礎，將傳統(tǒng)模式中較為低效的人對人當面交流，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上的多線程高效實時交流，實現(xiàn)設計和建設等重要信息的高速無障礙傳輸和快速處理，輔助決策與及時響應。

二是通過電子設備和服務系統(tǒng)，加強屬地管理方對服務商的可視化全過程監(jiān)督，保障施工安全與服務質(zhì)量。

三是通過多樣化的培訓手段，利用信息技術(shù)促進員工和服務商職業(yè)技能提升，同時加強服務商的能力評估與績效考核，打造出與天然氣干法脫硫“一站式”新模式相匹配的人才隊伍。

3 天然氣干法脫硫“一站式”模式實踐

3.1 “一站式”模式實踐概況

近年來，四川盆地北部地區(qū)深層海相碳酸鹽巖氣藏開發(fā)上取得重大突破，促進了天然氣干法脫硫“一站式”脫硫的管理變革與提升。自2018年開始，針對川西北部中低含硫邊遠氣井分布廣、含硫量相對較低、脫硫集中處理難度大、脫硫成本高等特點，先后在區(qū)域內(nèi)4口新投產(chǎn)井中成功應用了干法脫硫“一站式”模式，為該模式的優(yōu)化、評估和推廣使用積累了實踐經(jīng)驗。

3.2 L016-H1井生產(chǎn)實例

L016-H1井是中國石油西南油氣田公司川西北氣礦部署在川西北部區(qū)域九龍山區(qū)塊的一口滾動勘探開發(fā)井。該井日產(chǎn)氣量約40×104m3／d、日產(chǎn)液量為2 m3，開井初期井口硫化氫含硫較低，無需特殊處理。隨開發(fā)周期增加，天然氣硫化氫含量上升至70 mg／m3，而區(qū)塊內(nèi)尚無其他凈化設施可依托。

在“一站式”干法脫硫模式的指導下，L016-H1井現(xiàn)場采用服務商提供的5臺撬裝脫硫塔。脫硫塔均采用標準化設計和模塊化連接，整體占地面積小，且可根據(jù)生產(chǎn)需要對模塊靈活增減和組合。工藝單元采用先集散再整裝的方式，各單元之間的連接也由傳統(tǒng)焊接優(yōu)化為可拆卸的法蘭連接，可有效提高運輸和現(xiàn)場安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)效率。

當脫硫塔吸附飽和時，流程上切換備用脫硫塔，吸附飽和塔則開始進行吊裝更換工作，將裝填有新脫硫劑的脫硫新塔直接替換吸附飽和塔。通過整體吊裝更換實現(xiàn)脫硫富劑的全過程密閉輸送，返廠無害化統(tǒng)一處置。傳統(tǒng)模式中，此部分工作是由人工從塔內(nèi)掏出脫硫富劑，打包成約50 kg的小包裝后再車輛拉運回廠，脫硫新劑也由相同的方式反向裝填。以A63型脫硫塔每塔裝填脫硫劑4.35 t計算，單塔換劑需搬運174袋脫硫劑，勞動強度大的同時作業(yè)風險也大。相比之下，新模式整體單元吊裝更換的方式不僅更加方便快捷，大幅減少了人力投入，更從根本上杜絕了脫硫劑對人員和環(huán)境的危害。

根據(jù)新型脫硫服務結(jié)算方式，首先通過L016-H1井固定資產(chǎn)和生產(chǎn)現(xiàn)場人員配置情況、傳統(tǒng)模式同類型含硫原料氣凈化處置等費用進行綜合折算，確定出L016-H1井的基準硫化氫含量及對應的基準價，再根據(jù)結(jié)算公式，結(jié)合實際處理氣量及硫化氫含量波動計算最終結(jié)算價格。按L016-H1井產(chǎn)氣硫化氫含量70 mg／m3計算，脫硫服務結(jié)算單價為0.016 4元／m3，較同類型傳統(tǒng)模式脫硫服務折算單價降低約0.05元／m3，使脫硫服務運行成本大幅度下降。更重要的是，相比于傳統(tǒng)模式下單純的買賣脫硫劑，新的結(jié)算方式激勵了服務商通過提高產(chǎn)品硫容來獲得利益。L016-H1井使用過程中硫容最高達32%，相比于傳統(tǒng)模式約13%的使用硫容有了質(zhì)的飛躍，更是刷新了同條件下國內(nèi)新紀錄，為天然氣行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

L016-H1井在“一站式”模式在的實踐過程中，還合理運用了各類信息化手段促進管理效率提升。依托三維協(xié)同設計程序，搭建了屬地管理方與服務商的實時交流平臺，依托中油系統(tǒng)ERP物資管理平臺，整合傳統(tǒng)模式多環(huán)節(jié)、多渠道物資采購程序為統(tǒng)一采購；在三維設計程序基礎上搭建信息互通鏈接，實時更新物資使用、需求、庫存和供應情況，實現(xiàn)物資全動態(tài)管理。同時充分利用電子攝像頭，無人機實現(xiàn)遠程監(jiān)控，主動監(jiān)測、識別作業(yè)人員資質(zhì)、入場資格、違章行為，管理層和生產(chǎn)人員可以通過現(xiàn)場語音報警、無人機對講等及時控制不安全行為、不安全狀態(tài)，保障施工安全與服務質(zhì)量。通過大量的網(wǎng)絡培訓課程、直播教學、新媒體推送等方式，以多元化的手段強化員工和服務商的培訓與考核，有效促進了員工職業(yè)技能提升。

實踐結(jié)果表明，與傳統(tǒng)模式相比（表1），新模式在安全環(huán)保、提質(zhì)增效、降低成本上均取得了顯著的效果。

表1 L016-H1井“一站式”干法脫硫管理模式與傳統(tǒng)模式運行效果對比表

4 結(jié)論與認識

天然氣干法脫硫“一站式”模式的實踐結(jié)果表明，該模式取得了環(huán)保、降本、增效全方面的提升。

1）環(huán)保效果提升。新模式通過以脫硫塔帶脫硫劑整體吊裝替代原有模式現(xiàn)場裝卸脫硫劑的方式，減輕人員勞動強度的同時最大限度削減了脫硫劑的暴露，降低了人員和環(huán)境污染風險。

2）工作效率提升。通過模塊化的設計，簡化流程避免了交叉作業(yè)等問題，在單井產(chǎn)能建設過程中實現(xiàn)了快建快投；整體吊裝更換帶脫硫劑的脫硫塔，簡化了運行環(huán)節(jié)，縮短了單次脫硫劑更換時間；新的結(jié)算方式激勵服務商提升脫硫劑硫容，創(chuàng)下同類型硫容全國紀錄，進一步降低脫硫劑更換頻次。

3）運行成本降低。一是新模式減少了以脫硫塔為首的固定資產(chǎn)投入以及脫硫塔的檢維修等成本；二是精簡后的流程減少了人員投入；三是按新的脫硫服務結(jié)算方式，結(jié)算單價大幅降低，推動脫硫服務費用總體顯著下降。