井筒除硫技術(shù)在大牛地氣田下古生界的應(yīng)用

袁本福

（ 中國(guó)石化華北油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，河南鄭州 450006 ）

大牛地氣田下古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層，面積997 km2，儲(chǔ)量305×108m3，是大牛地氣田產(chǎn)能建設(shè)的重要接替儲(chǔ)層，具有較好的開(kāi)發(fā)前景[1–4]。目前共投產(chǎn)90口井，由于地質(zhì)原因，部分氣井含一定濃度的H2S氣體，目前，檢測(cè)出含有H2S的氣井52口，含硫井占57.8%。52口含硫井中，H2S體積分?jǐn)?shù)超過(guò)13（國(guó)家二類氣外輸標(biāo)準(zhǔn)）的氣井占48%，共25口；H2S體積分?jǐn)?shù)13～100的有12口，體積分?jǐn)?shù)大于100的有13口。由于大牛地氣田下古生界氣藏含硫特征具有井位分散、H2S濃度整體低微、產(chǎn)出規(guī)律不明確的特點(diǎn)，若進(jìn)行地面裝置集中脫硫，需要一次性投入很高的成本，投資風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，本文通過(guò)建立相關(guān)評(píng)價(jià)模型，對(duì)五種液體除硫劑在大牛地氣田下古生界試驗(yàn)效果進(jìn)行客觀分析與評(píng)價(jià)，擇優(yōu)而選，進(jìn)而全面推廣應(yīng)用，為釋放含硫氣井產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化提供技術(shù)支撐。

1 井筒除硫技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外脫除H2S的方法主要可分為物理法、化學(xué)法和生物法等，其中，化學(xué)法在含H2S油氣藏脫硫應(yīng)用最為廣泛[5]。川西、普光、長(zhǎng)慶等高含硫氣藏，均采用地面集中濕法/干法脫硫，實(shí)現(xiàn)了高含硫氣藏效益開(kāi)發(fā)[6–7]。井筒除硫技術(shù)是通過(guò)向井筒內(nèi)泵入液體除硫劑實(shí)現(xiàn)降低H2S濃度的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的工藝技術(shù)，屬于化學(xué)方法除硫范疇。液體除硫劑是一種由主劑、促吸劑、催化劑等多種單劑復(fù)配后的化學(xué)藥劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將H2S中的H原子置換成C原子，把H–S鍵轉(zhuǎn)化為C–S鍵，使S元素以無(wú)毒、穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)存在，從而降低含H2S天然氣的毒性和對(duì)管材設(shè)備的腐蝕危害[1]。

目前，市場(chǎng)中生產(chǎn)的液體除硫劑主要包括均三嗪類、醇胺類、堿溶液類等，不同液體除硫劑的除硫能力、價(jià)格等也參差不齊，如何針對(duì)不同的除硫劑進(jìn)行優(yōu)選評(píng)價(jià)，進(jìn)而推廣應(yīng)用，需要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析。為此，本文根據(jù)不同除硫劑的性能參數(shù)以及試驗(yàn)氣井的特點(diǎn)進(jìn)行加注量設(shè)計(jì)和加注制度的制定。

1.1 除硫劑加注量設(shè)計(jì)

除硫能力是表征除硫劑脫除H2S的一個(gè)重要指標(biāo)，即每消耗1kg的除硫劑，可以除去H2S的量。因此，以除硫能力為主要變量，結(jié)合氣井試驗(yàn)前的日均產(chǎn)氣量和檢測(cè)的H2S濃度，可以計(jì)算出每一種除硫劑的設(shè)計(jì)加注量，見(jiàn)公式（1）所示：

式中：V為除硫劑加量，L；1Q為試驗(yàn)前日均產(chǎn)氣量，m3；xV為試驗(yàn)前平均H2S體積分?jǐn)?shù)，10–6；1ρ為H2S標(biāo)況下密度，1 518 g/m3；2ρ為除硫劑密度，g/cm3；C為除硫能力，g/L。

1.2 除硫劑加注制度

為了得到不同除硫劑在同一口含硫氣井上的除硫效果，采用統(tǒng)一的加注方式和加注周期。同時(shí)，為了盡量降低不同除硫劑之間因試驗(yàn)前后順序不同而相互干擾，每種除硫劑試驗(yàn)后，設(shè)定10 d的空白期，使含硫天然氣盡可能地消耗殘余除硫劑和恢復(fù)到試驗(yàn)前的硫化氫濃度范圍。

首先，井口油管一次性加注每日設(shè)計(jì)用量，關(guān)井2 h后開(kāi)井生產(chǎn)。在集輸站單井管線入口壓力表考克處，通過(guò)安裝在線式硫化氫檢測(cè)儀，把H2S檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到值班房，實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒除硫后H2S濃度的安全監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)[8–9]。

其次，加注制度分為三個(gè)周期。第1～2 d為第一周期，加注量為理論設(shè)計(jì)量的3倍，加水最小稀釋比例1∶3，最大稀釋比例1∶5；第3～5 d為第二周期，加注量以理論設(shè)計(jì)量為基礎(chǔ)，結(jié)合第一周期試驗(yàn)效果，可進(jìn)行±50%調(diào)整，加水稀釋比例最大1∶3；第6～10 d為第三周期，加注量可根據(jù)第二周期試驗(yàn)效果進(jìn)行±20%調(diào)整，并保持加注量不變至結(jié)束，加水稀釋比例最大1∶3。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

井筒除硫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要從除硫劑配伍性、除硫能力、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而優(yōu)選出性價(jià)比最優(yōu)的除硫劑，進(jìn)行進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2.1 配伍性評(píng)價(jià)指標(biāo)

室內(nèi)配伍性實(shí)驗(yàn)是分別將甲醇、泡排劑、地層水與除硫劑按1∶1比例混合，靜置4 h后觀察是否互溶或者是否產(chǎn)生絮凝物沉淀等現(xiàn)象，若產(chǎn)生絮凝物沉淀，可能會(huì)對(duì)氣井長(zhǎng)期穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)不利影響，則不考慮進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2.2 除硫能力評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了對(duì)不同除硫劑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果做客觀地評(píng)價(jià)，并獲取與含硫氣井實(shí)際工況更為符合的除硫能力，根據(jù)試驗(yàn)前和試驗(yàn)期間氣井平均日產(chǎn)氣量、平均H2S體積分?jǐn)?shù)、除硫劑加量以及試驗(yàn)天數(shù)，建立現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工況下的除硫能力計(jì)算模型，見(jiàn)公式（2）。

式中：C′為除硫能力，g/L；1Q為試驗(yàn)前日均產(chǎn)氣量，m3；xV為試驗(yàn)前平均H2S體積分?jǐn)?shù)，10–6；1Q′為試驗(yàn)期間日均產(chǎn)氣量，m3；xV′為試驗(yàn)期間平均H2S體積分?jǐn)?shù)，10–6；1ρ為H2S標(biāo)況下密度，1 518g/m3；d為試驗(yàn)時(shí)間，d；V為除硫劑加量，L。

2.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了優(yōu)選評(píng)價(jià)出經(jīng)濟(jì)、有效的除硫劑，依據(jù)不同除硫劑價(jià)格，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)除硫劑加注量、氣井日均產(chǎn)氣量、試驗(yàn)天數(shù)等參數(shù)建立了經(jīng)濟(jì)性計(jì)算模型，見(jiàn)公式（3）。

式中：P為成本，元/m3；V為除硫劑加量，L；2ρ為除硫劑密度，g/cm3；T為除硫劑價(jià)格，元/t；1Q′為試驗(yàn)期間日均產(chǎn)氣量，cm3；d為試驗(yàn)時(shí)間，d。

3 試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

優(yōu)選XG3為試驗(yàn)井，該井試驗(yàn)前空白期日均產(chǎn)氣量47 254 m3/d，H2S平均體積分?jǐn)?shù)64.86×10–6，計(jì)算得出日潛硫量為4 652 g。對(duì)五種除硫劑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)井筒除硫試驗(yàn)，試驗(yàn)天數(shù)均為10 d，試驗(yàn)前空白天數(shù)均為10 d，依據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.1 配伍性評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)室內(nèi)15組配伍性實(shí)驗(yàn)得出，B與C除硫劑與不同藥劑及地層水的配伍性完全達(dá)標(biāo)（圖1、圖2），A除硫劑與地層水混合后發(fā)生了絮狀物沉淀，D、E三種除硫劑與地層水混合后均發(fā)生了顏色變化，但未產(chǎn)生絮狀物沉淀，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 除硫劑B與不同藥劑及地層水配伍性

圖2 除硫劑C與不同藥劑及地層水配伍性

表1 不同除硫劑配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 除硫能力評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)除硫能力計(jì)算模型公式（2），結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的五種除硫劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，B除硫劑的除硫能力最高（表2），與除硫能力偏差值也最小。除硫能力偏差值反映除硫劑廠家提供的室內(nèi)理論值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際井況試驗(yàn)值之間的偏差百分比，該值越小，越能真實(shí)地反映除硫劑的除硫效果，說(shuō)明除硫劑設(shè)計(jì)加注量更合理。

表2 試驗(yàn)期間不同除硫劑除硫能力評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型公式（3），結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的五種除硫劑進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：每立方米氣成本和每克硫成本從小到大排序?yàn)椋築＜C＜E＜D＜A。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，其中B除硫劑的每立方米氣成本最低，經(jīng)濟(jì)性最好。

表3 試驗(yàn)期間不同除硫劑除硫成本評(píng)價(jià)

3.4 推廣應(yīng)用效果

通過(guò)2019年對(duì)五種除硫劑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，綜合試驗(yàn)期間配伍性評(píng)價(jià)、除硫能力評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)三個(gè)重要指標(biāo)，優(yōu)選出性價(jià)比最優(yōu)的B型除硫劑（圖3）。針對(duì)H2S體積分?jǐn)?shù)小于100的含硫氣井，在2020年全面推廣應(yīng)用12口井，其中2口井加注一個(gè)月后，H2S體積分?jǐn)?shù)至今一直為0；3口井加注三個(gè)月后，H2S體積分?jǐn)?shù)一直維持在國(guó)家二類氣外輸標(biāo)準(zhǔn)以下；剩余7口井持續(xù)進(jìn)行井筒除硫，產(chǎn)出H2S體積分?jǐn)?shù)也控制在國(guó)家二類氣外輸標(biāo)準(zhǔn)以下，取得了較好的除硫效果。期間，通過(guò)優(yōu)化藥劑加注量和制度，除硫綜合成本為0.049元/m3（除硫劑成本按照26 000元/t購(gòu)買，每立方米氣按照1.168元銷售，計(jì)算產(chǎn)出氣凈收益2 973萬(wàn)元，見(jiàn)表4）。

圖3 五種除硫劑試驗(yàn)效果跟蹤

表4 推廣應(yīng)用階段效果分析

針對(duì)H2S體積分?jǐn)?shù)小于100的含硫氣井，推廣應(yīng)用階段，有5口井在一定時(shí)間內(nèi)加注除硫劑后產(chǎn)出氣不再含H2S或體積分?jǐn)?shù)小于13，也進(jìn)一步說(shuō)明部分氣井產(chǎn)出的硫化氫為次生，采用集中建站的脫硫工藝并不適用，且存在較大的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)；另外7口井除硫效果顯著，綜合成本較低，具有盈利空間。綜合來(lái)看，井筒除硫技術(shù)在大牛地氣田下古生界低微含硫氣井的應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)建立除硫能力評(píng)價(jià)和除硫成本評(píng)價(jià)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可對(duì)五種除硫劑進(jìn)行客觀地評(píng)價(jià)并優(yōu)選。

（2）通過(guò)優(yōu)選出性價(jià)比最優(yōu)的除硫劑B，并推廣應(yīng)用，綜合除硫成本為0.049元/m3，2020年凈收益2 973萬(wàn)元，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了大牛地氣田低微含硫氣井產(chǎn)能有效釋放。

（3）根據(jù)大牛地氣田下古生界含硫氣井井位分散、低微含硫、硫化氫產(chǎn)出不規(guī)律的特點(diǎn)，形成了特色的經(jīng)濟(jì)、有效井筒除硫技術(shù)，規(guī)避了地面集中脫硫一次性大額投資的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)類似特征的氣田具有一定的參考意義。