普光高酸性氣田安全開發(fā)的難點與對策

曹耀峰

(中國石油化工集團公司，北京 100029)

1 前言

隨著中國東部陸相油田相繼進(jìn)入高含水期，國家經(jīng)濟發(fā)展迫切需要尋找新的資源接替。溫家寶總理對海相油氣勘探做出重要批示:“要重視油氣資源戰(zhàn)略勘查工作，爭取在前新生代海相碳酸鹽巖地層中有新的突破”。在幾代石油人艱苦探索和不懈努力的基礎(chǔ)上，中國石化于2003年4月27日在四川盆地東北部的四川省宣漢縣發(fā)現(xiàn)了普光氣田，圓了幾代中國地質(zhì)家和石油石化人的一個夢。普光氣田發(fā)現(xiàn)后，中國石化集中優(yōu)勢力量開展了專項研究和系統(tǒng)準(zhǔn)備，決定對普光氣田實施整體開發(fā)。2006年7月4日，時任國務(wù)院副總理曾培炎聽取中石化的專題匯報，將普光氣田產(chǎn)能建設(shè)和管道輸送定名為“川氣東送”工程 ，將其列為與“西氣東輸”、“南水北調(diào)”、“三峽工程”、“青藏鐵路”同等重要的重大工程，主要包括普光氣田及其周邊區(qū)塊的勘探開發(fā)、酸性氣體凈化處理、長距離管道輸送、天然氣利用配套項目等，總投資626．76億元。2007年8月31日，工程全線正式開工，2010年3月29日建成投產(chǎn)，用3年時間建成了我國第一個超百億方規(guī)模的超深高酸性大氣田，世界第二大高酸性天然氣凈化處理廠和我國又一條橫貫東西的天然氣大管道。川氣東送工程建成投產(chǎn)后，對保障國家能源安全和促進(jìn)節(jié)能減排具有重大意義。

普光氣田的整體開發(fā)是川氣東送工程的核心工程，也是我國首次對超深高酸大氣田進(jìn)行自主大規(guī)模開發(fā)的創(chuàng)新實踐。普光氣田氣藏的劇毒強腐蝕性等高風(fēng)險因素，使安全成為關(guān)系工程建設(shè)成敗的決定性條件。

2 普光高酸性氣田開發(fā)難點

2．1 酸性氣田的概念

酸性氣田是指含有H2S或CO2等酸性氣體的富集氣藏。截至2007年底，我國累計探明高含硫天然氣儲量已超過7000億m3，約占探明天然氣總儲量的1/6。隨著海相資源勘探力度的加大，我國高含H2S和CO2天然氣探明儲量將進(jìn)入快速增長期。目前我國已探明發(fā)現(xiàn)的酸性氣田主要分布在川渝地區(qū)，開發(fā)歷史已近40年。但過去開發(fā)的酸性氣藏以中低硫為主，且規(guī)模較小。如中石油已開發(fā)的磨溪氣田含硫1．1% ～2．4%，中壩氣田含硫6．67% ～7．53%，近期投產(chǎn)的龍崗氣田含硫4．3%。

2．2 普光氣田的主要開發(fā)難點

普光氣田是中國石化2003年4月27日在四川盆地東北部發(fā)現(xiàn)的，截至2010年，已累計探明天然氣地質(zhì)儲量4122億m3，是我國目前最大的超深整裝高酸性大氣田。普光氣田集超深劇毒高壓強腐蝕于一體，具有“三高一深”的特點。高酸:氣藏中硫化氫平均含量15%、二氧化碳含量8%;高壓:氣藏平均壓力55．8 MPa，井底硫化氫分壓達(dá)到9．5 MPa;高產(chǎn):單井平均無阻流量480．4萬m3;超深:氣藏平均埋藏深度5974 m，屬超深氣藏。與國外已開發(fā)典型酸性氣田相比，普光氣田的顯著特點超深、不含凝析油。前蘇聯(lián)奧倫堡氣田井深1330～1830 m、阿斯特拉罕氣田井深3900～4000 m，加拿大卡羅林氣田井深3720 m，法國拉克氣田井深3800 m，均含凝析油。

從工程技術(shù)角度看，普光氣田的開發(fā)主要有以下難點:a．普光氣田開發(fā)技術(shù)及安全管理缺乏標(biāo)準(zhǔn)體系:普光氣田的氣藏特性及地質(zhì)地貌環(huán)境的復(fù)雜性，使其規(guī)模開發(fā)面臨無標(biāo)準(zhǔn)可依的困境。從國際上看，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于產(chǎn)品和實驗評價，缺乏施工和作業(yè)類標(biāo)準(zhǔn)，而且相關(guān)企業(yè)采取了嚴(yán)格的商業(yè)保密措施。從國內(nèi)看，酸性氣田勘探開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)多是框架指導(dǎo)和原則性規(guī)范，覆蓋專業(yè)不全，缺乏技術(shù)操作性，特別是標(biāo)準(zhǔn)配套整體滯后于技術(shù)發(fā)展，新技術(shù)應(yīng)用缺乏標(biāo)準(zhǔn)依據(jù);b．鉆井工程技術(shù)難點:由于普光氣田平均埋藏深度大于5000 m，屬超深氣藏，導(dǎo)致鉆井施工過程中“噴、漏、塌、卡、陡”等技術(shù)難題交集出現(xiàn)，同時，由于海相上覆地層堅硬，可鉆性級值在5級以上，造成建井周期長、投資高，另外國內(nèi)施工隊伍對高酸性結(jié)構(gòu)、管材選擇無經(jīng)驗，對固井水泥漿體系、固井工藝也需學(xué)習(xí)借鑒和攻關(guān)，特別是高溫、高壓、高酸氣井的井控、人身安保等都存在極大風(fēng)險，其中，硫化氫具有致命危險，對設(shè)備材料具有強腐蝕性;c．采氣工程技術(shù)難點:對超長井段(300～600 m)射孔的材料、傳爆、防震等配套技術(shù)需要自己研發(fā)，對高產(chǎn)、高壓、高酸氣井試氣工藝和配套設(shè)備需求沒有實踐經(jīng)驗，對巨厚海相氣層大酸量(300～l 000 m3)酸壓改造的酸液配方、施工工藝和投產(chǎn)管柱優(yōu)化需探索研究;d．集輸工程技術(shù)難點:缺乏山地高酸性混輸工程設(shè)計、材料選擇及焊接施工經(jīng)驗，缺乏高酸氣田腐蝕防護(hù)、硫沉積防治、泄漏監(jiān)控等經(jīng)驗;e．氣體凈化工程技術(shù)難點:由于系國內(nèi)首次建設(shè)超大型高含硫天然氣凈化廠，沒有相關(guān)設(shè)計及施工經(jīng)驗，大型設(shè)備制造、安裝難度大，復(fù)合材料和抗硫材料焊接技術(shù)要求高;f．硫化氫防護(hù)難點:由于普光氣田處于川東北地區(qū)，居住人口稠密，道路崎嶇復(fù)雜，應(yīng)急救援及醫(yī)療救護(hù)難度較大，同時周邊居民對硫化氫防范知識匱乏，地方缺乏專業(yè)醫(yī)療急救設(shè)備和救護(hù)經(jīng)驗等都增加了救護(hù)難度。

對于普光氣田“三高一深”帶來的工程建設(shè)上的諸多技術(shù)難點，國內(nèi)外專家和國際油氣公司均認(rèn)為是世界級難題。

3 普光氣田的安全開發(fā)實踐

酸性氣田開發(fā)需要解決的關(guān)鍵問題是防止氣田建設(shè)和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)硫化氫泄露，并杜絕因硫化氫泄露對人員和周邊環(huán)境造成危害。普光氣田的安全開發(fā)得益于周密完備的預(yù)防和保障措施:a．在預(yù)防上，通過工程技術(shù)、裝備材料的集成創(chuàng)新以及強化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和加強全流程嚴(yán)格管理，實現(xiàn)硫化氫在生產(chǎn)過程中不噴、不漏、不泄;b．在安全保障上，建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、全覆蓋的應(yīng)急救援體系，確保出現(xiàn)意外的情況下有能力消除危害。

3．1 靠裝備材料技術(shù)創(chuàng)新與嚴(yán)格的科學(xué)管理確保硫化氫不噴、不漏、不泄

3．1．1 積極推進(jìn)工程技術(shù)創(chuàng)新，用高科技化解高難度

為解決氣田開發(fā)過程中超深井鉆井、試氣投產(chǎn)、酸氣集輸、大型凈化等技術(shù)難題，我們堅持“學(xué)習(xí)借鑒、攻關(guān)創(chuàng)新、集成應(yīng)用”緊密銜接的科技創(chuàng)新路徑，組建了產(chǎn)學(xué)研一體化的技術(shù)攻關(guān)團隊，組織實施了“高含硫氣藏安全高效開發(fā)技術(shù)”、“大型高含硫氣田開發(fā)示范工程”兩項國家科技重大專項，組織開展了12項課題、47項子課題的研究，完成了氣體鉆井技術(shù)、高酸性氣井完井技術(shù)、超長井段(600 m)射孔技術(shù)、一體化酸壓投產(chǎn)技術(shù)、濕氣集輸技術(shù)和120億m3酸氣凈化廠配套技術(shù)等一系列科技攻關(guān);針對工程建設(shè)和新技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用過程中遇到的難題，在工程建設(shè)一線組織實施了空氣霧化鉆井、旋轉(zhuǎn)尾管固井、多級暫堵酸化壓裂、大排量酸氣焚燒測試等63項先導(dǎo)試驗，實現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)與現(xiàn)場試驗良性互動，加快了科技攻關(guān)、技術(shù)集成和技術(shù)成果的規(guī)?；瘧?yīng)用，形成了國內(nèi)首套適應(yīng)超深高酸性氣田規(guī)模開發(fā)的氣藏工程優(yōu)化、鉆井綜合配套、測試及生產(chǎn)完井、集輸工程、大型高酸氣凈化處理等五大工程技術(shù)系列，為建成我國首個超百億方超深高酸大氣田提供了技術(shù)支撐。

3．1．2 以本質(zhì)安全為目的，全面提升裝備材料的抗腐蝕等級

硫化氫對設(shè)備材料具有強腐蝕性。調(diào)研了國外高酸性氣田開發(fā)工程選用的設(shè)備、材料現(xiàn)狀以及選配經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上經(jīng)反復(fù)實驗和測試研究，確定了關(guān)鍵裝備材料的抗腐蝕、抗高壓等級。

井口防噴器，普光氣田開發(fā)井使用35～70 MPa高抗硫防噴器(HH級);外圍重點探井中使用105 MPa壓力高抗硫防噴器(HH級)。產(chǎn)層套管，均采用雙抗級別(抗硫化氫、二氧化碳)。地面節(jié)流管匯，按照普通抗硫(EE級)、部分高抗硫(HH－EE級)、全部高抗硫(HH級)3種防硫級別配備;放噴管線由φ89 mm更換為φ103 mm，節(jié)流閥由針型改為楔塊式，與液氣接觸的閥室內(nèi)表面全部涂防硫材料，閥件本體用防硫材料制作。鉆井液，加入除硫劑，保證pH值在9．5以上，防止鉆具氫脆，現(xiàn)場儲備20 t除硫劑。重點井配備防硫鉆桿，安裝雙節(jié)流、四條放噴管線、雙液氣分離器和氣動下灰加重裝置。

為滿足氣田長期生產(chǎn)對設(shè)備材料的要求，組織開展了全面的腐蝕監(jiān)測和室內(nèi)實驗研究，進(jìn)一步掌握了硫化氫高壓高溫下的相態(tài)、超臨界的流態(tài)、高分壓對材料腐蝕、單質(zhì)硫析出危害等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，并據(jù)此制定了“抗硫管材+緩蝕劑+腐蝕監(jiān)測+陰極保護(hù)+智能清管”聯(lián)合防腐工藝路線和技術(shù)措施。

抗硫管材:集輸管道采用L360抗硫碳鋼，井口－加熱爐單井集氣管道采用825鎳基合金，放空管線采用A333－6低溫抗硫碳鋼;緩蝕劑:采用涂膜+連續(xù)加注工藝;腐蝕監(jiān)測:采用腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針和電指紋等腐蝕監(jiān)測技術(shù);陰極保護(hù):采用強制電流陰極保護(hù)，設(shè)6座陰極保護(hù)站;智能清管檢測:引進(jìn)智能清管檢測技術(shù)進(jìn)行管道清潔、幾何測量和金屬損失檢測。

3．1．3 創(chuàng)新制訂酸性氣田開發(fā)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系

針對國內(nèi)缺乏規(guī)模開發(fā)超深高酸性氣田工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的實際，應(yīng)把標(biāo)準(zhǔn)的制訂實施作為保障工程安全建設(shè)的源頭。在借鑒經(jīng)驗和實踐總結(jié)的基礎(chǔ)上，組織制訂了國內(nèi)首套適應(yīng)超深高酸性氣田規(guī)模開發(fā)、涵蓋氣藏開發(fā)、石油工程等7大業(yè)務(wù)領(lǐng)域的51項標(biāo)準(zhǔn)，在工程建設(shè)中實施效果良好，填補了國內(nèi)超深高酸性氣田工程技術(shù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的空白。其中，氣體鉆井技術(shù)、空氣鉆井條件下的錄井技術(shù)、PDC鉆頭鉆井條件下的錄井技術(shù)及含硫化氫條件下電纜測井作業(yè)等6項標(biāo)準(zhǔn)屬國際首創(chuàng)，《垂直鉆井推薦作法》等12項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)屬國內(nèi)首創(chuàng)。

3．1．4 把嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)作為工區(qū)鐵的紀(jì)律

設(shè)計和工程技術(shù)方案是確保新標(biāo)準(zhǔn)全面執(zhí)行的基礎(chǔ)。制訂實施了設(shè)計方案三級審查機制，通過嚴(yán)格設(shè)計單位資質(zhì)、嚴(yán)密論證優(yōu)化、嚴(yán)把方案審查、嚴(yán)細(xì)優(yōu)化技術(shù)措施、嚴(yán)控方案變更，以保證新標(biāo)準(zhǔn)全面體現(xiàn)在設(shè)計方案之中。實施工程建設(shè)現(xiàn)場督導(dǎo)機制，采取監(jiān)理旁站、專家駐井督導(dǎo)、關(guān)鍵工序全程督導(dǎo)、重點工程領(lǐng)導(dǎo)掛牌督導(dǎo)、前線督導(dǎo)組區(qū)域督導(dǎo)等措施，對施工全過程進(jìn)行實時現(xiàn)場跟蹤，確保施工嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)實施。

3．1．5 建設(shè)全覆蓋的安全管理體系

建立嚴(yán)密的四級安全監(jiān)管體系，層層落實安全監(jiān)管責(zé)任。組建并強化專業(yè)安全監(jiān)督隊伍，嚴(yán)格現(xiàn)場檢查，重點強化井控管理和硫化氫防護(hù);嚴(yán)格責(zé)任追究，堅持把隱患當(dāng)事故來對待，把違章當(dāng)事故來處理;組織開展“反陋習(xí)、抓細(xì)節(jié)”活動，把隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

3．2 建設(shè)安全保障體系，具備處理意外事故的能力

3．2．1 建設(shè)覆蓋全工區(qū)的自動報警系統(tǒng)

在氣田生產(chǎn)區(qū)域，全面運用全自動化的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)，采用“SCADA+ESD+SIS+激光泄漏監(jiān)測”控制方案;在集輸站場、閥室、管線、隧道等部位，安裝硫化氫檢測儀、可燃?xì)怏w檢測儀、火焰探測器、腐蝕監(jiān)測儀、電指紋監(jiān)測儀、視頻攝像頭等監(jiān)控報警裝置;為確保附近居民能及時獲知相關(guān)信息，設(shè)計安裝了緊急疏散廣播系統(tǒng)，共計修建基站6座、安裝緊急疏散廣播點287個，每個點安裝3只戶外號角喇叭。

3．2．2 建設(shè)覆蓋全流程的四級自動關(guān)斷系統(tǒng)

在國內(nèi)首次組織設(shè)計安裝了從單井、站場、管線到整個氣田的四級自控連鎖關(guān)斷系統(tǒng)，既實現(xiàn)了一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的獨立關(guān)斷，又實現(xiàn)了氣田的一次性整體關(guān)斷。

3．2．3 建設(shè)覆蓋全崗位的現(xiàn)場防護(hù)體系

牢固樹立以安全為主導(dǎo)的工程建設(shè)理念，組織開展了以“超深高酸性氣田開發(fā)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)宣貫”為主要內(nèi)容的全員安全培訓(xùn)，先后組織7萬余人次接受安全培訓(xùn)，實現(xiàn)了全員100%持證上崗。

為現(xiàn)場施工人員配備了正壓式空氣呼吸器、備用氣瓶、便攜式硫化氫氣體報警儀等裝備;在涉硫作業(yè)現(xiàn)場，安裝了固定式硫化氫檢測儀探頭、風(fēng)向標(biāo)、逃生路線圖、硫化氫警示標(biāo)識牌等設(shè)施，并繪制設(shè)備現(xiàn)場擺放圖，確保意外情況下能夠無障礙緊急疏散;制訂實施涉硫作業(yè)安全許可證制度，進(jìn)入現(xiàn)場人員都必須經(jīng)過硫化氫防護(hù)培訓(xùn)，切實掌握硫化氫防護(hù)技能，并要求施工單位定期組織開展防硫應(yīng)急演練和現(xiàn)場模擬逃生演練。

3．2．4 確定安全防護(hù)距離

針對氣田所處山區(qū)環(huán)境及人口稠密的特點，組織開展了硫化氫在不同氣象、地形條件下的擴散規(guī)律研究。根據(jù)硫化氫擴散模擬結(jié)果，研究確定了高標(biāo)準(zhǔn)的安全設(shè)防距離，對普光氣田酸氣管道、集輸站場、天然氣凈化廠分別按100、300、800 m設(shè)防，并配合地方政府對設(shè)防距離以內(nèi)的2603戶居民實施了整體搬遷。

3．2．5 建設(shè)企地聯(lián)合應(yīng)急救援體系

組織專項投資建設(shè)應(yīng)急救援中心，配備先進(jìn)應(yīng)急救援設(shè)備，建立專兼職應(yīng)急救援隊伍，形成工區(qū)完善的應(yīng)急救援體系。根據(jù)工區(qū)分布，建設(shè)了普光、元壩兩個應(yīng)急救援中心站，配置了消防坦克、強風(fēng)搶險車等國內(nèi)一流的先進(jìn)裝備，具備了處置重(特)大規(guī)模的井噴失控、硫化氫泄漏、火災(zāi)、爆炸、環(huán)境災(zāi)害、自然災(zāi)害等事故的能力，并在汶川大地震搶險救災(zāi)過程中經(jīng)受了實戰(zhàn)考驗。其中，普光應(yīng)急救援中心被評為國家級油氣田救援示范基地。

建立多方高效聯(lián)動的應(yīng)急協(xié)調(diào)機制，實現(xiàn)了企地之間的應(yīng)急聯(lián)動。根據(jù)普光氣田的特點，與當(dāng)?shù)卣⒘朔止九c縣、廠與鄉(xiāng)、站與村三級應(yīng)急聯(lián)動管理模式，編制了寬領(lǐng)域、廣覆蓋的應(yīng)急預(yù)案，并在當(dāng)?shù)卣畟浒?，同時堅持組織施工隊伍開展應(yīng)急演習(xí)和定期組織開展大型企地應(yīng)急演練。同時，進(jìn)一步完善了醫(yī)療救護(hù)措施，與地方市、縣、鄉(xiāng)三級醫(yī)療機構(gòu)簽訂了醫(yī)療互助協(xié)議，以援建地方醫(yī)院?？平ㄔO(shè)，配備了高壓氧艙等專業(yè)救護(hù)設(shè)備，并定期組織員工和周邊居民開展硫化氫防護(hù)和自救知識培訓(xùn)。

工程建設(shè)全過程未發(fā)生重(特)大安全生產(chǎn)事故，未發(fā)生參建人員和周邊群眾硫化氫中毒事件，并經(jīng)受住了汶川大地震等自然災(zāi)害的嚴(yán)峻考驗。川氣東送工程安全高效地建設(shè)投產(chǎn)，標(biāo)志著我國具備了大規(guī)模安全開發(fā)超深高酸氣藏的能力，為國內(nèi)同類酸性復(fù)雜氣藏開發(fā)起到了示范作用。

4 我國酸性氣田安全開發(fā)的發(fā)展及建議

中石化集團公司在普光氣田安全有效開發(fā)的基礎(chǔ)上，在四川盆地重點圍繞元壩礁灘、黑池梁、川東北中淺層、川東南區(qū)塊等四大重點積極開展勘探評價工作，力爭“十二五”實現(xiàn)新增探明儲量6000億m3。應(yīng)用普光超深高酸性氣田勘探開發(fā)工程技術(shù)，到“十二五”末期，在元壩地區(qū)新建天然氣產(chǎn)能60億m3/a。

基于我國經(jīng)濟社會發(fā)展對天然氣急劇上升的實際需求以及酸性氣田開發(fā)所面臨的特殊高風(fēng)險環(huán)境，提出了關(guān)于“加快研究制訂我國酸性氣田安全開發(fā)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”的建議。標(biāo)準(zhǔn)是確保安全的源頭。由于國內(nèi)目前尚無酸性氣田開發(fā)的行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)體系，制約了酸性氣田安全開發(fā)技術(shù)的推廣以及氣田規(guī)模開發(fā)的效能。中石化制訂的酸性氣田開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)體系，是在普光氣田開發(fā)實踐中總結(jié)創(chuàng)建出來的，也是該行業(yè)國內(nèi)首套企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。中石化希望與各兄弟單位及行業(yè)專家學(xué)者加強合作，加快制訂出我國酸性氣田安全開發(fā)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。