海上含硫氣井地面測試流程安全控制技術(shù)

陳光峰，盧中原，張興華，周寶鎖，楊歧年，周新宇

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452

3.渤海鉆探公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065000

1 含硫氣井測試的風(fēng)險(xiǎn)

硫化氫是一種劇毒、易燃、易爆的無色氣體，相對分子質(zhì)量34.08，對空氣的相對密度1.189，易溶于水[1-2]；硫化氫還是一種神經(jīng)毒劑，亦為窒息性和刺激性氣體，具有臭雞蛋味，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50 ppm（1 ppm=10-6），可弱化人的嗅覺神經(jīng)功能而致死[3-4]。在海上含硫氣井測試中，對于地面測試流程而言，主要存在以下三個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 含硫氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)

海上平臺(tái)作業(yè)空間較小，物料較為集中，而且地面測試設(shè)備擺放緊湊，逃生通道受限。在測試放噴期間，地層含硫流體經(jīng)三相分離器分離后，其中氣體走燃燒臂燃燒處理，液體計(jì)量后進(jìn)地面儲(chǔ)油罐存儲(chǔ)。含硫氣體泄漏主要可能出現(xiàn)在以下幾種情況：第一，測試取樣期間放壓拷克未關(guān)嚴(yán)；第二，地面流程發(fā)生泄漏；第三，含硫氣體燃燒未完全；第四，在將含油污水泵送至環(huán)保罐的過程中出現(xiàn)硫化氫泄漏。出現(xiàn)以上情況后，在通風(fēng)不暢的情況下會(huì)造成硫化氫等有毒、有害氣體聚集，進(jìn)而危及海上平臺(tái)作業(yè)人員安全。

1.2 硫化氫對地面流程的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)

韋雅珍等通過研究提出硫化氫對金屬材料的腐蝕破壞有三種類型：其一，電化學(xué)失重腐蝕，這種腐蝕較緩慢，它逐漸導(dǎo)致設(shè)備壁厚減?。黄涠?，氫脆，電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的氫滲入鋼材內(nèi)部，使材料韌性變差，甚至引起微裂紋，使鋼材變脆；其三，硫化物應(yīng)力腐蝕，它是在拉應(yīng)力和殘余張應(yīng)力的作用下，由硫化物介質(zhì)引起鋼材氫脆，并導(dǎo)致氫脆微裂紋發(fā)展直至材料的破裂過程[3]。鑒于海上測試時(shí)間較短，對于硫化氫腐蝕主要考慮氫脆破壞以及應(yīng)力腐蝕開裂，這兩種腐蝕方式容易造成設(shè)備減薄、穿孔、甚至爆裂。同時(shí)在地面設(shè)備和管道中，由于由橡膠、浸油石墨和石棉等非金屬材料制作的密封元件易在硫化氫環(huán)境中發(fā)生鼓泡脹大和失去彈性等情況，因而需要進(jìn)行地面緊急關(guān)井，以更換流程管道中的密封元件。

1.3 水合物堵塞風(fēng)險(xiǎn)

黃船等在現(xiàn)場實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，氣井在測試作業(yè)時(shí)，地層流體在流速變化較大的地方、氣體溫度較低時(shí)易生成水合物，從而導(dǎo)致地面流程的堵塞，影響氣井的正常測試[5-6]。姚慧智等經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明：硫化氫濃度越高，水合物生成的溫度越高[7]。水合物形成的主要原因是流體在流動(dòng)過程中由于壓力的降低導(dǎo)致溫度的降低，即所謂的節(jié)流效應(yīng)。在含硫氣井的測試過程中，極易生成天然氣水合物，一旦在油嘴管匯及下游管匯中形成水合物堵塞，將導(dǎo)致堵塞段以上的流程壓力迅速升高，這一過程具有突發(fā)性，若不及時(shí)處理，就會(huì)導(dǎo)致低壓力級別的測試設(shè)備（如加熱爐和分離器等）泄漏甚至超壓爆炸，造成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故。

2 硫化氫數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

含硫氣體是渤海油田高壓深井碳酸鹽巖地層中常見的流體，不僅嚴(yán)重威脅著人們的生命安全，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，還給金屬設(shè)備帶來嚴(yán)重的腐蝕破壞。傳統(tǒng)的便攜式檢測儀以及監(jiān)測探頭已不能滿足現(xiàn)場安全環(huán)保的需要，為了實(shí)現(xiàn)對地面測試流程的安全控制，必須采取實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)監(jiān)測手段，這樣才能夠識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，從而在風(fēng)險(xiǎn)剛出現(xiàn)時(shí)立即采取安全控制措施。

2.1 地面流程中硫化氫在線監(jiān)測

硫化氫在線監(jiān)測的工作原理是把需監(jiān)測硫化氫的工藝流體壓力降低到10 psi（1 psi=6.896 kPa），然后用一個(gè)精密的流量計(jì)調(diào)節(jié)樣品流量，使樣品流過專用的醋酸鉛測試帶，通過光電二極管檢測器和LED 光源發(fā)光系統(tǒng)產(chǎn)生輸出信號，再經(jīng)數(shù)字化和分析后，以4～20 mA 的電流線性輸出。LCD 顯示器可顯示當(dāng)前讀數(shù)、報(bào)警狀態(tài)、程序提示（就是標(biāo)定程序）以及故障指示。在地面流程中引入硫化氫在線監(jiān)測技術(shù)，通過專用取樣管路將測試流程中的含硫氣體引入硫化氫在線監(jiān)測裝置，進(jìn)而實(shí)時(shí)測量天然氣中的硫化氫含量，測量范圍在1ppm～100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。硫化氫在線監(jiān)測取樣點(diǎn)位置應(yīng)盡可能接近監(jiān)測裝置，以減少時(shí)間延遲和樣氣在取樣管中由衰減因素造成的監(jiān)測誤差。由于流體介質(zhì)經(jīng)分離器分離后較為單一，且經(jīng)過安裝在分離器氣出口丹尼爾流量計(jì)處的穩(wěn)流器后，氣體的流態(tài)和流速較為穩(wěn)定，在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中，通常選取分離器氣出口作為取樣點(diǎn)。經(jīng)過監(jiān)測的樣氣通過排放管道排放至平臺(tái)舷外，進(jìn)入燃燒系統(tǒng)進(jìn)行燃燒處理。

2.2 井場環(huán)境中的硫化氫含量監(jiān)測

為了更好地監(jiān)測井場環(huán)境中硫化氫的含量，通過在測試作業(yè)現(xiàn)場設(shè)置硫化氫監(jiān)測儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置，共同組成環(huán)境中硫化氫含量的監(jiān)測系統(tǒng)。在井口、分離器和和密閉罐等有作業(yè)人員操作的區(qū)域，安裝硫化氫等有毒有害氣體監(jiān)測儀[8-9]，通過監(jiān)測儀檢測環(huán)境中的硫化氫濃度。當(dāng)檢測到的硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10 ppm，硫化氫監(jiān)測儀會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警進(jìn)行警示，并將報(bào)警電信號同步傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3 流程多節(jié)點(diǎn)安全監(jiān)測

為應(yīng)對水合物堵塞等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、含砂量在線監(jiān)測系統(tǒng)和振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控地面流程關(guān)鍵點(diǎn)的壓力和溫度、地層出砂和流程振動(dòng)情況，并實(shí)時(shí)繪制動(dòng)態(tài)曲線，供操作人員掌握在測試放噴過程中地面流程管道相應(yīng)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。若遇到流程超溫、超壓、水合物堵塞、出砂沖蝕、強(qiáng)烈振動(dòng)、泄漏等問題，通過多節(jié)點(diǎn)的安全監(jiān)測，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取應(yīng)急措施來確保測試作業(yè)滿足環(huán)保和生產(chǎn)安全要求。

3 安全控制系統(tǒng)

3.1 優(yōu)選地面設(shè)備管道及密封元件材質(zhì)

鑒于硫化氫腐蝕性強(qiáng)的特性，張明江等指出，在選擇測試地面設(shè)備和管道時(shí)應(yīng)充分考慮其材質(zhì)能否防止硫化氫腐蝕[10]。對于地面測試設(shè)備中的井口控制頭、地面油嘴管匯和地面安全閥等主要控制設(shè)備，通常采用EE 級或以上級別的材質(zhì)；對于地面測試流程管道的連接，宜采用法蘭連接以提高其耐溫能力，同時(shí)采取金屬密封元件取代測試時(shí)常規(guī)使用的橡膠件密封，避免了因硫化氫腐蝕使橡膠失去彈性而導(dǎo)致密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在測試準(zhǔn)備期間，對地面關(guān)井壓力進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)所預(yù)測的地面關(guān)井壓力，選擇設(shè)備額定工作壓力不低于預(yù)測的最高地層孔隙壓力的1.2 倍，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)安全控制的目的。渤海油田目前含硫氣井測試用的高壓端設(shè)備基本都按照15K（15 000 psi）的高壓級別進(jìn)行選用，流程管道采用防腐硬管，并在流程上的直角部分采用加厚彎頭代替常規(guī)彎頭，從而提高了安全性。

3.2 多級節(jié)流控制

在海上含硫氣井測試過程中，多級節(jié)流控制技術(shù)的應(yīng)用效果極佳，對地面流程的控制實(shí)現(xiàn)了雙層保障。含硫氣井測試時(shí)，通常井口流動(dòng)壓力較高，測試期間采用15K 高壓等級的遠(yuǎn)程控制動(dòng)力油嘴和油嘴管匯的組合進(jìn)行多級節(jié)流[11-12]，在實(shí)現(xiàn)地層流體平穩(wěn)地從高壓降至低壓的同時(shí)，可降低現(xiàn)場作業(yè)人員頻繁出入高壓危險(xiǎn)區(qū)、高硫化氫區(qū)調(diào)整或更換油嘴的頻率，同時(shí)減少因手工更換油嘴而產(chǎn)生的硫化氫等有毒、有害氣體的排放，降低了硫化氫聚集的可能。

3.3 水合物控制

王世澤等通過對氣井水合物生成機(jī)理的研究指出，水合物的生成條件屬于熱力學(xué)相態(tài)的研究范疇，其形成主要與壓力、溫度和天然氣的組分有關(guān)[13]。對于同一天然氣組分，壓力越高形成水合物的溫度越高，而且在常壓下每一種氣體均有形成水合物的臨界溫度值，其具體參數(shù)見表1。對于海上平臺(tái)測試而言，天然氣到達(dá)地面后，經(jīng)過多級節(jié)流操作（如油嘴管匯、放壓拷克、應(yīng)急關(guān)斷等），壓力下降，進(jìn)而引起溫度下降，當(dāng)溫度低于天然氣形成水合物的臨界溫度，則會(huì)在測試管道中形成水合物。

表1 各種氣體形成水合物的臨界溫度

為了有效地抑制水合物的生成，主要通過注入化學(xué)藥劑來抑制和采用升溫法來提高地層流體溫度。在海上油氣測試過程中，采用升溫法對地層流體進(jìn)行加熱，其操作簡單方便且成本低。對于升溫法的實(shí)施，一是采用海上平臺(tái)現(xiàn)有的海水資源對易結(jié)冰的管道及彎頭處進(jìn)行沖洗升溫，二是采用蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽對流程各個(gè)可能生成水合物的關(guān)鍵部位進(jìn)行加熱，并利用熱交換器對從節(jié)流管匯流出的天然氣進(jìn)一步加熱，提高天然氣流體溫度，再配合同心加熱管加熱節(jié)流前的地層流體，使天然氣節(jié)流降壓膨脹后的溫度高于生成水合物的臨界溫度，從而達(dá)到抑制水合物生成的目的。當(dāng)單獨(dú)采用升溫法無法抑制水合物生成時(shí)，還需通過化學(xué)藥劑注入泵向天然氣中注入化學(xué)藥劑來協(xié)助抑制水合物的生成。測試期間根據(jù)需要，通常在地面測試樹流動(dòng)翼閥和油嘴管匯上游數(shù)據(jù)頭處設(shè)置化學(xué)藥劑注入接口，通過注入化學(xué)藥劑降低水合物的穩(wěn)定溫度，分解產(chǎn)生的水合物。

3.4 應(yīng)急關(guān)斷控制

當(dāng)流程出現(xiàn)泄漏、超壓等其他意外情況時(shí)，快速關(guān)斷井口從而切斷地層流體來源是防止事態(tài)進(jìn)一步惡化的有效措施[14]。海上含硫氣井測試需要在測試地面流程中配置應(yīng)急關(guān)斷控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對緊急事件的快速響應(yīng)。該系統(tǒng)主要包括：井口控制頭生產(chǎn)液動(dòng)閥、地面安全閥、液壓控制面板、ESD遠(yuǎn)程手動(dòng)控制按鈕和高/ 低壓傳感器。通常ESD遠(yuǎn)程手動(dòng)控制按鈕設(shè)置在測試設(shè)備操作區(qū)、測試區(qū)域出口、鉆臺(tái)司鉆房等易操作位置，一旦出現(xiàn)緊急情況，方便操作者進(jìn)行應(yīng)急操作，其平均關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間小于4 s。高/低壓傳感器則安裝在流程管道和壓力容器上，安裝前預(yù)設(shè)高壓/低壓，一旦流程中壓力高于或低于傳感器所設(shè)置的壓力時(shí)，傳感器即可傳遞壓力信號至液壓控制面板，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)關(guān)井，其安裝位置見圖1。另外液壓控制面板和ESD遠(yuǎn)程手動(dòng)控制按鈕均可實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，選擇開啟或者關(guān)閉[15]。

3.5 施工環(huán)境安全控制

由于作業(yè)空間受限，因此在海上含硫氣井測試期間保障作業(yè)區(qū)域的環(huán)境安全至關(guān)重要。根據(jù)求產(chǎn)和測試取樣的需要，現(xiàn)場要經(jīng)常進(jìn)行油嘴和孔板的更換、取樣針閥的開關(guān)等操作，在操作過程中，必然會(huì)出現(xiàn)硫化氫等有毒、有害氣體的泄漏，在通風(fēng)不暢的環(huán)境中，硫化氫很容易發(fā)生聚集進(jìn)而引發(fā)人員中毒事件。為了保障操作人員安全，在油嘴管匯井口區(qū)、分離器取樣口、地面存儲(chǔ)密閉罐和環(huán)保罐輸油等易于聚集硫化氫的區(qū)域設(shè)置氣動(dòng)防爆風(fēng)扇，保持作業(yè)空間處于良好通風(fēng)狀態(tài)，可以有效防止硫化氫氣體的聚集。

圖1 應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)布置

3.6 氣液分離后的硫化氫實(shí)時(shí)處理

測試期間，地層流體經(jīng)三相分離器分離后，含硫天然氣進(jìn)入燃燒臂燃燒處理，液體則進(jìn)入密閉罐存儲(chǔ)。但液體中往往會(huì)含有一定的硫化氫溶解氣，它也會(huì)進(jìn)入地面存儲(chǔ)設(shè)施，溶解有硫化氫的液體會(huì)對存儲(chǔ)設(shè)施造成腐蝕，而且在泵送液體至環(huán)保罐的過程中會(huì)伴隨有硫化氫氣體逸出，對操作人員的人身安全造成威脅。為解決這一安全隱患，含硫氣井測試時(shí)需要在地面測試流程中配套設(shè)置硫化氫實(shí)時(shí)處理裝置，利用該裝置在地面測試流程中連續(xù)添加硫化氫捕捉劑，使其與氣液分離后液體中溶解的硫化氫進(jìn)行反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)地層產(chǎn)液中溶解硫化氫的實(shí)時(shí)處理[16-20]，處理流程見圖2。

硫化氫實(shí)時(shí)處理裝置由化學(xué)注入泵、高壓泵入管道和除硫混合器三部分組成。其中除硫混合器（見圖3）連接在分離器油路出口處，通過化學(xué)注入泵向除硫混合器內(nèi)泵入硫化氫捕捉劑，使之與地層產(chǎn)出液混合反應(yīng)。硫化氫捕捉劑注入方向與分離器油路內(nèi)液體流動(dòng)方向垂直，以利于捕捉劑與硫化氫反應(yīng)[19]。

圖2 硫化氫實(shí)時(shí)處理示意

4 應(yīng)用實(shí)例

海上含硫氣井測試地面流程安全控制技術(shù)在渤海油田潛山深層含硫氣井測試中的應(yīng)用效果顯著。BZ22-X-X 井為潛山構(gòu)造上的一口預(yù)探井，該井鉆進(jìn)至古生界潛山4 611.00 m 完鉆，在前期鉆井期間發(fā)現(xiàn)地層流體中含有硫化氫。測試作業(yè)期間采用地面流程安全控制技術(shù)進(jìn)行控制，通過硫化氫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)測得硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為172 ppm，結(jié)合安全控制系統(tǒng)，通過對硫化氫進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將液體中的硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至10 ppm 以下，有效地降低了硫化氫等有毒、有害氣體給現(xiàn)場作業(yè)留下的安全隱患，成功地獲得了40 萬m3/d 的天然氣產(chǎn)能，同時(shí)取全、取準(zhǔn)了資料，突破了渤海深層含硫化氫氣井的勘探技術(shù)瓶頸。

圖3 除硫混合器

5 結(jié)論和建議

（1）渤海潛山構(gòu)造含硫氣井地質(zhì)條件復(fù)雜，成藏條件多樣，生烴常伴隨有高溫、高壓及含硫化氫等有毒、有害氣體，是深層潛山構(gòu)造含硫氣井測試的主要難題。該難題的攻克，為海上含硫氣井測試節(jié)約了大量作業(yè)成本和安全環(huán)保成本。

（2）針對地層流體含硫化氫等有毒、有害氣體的特點(diǎn)，結(jié)合受限的海上平臺(tái)空間，優(yōu)化設(shè)計(jì)了全套安全控制系統(tǒng)，并與硫化氫數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)了地面測試流程的安全控制，降低了硫化氫等有毒、有害氣體對現(xiàn)場作業(yè)人員造成傷害及腐蝕設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，保障了測試作業(yè)的安全。

（3）雖然目前地面測試流程的安全控制技術(shù)已較為成熟，但是海上含硫氣井測試作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)依然很高，一旦發(fā)生硫化氫泄漏事故，對財(cái)產(chǎn)和現(xiàn)場作業(yè)人員的安全都將造成極大的威脅。因此，在海上平臺(tái)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用硫化氫數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)建立相應(yīng)的作業(yè)程序、保障措施及應(yīng)急預(yù)案，這樣才能進(jìn)一步提高海上含硫氣井測試的安全系數(shù)。