高含硫气田开采安全技术
高含硫气田开采安全技术
一、绪论
含硫气田是指产出的天然气中含有硫化氢以及硫醇、硫醚等有机物的气田。硫化氢含量在2%～70%为高含硫化氢气田[1]。世界上已发现了400多个具有商业价值的含硫化氢气田[1,2]。而目前我国含硫气田(含硫2%～4% )气产量占全国气产量的60%。四川、渤海湾、鄂尔多斯、塔里木和准噶尔等盆地相继发现了含硫化氢天然气[1,3-10]。硫化氢含有剧毒[10],对人员有一定的危害。随着天然气勘探力度的不断加大,油气钻井的难度不断增加,含硫天然气田的开采变得格外重要，现已成为我国天然气开发的一个重要方向。
因此，对于高含硫气田开采过程的安全分析和安全管理变得格外重要。文章通过对高含硫气田开采过程进行分析，从人机物法环角度，提出安全管理的要求，并对易发情况提出应对措施。
二、我国高含硫气田概况
1. 我国高含硫气田基本情况
天然气属于清洁能源，大力发展天然气工业是中国重大能源战略决策。中国高含硫天然气资源丰富，开发潜力巨大。截至2011年，中国累计探明高含硫天然气储量约123110m ∧?，其中90%都集中在四川盆地[11]。
从20世纪50年代至2000年，中国石油天然气集团公司己在四川盆地开发动用高含硫天然气831402.510m ∧?，2000年后随着川东北地区下三叠统飞仙关组气藏和龙岗二、三叠系礁滩气藏的探明，更是迎来了高含硫天然气开采高峰（表1）[12]。随着海相天然气资源勘探力度的加大，中国高含硫天然气探明储量将进入快速增长期，为进一步加快高含硫气田开采奠定了资源基础。除天然气外，硫磺也是高含硫气田所蕴藏的宝贵资源。因此，安全、经济、高效地开采天然气并将有毒硫化氢转化为硫磺，对优化能源结构和节能减排意义重大。
表1 四川盆地主要的高含硫气田统计表
2. 高含硫气藏划分标准
高含硫气藏开发的先导性试验从20世纪60年代开始进行（试验井是卧龙河气田的卧63井，其2H S 含量3419.490/g m ），对2H S 含量达到多少才称为高含硫气藏，概念比较模糊。1995年，中国石油天然气总公司发布了SY/T6168-1995“气藏分类”，对高含硫气藏定义做出明确规定（见表2）。
表2 含硫化氢气藏分类
参照SY/T6168-1995划分标准,目前投产的高含硫气井主要分布在西南油气田分公司所辖的重庆气矿（有38口井）、川东北气矿及罗家寨气田等，主要产层为长兴、飞仙关、嘉陵江。气井腐蚀流体含量较高，其中2H S 含量34.62～491.4903/g m ,CO2含量0.145～222.103/g m 。
三、高含硫气田开采的难点
中国高含硫气田普遍具有气藏埋藏深、地质条件复杂、压力高、含水、多位于人口稠密地的特点，资源开采而临腐蚀性强、成本高、毒性大、事故后果严重等难点。
1. 地质特征复杂
中国高含硫气藏多为深层、高温、高压气藏，气藏非均质性强，常伴有地层水。目前己经发现的高含硫气藏最大埋深为7 000 m ，最大原始地层压力超过80MPa ，气藏最高温度175℃，硫化氢最高含量超过3200/g m 。高含硫气藏储层类型复杂，常常包含裂缝一孔洞、裂缝一孔隙、孔隙型以及边、底水活跃型储层。
2. 含硫天然气田开采投资大、评价要求高
与大型高含硫气藏开采配套建设的天然气净化厂、集输管网投资大，建设工程量大，难于沿用常规气藏逐步完善产能建设的开发模式，因此在开发时对作业的安全和管材的性能都有更高的要求，在开发同等储量和产量时，高含硫气田需要更高的投资和管理费用。并且，一次性规模化建设投产的开采方案对气藏早期描述、产能快速评价等开采早期评价技术提出了更高要求。
3. 开采工程技术难度大
高含硫气藏含有硫化氢、二氧化碳和有机硫，其开采工程技术更为复杂。高含硫气藏的安全清洁高效开发对完井技术、井筒工艺及工具材质、压裂酸化液体系和增产改造工艺技术都提出了更高要求，同时，集输过程必须解决腐蚀监测与控制的难题，净化工艺必须满足大规模天然气处理和严格的污染物排放标准要求，安全环保方而必须实现气田水、硫化氢的零排放。
4. 高含硫气田硫化氢腐蚀严重[13]，环境与安全风险高
高含硫气藏多位于多山、多静风、人居稠密地区。根据四川已开发气田的统计分析表明,含硫气井的腐蚀问题是非常严重的，严重影响气田的正常生产和开发期限，并影响着气田的采收率。硫化氢的存在会腐蚀气田的生产设备、施工设备（如完井和注入管线的材料等）和运输系统。高含硫天然气腐蚀性强，所含硫化物毒性大，钻完井、地而集输、天然气净化等生产环节一旦出现问题将造成严重的环境与安全事故。测试期间施工人员可能会有头晕、恶心等症状，严重时甚至会导致死亡，如2003年的“1223”事故死亡了二百余人。
5. 高含硫气田硫沉积严重
硫化氢气体中的硫元素在开发时会析出形成硫沉积，堵塞地层，使产量降低，采收率降低。在国内外，不管是高含硫，还是低含硫气田，在含硫气田的开发过程中都会出现硫堵现象。因此硫沉积的研究对含硫气藏的开发至关重要，硫的沉积会减小地层孔隙度、降低地层渗透率（图1），影响气井产能。气井产能随元素硫沉积量的增大而降低，下降程度则由气相相对渗透率决定。当采气速度较大时，气体对硫磺的携带能力大，可将硫磺的固体小颗粒带出，从而减少了硫磺的沉积。因此在高含硫气田的开发过程中，为了防止硫沉积，要适当地采用高速开采的方式进行开发。
图1 地层固体沉积对渗透率伤害影响实验分析曲线
目前对硫沉积的研究还处于探索阶段，因此急需加强对硫沉积机理研究，尽快解决硫沉积问题。
6. 易形成水合物堵塞管线
高含硫天然气中含有大量硫化氢，它的天然气水合物形成的温度比较高，易形成天然气水合物，特别是在高硫化氢浓度、高压条件下。在天然气的生产和储运过程中，气体通过的设备在环境温度较低时易发生冰堵，造成气田生产油管及输送管线的堵塞，给气田的开发造成相当大的困难，影响气田正常生产。
四、高含硫气田安全开采
1. 投产前的准备
H S对设备、装置的腐蚀要明显大于普通含硫气井，在开
高含硫天然气井开采中，
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采和生产管理过程中存在的风险也大于普通含硫气井。开采和生产管理不善，将会直接对人员和环境、设备造成严重的损伤和破坏。高含硫天然气还可能析出单质硫，并降低天然气水合物生成温度，堵塞井口或管道，影响气井的正常开采。因此，制定合理的开采方案和科学的管理制度来保障高含硫气井的正常开采和生产十分重要。
（1）对上、下游管线及设备预评价，确保设备等本质安全。在部分高含硫气井的开采中，高含硫天然气需要进入原有的天然气矿场集输管网。因此，对原建装置、设备
及管线进行高含硫情况下的抗硫能力的预评价相当重要。
高含硫天然气进入原有的矿场集输系统，与一般含硫量的天然气混合后，天然气中的2H S 含量会降低，对设备、装置、管线的腐蚀也将会减弱。因此首先应该计算下游各节点处天然气中2H S 的含量，然后再对2H S 含量高的地方（设备、管线、阀门等）进行相应的抗硫能力评价，防止在以后的生产过程中出现由于装置、设备、管线等的本质不安全引起的2H S 破坏。
（2）加强地企合作与联动，使周边群众和政府高度重视
高含硫气井的井口、设备和其他生产装置发生故障，使天然气大量泄漏时，周围空气中H2S 浓度会很高，对周围环境和人身安全造成严重危害。为了降低这种风险，需要从以下几个方面开展工作。
①高含硫气井开采中的应急救援工作需要与地方政府加强沟通和协调，让地方政府积极参与到应急救援预案的编制、演练和实施工作中，确保预案的响应及时，针对性强，确保周遍群众的安全。
②对周遍群众的安全知识宣传和应急技能培训工作。对周边群众进行与2H S 人体急性中毒有关的安全知识宣传，可以降低事故危害作用程度，并使群众了解和支持紧急救援工作。
③高含硫气井投产过程中地方政府单位的保驾护航。空气中2H S 浓度很高时可使人在数分钟内死亡；天然气又具有可燃性，能与空气混合成可着火爆炸的气体混合物。为使事故发生后能得到及时的控制，除了在技术和装备上做考虑以外，需要地方公安、消防、医疗等相关部门配合，将医疗抢险队伍、消防设施配置到现场。
（3）对相关的装置、管线、设备进行敏感性试验。高含硫集气管线所有焊口应进行100%硬度检测、焊前预热和焊后热处理。为避免站场工艺设备和天然气输送管线等在2H S 的作用下发生开裂，高含硫气井投产前应对站场工艺设备和天然气输送管线进行72h 的敏感性试验。在试验过程中，定时检测和记录各相关点压力等数据，同时派专人佩带空气呼吸器在放空区、管线沿线进行巡逻，一旦发现异常情况，应立即采取相应措施。
2. 高含硫气田的安全措施
（1）在企业制度建设方面，要不断完善企业法规体系，增强其可操作性；加大对违规行为的处罚力度，若有人违反规定，从严处罚，减少事故发生；强化责任追究机制，加大对行为人的责任追究力度。对于违规的主要负责人，进行处罚，造成严重后果的，要移交国家机关依法追究责任。
（2）在开发高含硫气田时，必须重视“HSE”，加强监测，防止硫化氢中毒等安全问题。在含硫环境中操作时，需要首先解决的问题就是对
H S进行监测，确定在工作区
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域内是否有
H S存在，有多高浓度，使操作人员确定要采取什么样的防护措施。
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（3）加强对硫化氢腐蚀防治的研究。目前含硫气田均采用了耐腐蚀合金钢作为设备的基本材质，加注缓蚀剂、增加PH值、确定合理的采气速度、用电化学方法来防止硫化氢腐蚀。此外，还必须加强对高含硫化氢气井的监测。
（4）加强对硫沉积预测及防止技术的研究。目前国内外对于防止硫沉积主要采取的是控制采气速度，减少硫沉积。但是对于硫沉积机理及根据机理研究防治的技术还处于起步阶段，因此应该加强这方面的工作。
（5）深化研究防治水合物方法。目前国内外在处理和解决井下和井口附近高含硫气田水合物堵塞问题时主要有两种主要的处理方法：一种是将适量的溶剂（热油溶剂）连续泵入井内油管和环行空间，然后用井口双通节流加热器加热防止水合物生成。另外一种是下双油管，注热油循环防止水合物生成。对于集输管线内的水合物堵塞问题，在寒冷地区采用水套炉间接加热保温、热水管线跟踪伴热、连续向天然气中加注甲醇和乙二醇等防冻剂、脱水等方法来防止水合物形成。
H S废气的方法很多，
（6）加强对脱硫回收硫磺技术的研究。目前，国内外处理
2
依其弱酸性和强还原性进行脱硫可分为干法和湿法。但具体的方法应根据废气的来源、性质及实际情况而定。总的来说我国采用的脱硫技术主要靠引进国外的先进技术，自主研发较少，脱硫成本高。因此应该加强对高含硫气体脱硫技术的研究，形成具有自主知识产权、国际领先的脱硫技术，减少脱硫成本，增加硫资源利用率。
3. 高含硫气井生产管理要求
（1）设备、管道的定期检测。应用测厚和腐蚀检测系统，对设备、管线进行连续
H S对设和定期检测，特别是流速高、易积水、应力集中严重的部位应重点检测，掌握
2
备、管线的腐蚀状况。
（2）进入危险生产场所的现场防护与监护。装置生产或大修复产期间、进行安全
H S气体检测报警仪巡检巡检以及外来人员参观学习时，必须派专人佩带空气呼吸器和
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H S气体检测报警仪的同无泄漏方可进入现场；进行现场操作时，在佩带空气呼吸器和
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时，应一人操作，一人监护。
（3）危险、危急时的处理。现场应安装报警器，一旦发生天然气泄漏事故，应在保证作业人员自身安全的前提下，首先切断泄漏点上、下游阀门，并采用相应的应急措施。在站内无法切断气源的情况下，采用报警器进行报警，并告知其它站上人员和周边
居民撤离至安全地段。
（4）特殊操作管理。放空火炬应保证有长明火，尽量减少放空次数和放空气量；同时在放空时要严格按操作规程操作，以减少环境污染并避免中毒事件的发生。污水排放时要防止
H S从水中逸出进入大气，特别要防止排污中出现窜气现象。设置自动排污
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的高低限值时，应尽可能将低限值设置高一些，尽量减少天然气进入大气的可能性。
4. 高含硫气井开发的防腐措施
（1）选择合适的材料。保证设备、管道长期安全运转，合理选材是首要的一环。合理选材既要考虑工艺条件及生产过程中可能发生的变化，又要考虑材料的结构、性质及使用中可能发生的变化。从国外开发高含硫气田的经验可知，采用碳钢并实施缓蚀剂保护完全能满足高含硫气田开发的需要，如加拿大，开发高含硫气田一直采用碳钢加缓蚀剂。
（2）加注适宜的缓蚀剂。添加合理的缓蚀剂是防止高酸性油气对碳钢和低合金钢设施腐蚀的一种有效方法。它能有效地减缓金属表面腐蚀反应，从而降低可供钢材吸收的氢原子，控制氢诱发裂纹（HIC）腐蚀的速度。
（3）涂抹防腐蚀涂层。在油气田防腐蚀工作中，应根据实际情况灵活控制涂层系统结构，考虑的因素包括腐蚀状况、防腐要求、施工程序等，不同的涂层防腐蚀效果大不相同，应认真加以分析处理，以获得最佳的防腐效果。同时，站场管道可考虑采用复合管材。
5. 高含硫气井开发的防堵措施
（1）水合物堵塞防治措施。高含硫气井水合物形成与天然气的组分、组成、游离水含量、温度和压力有关。对于水合物堵塞，主要采用除水法、加热法、降压控制法和添加化学抑制剂法防治措施。
（2）单质硫防堵措施。由于含硫量不同，部分高含硫气井出现不同程度的硫堵，对于单质硫的处理，目前还没有成熟的办法。目前主要采用物理法处理，即利用停产机会，将发生硫堵严重的分离头等撤下来清洗。
（3）解除硫沉积堵塞工艺技术。单质硫防治措施主要有以下几种方法：①通过优化配产和生产制度来防止硫沉积；②除垢防止硫沉积；③加热熔化；④加注硫溶剂。
6. 日常生产、维护管理
在日常的生产管理和维护中，需要针对高含硫的特点对生产和人身安全做相关规定，以保障生产和人身安全。
（1）因异常情况出现不可控制的泄漏，值班人员应采取果断措施关闭井口或其他阀门，及时切断气源。
（2）加强巡检工作，认真坚持每4h 进行一次现场巡回检查，巡检时一人检查，一人监护。发现问题立即采取相应的措施并做好记录。同时应严格执行每半小时一次的LCD 面板巡回检查制度。
（3）应在排污前检查污水罐附近是否有人畜活动，排污时尽量将自动排污低限设置高一些，避免含硫天然气进入污水罐。
（4）每月定期定时组织井站员工进行防中毒等有针对性的安全事故应急预案的演练。
（5）每天由当班人员检查空气呼吸器的供气压力是否足够，每周一次检查空气呼吸器的管路是否完好和符合安全要求。
（6）外来施工人员进入井站施工，必须自行配备带有独立清洁空气源的呼吸器（不能挪用井站现有的空气呼吸器），如氧气呼吸器、空气呼吸器等，做好相应的应急措施预案，并严格按审批后的施工方案进行施工。
（7）当环境空气中2H S 浓度达到3100/mg m 而报警时，井站作业人员应立即查明泄漏点，准备防护用具。当浓度达到350/mg m 报警时，所有人员须首先通过风向标观察风向，疏散下风向人员，抢救人员进入戒备状态，同时查明泄漏原因，采取措施，控制泄漏，向上级报告情况。2H S 浓度持续上升无法控制时，立即实施应急预案。
（8）高含硫气井应定期作气质分析化验，及时了解2H S 的变化情况。
五、总结
安全生产是社会发展永恒的主题，是一切工作的真谛。安全是企业发展的前提和根本，与企业的生存发展息息相关，企业要想寻求更大发展，获得更广阔的市场，就必须切实抓好安全生产工作，全面落实安全生产责任制，遏制生产安全事故的发生，才能创造出更好的经济效益。
高含硫气田开采安全技术涉及到高含硫气田开采的方方面面。高含硫天然气开采风险除了本身所具有的高隐蔽和高风险外，还突出表现在高浓度2H S 带来的强腐蚀和剧毒两个方面。复杂地质条件加上高含硫，使天然气开采作业难度和风险整体上进一步加大。
安全高效的开发高含硫气田，不单是一个技术问题，还必须从管理、技术和人才等各方面全面规划，严格前期论证与井位审批，从源头抓起，综合治理。
（1）牢固树立“安全第一、环境优先、以人为本”理念，真正落实本质安全
高含硫气田因所含2H S 的强腐蚀和剧毒性，使本身十分隐蔽和易燃易爆的天然气勘探开发的安全风险极大增加，任何一个环节稍有不慎，都可能给人的生命安全和环境造成严重损害。因此，必须牢固树立“安全第一、环境优先、以人为本”的理念。
（2）制定和完善高含硫气田生产行业和企业标准，严格规范生产行为
针对目前现状，建议尽快制、修定如下标准：①参考国外情况，修定我国高含硫气藏标准；②制定高含硫安全评价方法、风险分级和安全距离标准；③修定高含硫气井固井评价方法与分级标准；④制定高含硫气田套管管材选择、强度与密封设计标准；⑤修定高含硫钻柱设计、使用与维护标准；⑥制定高含硫气井井筒完整性设计与评价标准；⑦制定高含硫气田地方政府安全监管与援助标准等。严格规范气田作业行为。
（3）深入开展高含2H S 腐蚀与防护技术、水合物防堵等技术，为高含硫气井制定防护措施
对2H S 的腐蚀与防护技术、水合物防堵是高含硫气田核心的问题之一，直接关系着气田能否安全生产。进一步深入研究2H S 腐蚀机理、2H S 含量与腐蚀速率之间的关系以及水合物防堵塞技术，就能为针对不同类型高含硫气井选择针对性的设备，制定有效防护措施。
（4）建立和完善高含硫气井的HSE 工作体系
建立和完善高含硫HSE 工作体系，不断改善2H S 等全套HSE 监测与检测手段，努力提高HSE 管理水平。
（5）高度重视和加强员工队伍和专家队伍建设，努力提高队伍的整体素质
员工队伍和专家队伍建设是安全高效开发高含硫气田的基础。没有专业的员工和专家队伍，不可能高效安全的开发高含硫气田。
（6）制定和完善气田开发各环节和各层次的应急预案
进一步制定和完善气田开发各环节和各层次应急预案，完善应急体系，充分依靠和发挥地方政府在监管和应急决策与执行中的坚强后盾作用。
（7）认真总结已有高含硫气田开采经验，借鉴国外技术，研究新情况，解决新问题
通过几十年的努力，我国不仅建成了第一个天然气工业基地，而且成功开发了数十个含硫气田，其中包含高含硫气田。要充分总结已开发气田的经验教训，将其应用到新开发气田中，并加以创新；充分重视和认真学习国外高含硫气田开发和钻、完井先进技术与管理经验，研究新情况，解决新问题，就一定能安全高效开发好高含硫气田。
参考文献
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