國產SGI-10型高含硫天然氣焚燒爐在普光D401-1井試氣中的應用

姜春河 張慶生 張文昌 葉瑛 耿安然

中國石化中原油田分公司采油工程技術研究院

國產SGI-10型高含硫天然氣焚燒爐在普光D401-1井試氣中的應用

姜春河 張慶生 張文昌 葉瑛 耿安然

中國石化中原油田分公司采油工程技術研究院

目前,國外的焚燒爐已很好地解決了高含硫氣井試氣燃燒效率低、H2S燃燒不充分、有害氣體排放超標、試氣時間短而難以準確評價氣井產能等問題,但設備價格昂貴、供貨周期長、維修保養困難。鑒于此,介紹了國內最新研制的SGI-10型焚燒爐的工作原理及主要技術指標,指出該焚燒爐因噴嘴的特殊結構設計和導風器成功研制,使得高含硫天然氣與空氣產生正反氣旋并能充分混合,保證了高含硫天然氣的完全燃燒及SO2排放達標。同時,根據高含硫氣井的試氣要求對普光D401-1井進行了試氣,設計處理量為10×104m3/d,累積試氣燃燒時間8 h,設備運行平穩。經環境監測,各項監測指標達到環保要求,其中部分指標還優于國外同類產品。實踐證明,該焚燒爐性能可靠,能滿足高含硫氣井長時間安全環保試氣的要求。

國產 焚燒爐 高含硫化氫 天然氣 試氣 導風器 普光氣田

目前高含硫氣井試氣主要采用放噴點火方式,燃燒效率低、H2S燃燒不完全、燃燒形成的SO2擴散效果差,易造成局部地區環境污染,導致測試時間短、探測半徑小,測取的資料只能反映井筒附近儲層特征,氣井產能評價的準確度較低。針對這一問題,普光氣田借鑒國外高含硫氣田測試經驗,引進國外的焚燒爐進行試氣[1-2]。但該設備價格昂貴、供貨周期長、維修保養困難,鑒于此,中原油田分公司與北京航天動力研究所合作,研制出首臺國產高含硫天然氣焚燒爐,并完善了相應的測試工藝流程,對高含H2S氣井進行系統測試,有效獲取了各項試氣資料。

1 SGI-10型焚燒爐工作原理及主要技術指標

1.1 焚燒爐組成

SGI-10型焚燒爐主要由焚燒爐爐體和控制系統兩大部分組成。

1.1.1 焚燒爐爐體

該焚燒爐爐體由兩部分組成:上部是爐膛,下部是底座及進氣部分,兩者用法蘭連接,焚燒爐外設有鋼結構框架。焚燒爐殼體整體材質選用耐硫酸鋼,爐膛內用耐火材料做襯里,滿足了爐膛內壁承受高溫氣流的沖刷、酸氣腐蝕及外部高頻率運輸吊裝等惡劣工況條件。

1.1.2 焚燒爐控制系統

焚燒爐控制系統由點火系統、流量調節系統、火焰監測報警系統、超量預警系統、超壓保護系統、溫度監測系統、可燃氣體檢測系統、H2S監測系統、PLC監控系統組成。工作時實現整臺焚燒爐信號的采集、點火邏輯控制、安保聯鎖等功能。當3套點火系統點火失敗、H2S或SO2超標、可燃氣體濃度達到爆炸極限或者超量、超壓、超溫等緊急情況發生時,該系統將發出報警信號實現緊急情況的預警及聯鎖,以保證焚燒爐及其他設備運行的安全。

1.2 工作原理

以燃料氣(LPG)為點火源,將原料氣引入燃燒器,利用特殊設計的噴嘴和配風結構,使爐內空氣和燃料氣以逆向旋流的方式充分混合,在較小空間、較高容積熱負荷的狀況下實現完全燃燒,使高毒性 H2S變為SO2(見圖1);焚燒爐出來的高溫高速煙氣噴入高空,使煙氣在大氣湍流混合作用下,由旋渦不斷把煙氣推向周圍空氣中,同時又將周圍的空氣卷入煙氣,使煙氣在更廣闊的區域中擴散、稀釋、混合,從而降低SO2在近地面空氣中的濃度,減少高含硫氣井測試過程對環境的污染和人員的危害。

圖1 焚燒爐工作示意圖

1.3 主要技術指標

規格尺寸:焚燒爐制造尺寸`2.6 m×18.0 m(直徑×長,長度為上、下爐體各9 m),底座尺寸2.8 m× 3.0 m×0.25 m(長×寬×高),重量約25 t(下爐體15 t+上爐體10 t)。

性能指標:單臺焚燒爐最大處理能力為10×104m3/d,入口原料氣操作壓力為0.04～0.55 M Pa,入口管匯設計工作壓力為5 M Pa,進爐的高含硫天然氣帶液體量不得超過5%(質量分數),原料氣溫度介于-5～120℃,焚燒爐外殼溫度小于等于120℃,熱輻射強度在25 m直徑范圍外小于等于1.5 kW/m2,燃燒效率為99.99%。

2 現場應用及環境監測

2.1 D401-1井基本情況

D401-1井位于四川省宣漢縣普光鎮銅坎村六組,構造位于四川盆地川東斷褶帶大灣—雷音鋪背斜帶大灣構造中部。目的層位:下三疊統飛仙關組三段—一段、上二疊統長興組。2011年1月25日酸壓施工后取樣分析,硫化氫質量濃度為39.243 g/m3,體積分數為2.74%。

2.2 焚燒爐現場應用

SGI-10型焚燒爐于 2011年 3月 12日在普光D401-1井進行試氣,試氣時采取4個工作制度,分別以4×104m3/d、6×104m3/d、8×104m3/d、10×104m3/d氣量試氣,每個工作制度試氣時間為1 h,穩定試氣8 h。焚燒爐試氣地面流程見圖2。

2.3 性能監測情況

在試驗過程中,根據要求對反映焚燒爐性能的各項參數進行監測,結果見表1。通過調節焚燒爐的進氣量監測各項指標的變化,對焚燒爐性能進行全面驗證和評估,小氣量時30 min監測一次,大氣量時20 min監測一次。

通過性能監測數據分析得出以下結論:

1)焚燒爐試驗日焚燒氣量最高達到10.5×104m3/d,超過其設計能力(10×104m3/d),并平穩運行30 m in。該焚燒爐在超負荷情況下仍能正常運轉,表明該焚燒爐性能可靠。

2)在進氣量不同的狀況下,燃料氣工作壓力一直穩定在0.05～0.1 M Pa范圍內,符合設計要求,表明點火系統穩定。

3)在不同進氣量情況下,點火頭周圍爐壁的溫度隨著進氣量增加而升高,其最高溫度為46.5℃(在允許范圍內),說明焚燒爐內部耐火模塊隔熱效果較好。

圖2 焚燒爐試氣地面流程圖

4)在不同進氣量情況下,焚燒爐在25～35 m直徑范圍內熱輻射強度均小于1 kW/m2,且隨著進氣量的增加,熱輻射強度呈下降趨勢,完全滿足設計要求,說明熱污染小。

表1 SGI-10型焚燒爐主要性能指標及監測數據表

5)爐膛和爐頂溫度隨著燃燒時間和進氣量的增加緩慢上升,當氣量達到10.5×104m3/d時,其溫度低于設計極限(1 300℃),說明焚燒爐溫控設計合理,近距離散熱較快。

2.4 環境監測情況

氣象資料分析表明,本地區冬季出現東北風和北風較多。根據D401-1井平臺周邊地形特點,西南面較為空曠,進入平臺地面風向有可能從北面沿河道進入,即煙氣將被吹向井場南和西南面方向,因此在西南方向和南面重點布置監測點。

本次監測以D401-1井平臺周圍1.0 km范圍內布點監測,其中以西南、正南方向和近距離住戶為布設重點。在焚燒爐下風向100 m處加密2個點位,500 m處加密3個點位,共布設大氣環境自動監測點6個,主要監測SO2和H2S濃度,監測點布置見圖3。

圖3 D401-1井焚燒爐試驗環境監測布點圖

本次試氣前6個自動監測點監測的SO2和 H2S背景濃度值均為0,試氣時監測間隔20 s,監測歷時8 h。試氣過程中6個監測點H2S濃度全為0 mg/m3; SO2濃度在部分點偶爾出現0.1 m g/m3,但持續時間較短,一般持續幾十秒,其主要原因為山形地貌影響,風速、風向不定導致SO2擴散方向單一,擴散較慢。

通過環境監測分析得出以下結果:此次試氣燃燒效率高、擴散效果好、無污染,SO2在近地面空氣中達到國家空氣質量二類標準要求(SO2濃度小于0.5 mg/m3)。

3 結論與建議

1)本次試氣首次運用國產化焚燒爐,試氣過程中,點火一次成功,最大燃燒量為10.5×104m3/d,焚燒爐累積燃燒時間為8 h,最高燃燒溫度為1 191℃,燃燒效率高達99.99%,SO2在近地面空氣中的濃度小于0.1 mg/m3,保證了試氣時井場附近的空氣質量達到國家二類標準的要求。

2)從國外引進的焚燒爐在高氣量時爐口易見明火、爐體震動大、爐壁溫度較高,而該焚燒爐在這些方面優于引進的焚燒爐,且最大焚燒量、熱輻射強度等部分指標也優于國外同類產品。

3)通過在普光D401-1井的應用,充分說明該焚燒爐性能可靠,完全滿足高含硫氣井長時間安全環保試氣的要求,標志著我國在高含硫氣體焚燒處理技術方面取得重大突破,為高含硫氣井長時間安全環保試氣作業提供了關鍵技術裝備。

[1]聶仕榮,張文昌.焚燒爐在普光氣田高含硫氣井試氣中的應用[J].天然氣工業,2009,29(6):113-116.

[2]李明志,聶仕榮,張文昌,等.普光氣田 P302-2井焚燒爐試氣技術[J].中國工程科學,2010(10):61-64.

Application of the China-made SGI-10 incinerator to the gas production test of the well D401-1 in the Puguang Gas Field

Jiang Chunhe,Zhang Qingsheng,Zhang Wenchang,Ye Ying,Gen Anran
(Research Institute of Oil Production Engineering &Technologies,Sinopec Zhongyuan Oilfield Com pany, Puyang,Henan 457001,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 7,pp.87-89,7/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The current fo reign incinerators are good enough to solve many p roblem s in high sour gas well tests such as low combustion efficiency,incomp lete combustion of H2S,emission of harmful gases beyond standards,and difficulty in the evaluation of gas well deliverability w ithin a short test time,but they are very high in p rice,need a long supply cycle,and havemuch trouble inmaintenance and repair.In view of this,this paper introduces the wo rking p rincip les and main technical parameters of the new ly developed SGI-10 incinerator made in China.With a special structural design of nozzle and w ind guide vanes(turbo)successfully developed,this type of incineratormakes the high sour gases fully mixed w ith air through cyclone and anticyclone,ensuring the complete combustion of high sour gases and reaching the standard of SO2emission.Meanw hile,this incinerato r was app lied to the Puguang D401-1 well test w ith the designed dealing capacity of 10×104m3/d and was under smooth operation for 8 hours as the total burning time of gas p roduction test.As a result,each monitoring index after detection meets the requirement of environmental p rotection, and from some indexes this domestic-made incinerato r show s better perfo rmance than the foreign one.Field p ractices demonstrate that this incinerato r is reliable in perfo rmance and can meet the HSE needsof a long-time gas p roduction test in a high sour gas well in fields.

China-made,incinerato r,high sour gas,gas test,w ind guide vane,Puguang Gas Field

姜春河等.國產SGI-10型高含硫天然氣焚燒爐在普光D401-1井試氣中的應用.天然氣工業,2011,31(7):87-89.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.021

國家“十一五”科技重大專項“高含硫氣藏安全高效開發技術”(編號:2008ZX05017)。

姜春河,1955年生,高級工程師,學士;現任中國石化中原油田分公司采油工程技術研究院正處級調研員,主要從事采油工程技術方面的研究及技術管理工作。地址:(457001)河南省濮陽市中原路109號采油工程技術研究院。電話:(0393) 4890172。E-mail:cyyjch@163.com

2011-04-11 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.021

Jiang Chunhe,senio r engineer,bo rn in 1955,is mainly engaged in research of oil p roduction techniques and the related technical management.

Add:No.109,Zhongyuan Rd.,Puyang,Henan 457001,P.R.China

Tel:+86-393-4890 172 E-mail:cyyjch@163.com