海上含硫氣井地面測試流程安全控制技術

陳光峰，盧中原，張興華，周寶鎖，楊歧年，周新宇

1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，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 含硫氣井測試的風險

硫化氫是一種劇毒、易燃、易爆的無色氣體，相對分子質量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毒劑，亦為窒息性和刺激性氣體，具有臭雞蛋味，當其質量分數超過50 ppm（1 ppm=10-6），可弱化人的嗅覺神經功能而致死[3-4]。在海上含硫氣井測試中，對于地面測試流程而言，主要存在以下三個方面的風險。

1.1 含硫氣體泄漏風險

海上平臺作業空間較小，物料較為集中，而且地面測試設備擺放緊湊，逃生通道受限。在測試放噴期間，地層含硫流體經三相分離器分離后，其中氣體走燃燒臂燃燒處理，液體計量后進地面儲油罐存儲。含硫氣體泄漏主要可能出現在以下幾種情況：第一，測試取樣期間放壓拷克未關嚴；第二，地面流程發生泄漏；第三，含硫氣體燃燒未完全；第四，在將含油污水泵送至環保罐的過程中出現硫化氫泄漏。出現以上情況后，在通風不暢的情況下會造成硫化氫等有毒、有害氣體聚集，進而危及海上平臺作業人員安全。

1.2 硫化氫對地面流程的腐蝕風險

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，電化學失重腐蝕，這種腐蝕較緩慢，它逐漸導致設備壁厚減??；其二，氫脆，電化學腐蝕產生的氫滲入鋼材內部，使材料韌性變差，甚至引起微裂紋，使鋼材變脆；其三，硫化物應力腐蝕，它是在拉應力和殘余張應力的作用下，由硫化物介質引起鋼材氫脆，并導致氫脆微裂紋發展直至材料的破裂過程[3]。鑒于海上測試時間較短，對于硫化氫腐蝕主要考慮氫脆破壞以及應力腐蝕開裂，這兩種腐蝕方式容易造成設備減薄、穿孔、甚至爆裂。同時在地面設備和管道中，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境中發生鼓泡脹大和失去彈性等情況，因而需要進行地面緊急關井，以更換流程管道中的密封元件。

1.3 水合物堵塞風險

黃船等在現場實踐中發現，氣井在測試作業時，地層流體在流速變化較大的地方、氣體溫度較低時易生成水合物，從而導致地面流程的堵塞，影響氣井的正常測試[5-6]。姚慧智等經過實驗證明：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過程中由于壓力的降低導致溫度的降低，即所謂的節流效應。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，將導致堵塞段以上的流程壓力迅速升高，這一過程具有突發性，若不及時處理，就會導致低壓力級別的測試設備（如加熱爐和分離器等）泄漏甚至超壓爆炸，造成嚴重的安全生產事故。

2 硫化氫數據監測系統

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，不僅嚴重威脅著人們的生命安全，造成嚴重的環境污染，還給金屬設備帶來嚴重的腐蝕破壞。傳統的便攜式檢測儀以及監測探頭已不能滿足現場安全環保的需要，為了實現對地面測試流程的安全控制，必須采取實時、準確的數據監測手段，這樣才能夠識別風險，從而在風險剛出現時立即采取安全控制措施。

2.1 地面流程中硫化氫在線監測

硫化氫在線監測的工作原理是把需監測硫化氫的工藝流體壓力降低到10 psi（1 psi=6.896 kPa），然后用一個精密的流量計調節樣品流量，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 光源發光系統產生輸出信號，再經數字化和分析后，以4～20 mA 的電流線性輸出。LCD 顯示器可顯示當前讀數、報警狀態、程序提示（就是標定程序）以及故障指示。在地面流程中引入硫化氫在線監測技術，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測裝置，進而實時測量天然氣中的硫化氫含量，測量范圍在1ppm～100%（質量分數）。硫化氫在線監測取樣點位置應盡可能接近監測裝置，以減少時間延遲和樣氣在取樣管中由衰減因素造成的監測誤差。由于流體介質經分離器分離后較為單一，且經過安裝在分離器氣出口丹尼爾流量計處的穩流器后，氣體的流態和流速較為穩定，在現場實際應用中，通常選取分離器氣出口作為取樣點。經過監測的樣氣通過排放管道排放至平臺舷外，進入燃燒系統進行燃燒處理。

2.2 井場環境中的硫化氫含量監測

為了更好地監測井場環境中硫化氫的含量，通過在測試作業現場設置硫化氫監測儀與數據采集系統裝置，共同組成環境中硫化氫含量的監測系統。在井口、分離器和和密閉罐等有作業人員操作的區域，安裝硫化氫等有毒有害氣體監測儀[8-9]，通過監測儀檢測環境中的硫化氫濃度。當檢測到的硫化氫質量分數超過10 ppm，硫化氫監測儀會發出聲光報警進行警示，并將報警電信號同步傳輸至數據采集系統。

2.3 流程多節點安全監測

為應對水合物堵塞等風險，應用數據采集系統、含砂量在線監測系統和振動在線監測系統實時監控地面流程關鍵點的壓力和溫度、地層出砂和流程振動情況，并實時繪制動態曲線，供操作人員掌握在測試放噴過程中地面流程管道相應數據的變化規律。若遇到流程超溫、超壓、水合物堵塞、出砂沖蝕、強烈振動、泄漏等問題，通過多節點的安全監測，可及時發現并采取應急措施來確保測試作業滿足環保和生產安全要求。

3 安全控制系統

3.1 優選地面設備管道及密封元件材質

鑒于硫化氫腐蝕性強的特性，張明江等指出，在選擇測試地面設備和管道時應充分考慮其材質能否防止硫化氫腐蝕[10]。對于地面測試設備中的井口控制頭、地面油嘴管匯和地面安全閥等主要控制設備，通常采用EE 級或以上級別的材質；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，同時采取金屬密封元件取代測試時常規使用的橡膠件密封，避免了因硫化氫腐蝕使橡膠失去彈性而導致密封失效的風險。同時在測試準備期間，對地面關井壓力進行預測，根據所預測的地面關井壓力，選擇設備額定工作壓力不低于預測的最高地層孔隙壓力的1.2 倍，從而達到實現安全控制的目的。渤海油田目前含硫氣井測試用的高壓端設備基本都按照15K（15 000 psi）的高壓級別進行選用，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彎頭，從而提高了安全性。

3.2 多級節流控制

在海上含硫氣井測試過程中，多級節流控制技術的應用效果極佳，對地面流程的控制實現了雙層保障。含硫氣井測試時，通常井口流動壓力較高，測試期間采用15K 高壓等級的遠程控制動力油嘴和油嘴管匯的組合進行多級節流[11-12]，在實現地層流體平穩地從高壓降至低壓的同時，可降低現場作業人員頻繁出入高壓危險區、高硫化氫區調整或更換油嘴的頻率，同時減少因手工更換油嘴而產生的硫化氫等有毒、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理的研究指出，水合物的生成條件屬于熱力學相態的研究范疇，其形成主要與壓力、溫度和天然氣的組分有關[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，其具體參數見表1。對于海上平臺測試而言，天然氣到達地面后，經過多級節流操作（如油嘴管匯、放壓拷克、應急關斷等），壓力下降，進而引起溫度下降，當溫度低于天然氣形成水合物的臨界溫度，則會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行加熱，其操作簡單方便且成本低。對于升溫法的實施，一是采用海上平臺現有的海水資源對易結冰的管道及彎頭處進行沖洗升溫，二是采用蒸汽鍋爐產生的蒸汽對流程各個可能生成水合物的關鍵部位進行加熱，并利用熱交換器對從節流管匯流出的天然氣進一步加熱，提高天然氣流體溫度，再配合同心加熱管加熱節流前的地層流體，使天然氣節流降壓膨脹后的溫度高于生成水合物的臨界溫度，從而達到抑制水合物生成的目的。當單獨采用升溫法無法抑制水合物生成時，還需通過化學藥劑注入泵向天然氣中注入化學藥劑來協助抑制水合物的生成。測試期間根據需要，通常在地面測試樹流動翼閥和油嘴管匯上游數據頭處設置化學藥劑注入接口，通過注入化學藥劑降低水合物的穩定溫度，分解產生的水合物。

3.4 應急關斷控制

當流程出現泄漏、超壓等其他意外情況時，快速關斷井口從而切斷地層流體來源是防止事態進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急關斷控制系統，以實現對緊急事件的快速響應。該系統主要包括：井口控制頭生產液動閥、地面安全閥、液壓控制面板、ESD遠程手動控制按鈕和高/ 低壓傳感器。通常ESD遠程手動控制按鈕設置在測試設備操作區、測試區域出口、鉆臺司鉆房等易操作位置，一旦出現緊急情況，方便操作者進行應急操作，其平均關斷響應時間小于4 s。高/低壓傳感器則安裝在流程管道和壓力容器上，安裝前預設高壓/低壓，一旦流程中壓力高于或低于傳感器所設置的壓力時，傳感器即可傳遞壓力信號至液壓控制面板，實現瞬時關井，其安裝位置見圖1。另外液壓控制面板和ESD遠程手動控制按鈕均可實現人工干預，可根據現場實際需要，選擇開啟或者關閉[15]。

3.5 施工環境安全控制

由于作業空間受限，因此在海上含硫氣井測試期間保障作業區域的環境安全至關重要。根據求產和測試取樣的需要，現場要經常進行油嘴和孔板的更換、取樣針閥的開關等操作，在操作過程中，必然會出現硫化氫等有毒、有害氣體的泄漏，在通風不暢的環境中，硫化氫很容易發生聚集進而引發人員中毒事件。為了保障操作人員安全，在油嘴管匯井口區、分離器取樣口、地面存儲密閉罐和環保罐輸油等易于聚集硫化氫的區域設置氣動防爆風扇，保持作業空間處于良好通風狀態，可以有效防止硫化氫氣體的聚集。

圖1 應急關斷系統布置

3.6 氣液分離后的硫化氫實時處理

測試期間，地層流體經三相分離器分離后，含硫天然氣進入燃燒臂燃燒處理，液體則進入密閉罐存儲。但液體中往往會含有一定的硫化氫溶解氣，它也會進入地面存儲設施，溶解有硫化氫的液體會對存儲設施造成腐蝕，而且在泵送液體至環保罐的過程中會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，含硫氣井測試時需要在地面測試流程中配套設置硫化氫實時處理裝置，利用該裝置在地面測試流程中連續添加硫化氫捕捉劑，使其與氣液分離后液體中溶解的硫化氫進行反應，從而實現地層產液中溶解硫化氫的實時處理[16-20]，處理流程見圖2。

硫化氫實時處理裝置由化學注入泵、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，通過化學注入泵向除硫混合器內泵入硫化氫捕捉劑，使之與地層產出液混合反應。硫化氫捕捉劑注入方向與分離器油路內液體流動方向垂直，以利于捕捉劑與硫化氫反應[19]。

圖2 硫化氫實時處理示意

4 應用實例

海上含硫氣井測試地面流程安全控制技術在渤海油田潛山深層含硫氣井測試中的應用效果顯著。BZ22-X-X 井為潛山構造上的一口預探井，該井鉆進至古生界潛山4 611.00 m 完鉆，在前期鉆井期間發現地層流體中含有硫化氫。測試作業期間采用地面流程安全控制技術進行控制，通過硫化氫實時在線監測系統測得硫化氫質量分數最高為172 ppm，結合安全控制系統，通過對硫化氫進行實時處理，將液體中的硫化氫質量分數降至10 ppm 以下，有效地降低了硫化氫等有毒、有害氣體給現場作業留下的安全隱患，成功地獲得了40 萬m3/d 的天然氣產能，同時取全、取準了資料，突破了渤海深層含硫化氫氣井的勘探技術瓶頸。

圖3 除硫混合器

5 結論和建議

（1）渤海潛山構造含硫氣井地質條件復雜，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約了大量作業成本和安全環保成本。

（2）針對地層流體含硫化氫等有毒、有害氣體的特點，結合受限的海上平臺空間，優化設計了全套安全控制系統，并與硫化氫數據監測系統相結合，真正實現了地面測試流程的安全控制，降低了硫化氫等有毒、有害氣體對現場作業人員造成傷害及腐蝕設備的風險，保障了測試作業的安全。

（3）雖然目前地面測試流程的安全控制技術已較為成熟，但是海上含硫氣井測試作業風險依然很高，一旦發生硫化氫泄漏事故，對財產和現場作業人員的安全都將造成極大的威脅。因此，在海上平臺現場實際應用硫化氫數據監測系統時，還應建立相應的作業程序、保障措施及應急預案，這樣才能進一步提高海上含硫氣井測試的安全系數。