天然氣干法脫硫“一站式”模式的創(chuàng)新發(fā)展與實(shí)踐

方 進(jìn) 羅召錢(qián)

（中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川 江油 621700）

0 引言

伴隨著四川盆地北部地區(qū)深層海相碳酸鹽巖氣藏取得重大勘探開(kāi)發(fā)突破［1］，中低含硫天然氣的安全高效開(kāi)采成為實(shí)現(xiàn)氣田高質(zhì)量發(fā)展的攻堅(jiān)方向之一。干法脫硫作為含硫氣田開(kāi)發(fā)初期小規(guī)模凈化處理的主要手段，在工藝管理模式上的不斷優(yōu)化創(chuàng)新，不僅是為了滿足日益增長(zhǎng)的氣田開(kāi)發(fā)需要，更是為了滿足“綠色礦山”的建設(shè)要求。

為此，針對(duì)傳統(tǒng)管理模式中制約天然氣干法脫硫高效運(yùn)行中存在的一系列問(wèn)題，摸索并建立了天然氣干法脫硫“一站式”創(chuàng)新模式［2］。

1 天然氣干法脫硫“一站式”模式的動(dòng)因與內(nèi)涵

1.1 天然氣干法脫硫“一站式”模式的動(dòng)因

隨著全球能源消費(fèi)持續(xù)回暖，消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步向清潔化發(fā)展，天然氣已成為當(dāng)今全球三大主力能源之一。作為世界上最早開(kāi)發(fā)和利用天然氣的區(qū)域，四川盆地常規(guī)和非常規(guī)兩類(lèi)天然氣資源總量38×1012m3，累計(jì)探明4.1×1012m3。區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)逐步由陸相向海相、由淺層向深層、超深層探索發(fā)展，后續(xù)勘探開(kāi)發(fā)任務(wù)將會(huì)更加復(fù)雜。尤其是深層、超深層海相氣藏，氣質(zhì)組分更為復(fù)雜，多含硫化氫毒性氣體，有較大的安全、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)天然氣的處理能力也提出了更高的要求［3-5］。天然氣的含硫量作為脫硫工藝選擇的重要依據(jù)之一，通常用潛硫量表示。一般來(lái)說(shuō)，潛硫量在10 t／d以上時(shí)，選擇化學(xué)／物理溶劑吸收法脫硫H2S，如胺法脫硫（MDEA），常用于大規(guī)模脫硫；當(dāng)潛硫量介于0.2～10 t／d時(shí)，常選擇液相直接氧化還原工藝，如絡(luò)合鐵法；當(dāng)潛硫量小于0.2 t／d時(shí)，常選用干法脫硫工藝。四川盆地北部地區(qū)中低含硫天然氣井潛硫量通常小于0.2 t／d，結(jié)合干法脫硫工藝流程簡(jiǎn)單、投資低、占地面積小等優(yōu)勢(shì)，因此干法脫硫成為盆地含硫量較低氣井的主流凈化工藝［6］。

但在干法脫硫傳統(tǒng)生產(chǎn)管理中存在一定弊端，一方面脫硫劑的使用、富劑的處置面臨不同的承包商，多責(zé)任主體使得工作界面交叉復(fù)雜，管理難度大，脫硫質(zhì)量難以把控。另一方面，傳統(tǒng)模式以脫硫劑使用量為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、不同服務(wù)商和不同的施工人員進(jìn)行分開(kāi)結(jié)算，程序復(fù)雜、誤差較大。實(shí)際使用的脫硫劑硫容高低由企業(yè)自行承擔(dān)，脫硫服務(wù)商對(duì)服務(wù)質(zhì)量的持續(xù)提升上顯得動(dòng)力不足。再者，脫硫劑的更換多采用現(xiàn)場(chǎng)人工掏填的方式，脫硫富劑不可避免的與人員和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境接觸，安全管控風(fēng)險(xiǎn)大［7-10］。因此，為了優(yōu)化脫硫管理流程、提升工藝效果、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，天然氣干法脫硫一站式模式成為加速含硫天然氣高質(zhì)量開(kāi)采的內(nèi)在需求與必然選擇。

1.2 天然氣干法脫硫“一站式”模式的內(nèi)涵

在對(duì)傳統(tǒng)脫硫模式與歷史經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行充分調(diào)研與總結(jié)研判后，從工藝流程設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)施工、生產(chǎn)運(yùn)行管理三大過(guò)程管控入手，改革多責(zé)任主體、分步設(shè)計(jì)、分散施工的傳統(tǒng)脫硫模式，重塑管理流程，整合服務(wù)商資源，同時(shí)對(duì)脫硫設(shè)備撬裝化、一體化，從根本上杜絕脫硫劑與現(xiàn)場(chǎng)人員和環(huán)境的接觸，消除作業(yè)安全隱患（圖1）。其次，借鑒最新的天然氣計(jì)價(jià)模式，以經(jīng)濟(jì)杠桿激勵(lì)脫硫服務(wù)質(zhì)量提升。再者，以信息化手段進(jìn)行可視化協(xié)同設(shè)計(jì)和全過(guò)程安全管控，推動(dòng)脫硫管理實(shí)現(xiàn)高效、安全、環(huán)保的目標(biāo)。

圖1 一站式脫硫管理總體框架示意圖

2 天然氣干法脫硫“一站式”模式創(chuàng)新

2.1 基于設(shè)計(jì)方案的管控流程重塑

在工藝流程設(shè)計(jì)方案上（圖2），與技術(shù)服務(wù)方協(xié)同開(kāi)展集成化流程與裝置設(shè)計(jì)：整合傳統(tǒng)原料氣處置工藝，進(jìn)行施工安裝及運(yùn)行管理的整體化與便捷化改造，要求脫硫設(shè)備能撬裝化快速拆裝，脫硫設(shè)備能整體拉運(yùn)更換，能以脫硫塔為容器將脫硫富劑密閉運(yùn)輸直接返廠無(wú)害化統(tǒng)一處置，消除脫硫劑現(xiàn)場(chǎng)裝卸，杜絕廢劑自燃和粉塵污染等隱患，達(dá)到快速、安全、環(huán)保的目的。

圖2 一站式脫硫施工運(yùn)行流程示意圖

在地面工程建設(shè)方案上，打破“建設(shè)初期分步設(shè)計(jì)、采購(gòu)，建設(shè)后期分段施工、試運(yùn)投產(chǎn)”的傳統(tǒng)建設(shè)工程模式，推行設(shè)備設(shè)施“工廠化預(yù)制、一體化集成、橇裝化安裝”的施工方案，加速新井地面工程的快建投產(chǎn)。

在脫硫運(yùn)行方案上，首先是改變脫硫劑的傳統(tǒng)更換方式，由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在脫硫塔內(nèi)人工掏填脫硫劑，現(xiàn)場(chǎng)打包脫硫劑裝車(chē)分散處置的方式優(yōu)化為小單元整體替換，脫硫富劑連帶舊塔一起整體拉運(yùn)回廠處置。全程無(wú)脫硫富劑暴露，減輕員工操作強(qiáng)度，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。其次是圍繞脫硫服務(wù)更換重點(diǎn)環(huán)節(jié)，梳理一站式脫硫管理界面，明確交接內(nèi)容，將傳統(tǒng)模式的放空泄壓、氮?dú)庵脫Q、設(shè)備打開(kāi)、裝卸料、升壓驗(yàn)漏、富劑處置等多個(gè)環(huán)節(jié)優(yōu)化整合，消減人在工藝流程切換中的不安全行為。最后實(shí)施屬地管理單位與脫硫服務(wù)單位合體同責(zé)的管理制度，實(shí)現(xiàn)雙方監(jiān)督管理與現(xiàn)場(chǎng)操作人員相對(duì)獨(dú)立，保證最大發(fā)揮設(shè)備設(shè)施裝置能效，提高固定資產(chǎn)使用率，推動(dòng)脫硫服務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量提升。

2.2 基于計(jì)價(jià)體系的脫硫服務(wù)質(zhì)量把控

借鑒我國(guó)最新的天然氣能量熱值計(jì)價(jià)方式，合理利用經(jīng)濟(jì)杠桿，摸索出以天然氣硫含量為基礎(chǔ)，處理原料氣量為標(biāo)準(zhǔn)的新型計(jì)價(jià)模式。該模式以一定時(shí)期在線監(jiān)測(cè)硫化氫的平均值對(duì)比基準(zhǔn)價(jià)氣質(zhì)條件的差值百分比進(jìn)行折算，計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為結(jié)算價(jià)款，元；V0H2S為標(biāo)準(zhǔn)狀況下處理氣井原料氣的體積，Nm3；V1H2S為標(biāo)準(zhǔn)狀況下處理原料氣的H2S體積百分?jǐn)?shù)；V2H2S為標(biāo)準(zhǔn)狀況下基準(zhǔn)價(jià)的H2S體積百分?jǐn)?shù)；F0為基準(zhǔn)價(jià)，元／Nm3。

其中，基準(zhǔn)價(jià)F0按不同氣井的情況定制發(fā)布，主要由固定資產(chǎn)購(gòu)置安裝、脫硫服務(wù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理操作人員配置、含硫原料氣凈化處置等費(fèi)用綜合折算得到。計(jì)算參數(shù)較傳統(tǒng)模式更科學(xué)且易獲取，一次脫硫整體結(jié)算，有效解決傳統(tǒng)模式導(dǎo)致的計(jì)價(jià)難題，加深服務(wù)商參與度，提高服務(wù)商積極性，在科學(xué)結(jié)算的同時(shí)確保服務(wù)質(zhì)量。

2.3 基于信息化技術(shù)的管理效率提升

在天然氣干法脫硫“一站式”管理模式中，信息化手段輔助全過(guò)程管理效率的提升。

一是搭建屬地管理方與服務(wù)商的實(shí)時(shí)交流平臺(tái)，構(gòu)建高效管控基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)模式中較為低效的人對(duì)人當(dāng)面交流，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上的多線程高效實(shí)時(shí)交流，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和建設(shè)等重要信息的高速無(wú)障礙傳輸和快速處理，輔助決策與及時(shí)響應(yīng)。

二是通過(guò)電子設(shè)備和服務(wù)系統(tǒng)，加強(qiáng)屬地管理方對(duì)服務(wù)商的可視化全過(guò)程監(jiān)督，保障施工安全與服務(wù)質(zhì)量。

三是通過(guò)多樣化的培訓(xùn)手段，利用信息技術(shù)促進(jìn)員工和服務(wù)商職業(yè)技能提升，同時(shí)加強(qiáng)服務(wù)商的能力評(píng)估與績(jī)效考核，打造出與天然氣干法脫硫“一站式”新模式相匹配的人才隊(duì)伍。

3 天然氣干法脫硫“一站式”模式實(shí)踐

3.1 “一站式”模式實(shí)踐概況

近年來(lái)，四川盆地北部地區(qū)深層海相碳酸鹽巖氣藏開(kāi)發(fā)上取得重大突破，促進(jìn)了天然氣干法脫硫“一站式”脫硫的管理變革與提升。自2018年開(kāi)始，針對(duì)川西北部中低含硫邊遠(yuǎn)氣井分布廣、含硫量相對(duì)較低、脫硫集中處理難度大、脫硫成本高等特點(diǎn)，先后在區(qū)域內(nèi)4口新投產(chǎn)井中成功應(yīng)用了干法脫硫“一站式”模式，為該模式的優(yōu)化、評(píng)估和推廣使用積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.2 L016-H1井生產(chǎn)實(shí)例

L016-H1井是中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦部署在川西北部區(qū)域九龍山區(qū)塊的一口滾動(dòng)勘探開(kāi)發(fā)井。該井日產(chǎn)氣量約40×104m3／d、日產(chǎn)液量為2 m3，開(kāi)井初期井口硫化氫含硫較低，無(wú)需特殊處理。隨開(kāi)發(fā)周期增加，天然氣硫化氫含量上升至70 mg／m3，而區(qū)塊內(nèi)尚無(wú)其他凈化設(shè)施可依托。

在“一站式”干法脫硫模式的指導(dǎo)下，L016-H1井現(xiàn)場(chǎng)采用服務(wù)商提供的5臺(tái)撬裝脫硫塔。脫硫塔均采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和模塊化連接，整體占地面積小，且可根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)模塊靈活增減和組合。工藝單元采用先集散再整裝的方式，各單元之間的連接也由傳統(tǒng)焊接優(yōu)化為可拆卸的法蘭連接，可有效提高運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)效率。

當(dāng)脫硫塔吸附飽和時(shí)，流程上切換備用脫硫塔，吸附飽和塔則開(kāi)始進(jìn)行吊裝更換工作，將裝填有新脫硫劑的脫硫新塔直接替換吸附飽和塔。通過(guò)整體吊裝更換實(shí)現(xiàn)脫硫富劑的全過(guò)程密閉輸送，返廠無(wú)害化統(tǒng)一處置。傳統(tǒng)模式中，此部分工作是由人工從塔內(nèi)掏出脫硫富劑，打包成約50 kg的小包裝后再車(chē)輛拉運(yùn)回廠，脫硫新劑也由相同的方式反向裝填。以A63型脫硫塔每塔裝填脫硫劑4.35 t計(jì)算，單塔換劑需搬運(yùn)174袋脫硫劑，勞動(dòng)強(qiáng)度大的同時(shí)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)也大。相比之下，新模式整體單元吊裝更換的方式不僅更加方便快捷，大幅減少了人力投入，更從根本上杜絕了脫硫劑對(duì)人員和環(huán)境的危害。

根據(jù)新型脫硫服務(wù)結(jié)算方式，首先通過(guò)L016-H1井固定資產(chǎn)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員配置情況、傳統(tǒng)模式同類(lèi)型含硫原料氣凈化處置等費(fèi)用進(jìn)行綜合折算，確定出L016-H1井的基準(zhǔn)硫化氫含量及對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)價(jià)，再根據(jù)結(jié)算公式，結(jié)合實(shí)際處理氣量及硫化氫含量波動(dòng)計(jì)算最終結(jié)算價(jià)格。按L016-H1井產(chǎn)氣硫化氫含量70 mg／m3計(jì)算，脫硫服務(wù)結(jié)算單價(jià)為0.016 4元／m3，較同類(lèi)型傳統(tǒng)模式脫硫服務(wù)折算單價(jià)降低約0.05元／m3，使脫硫服務(wù)運(yùn)行成本大幅度下降。更重要的是，相比于傳統(tǒng)模式下單純的買(mǎi)賣(mài)脫硫劑，新的結(jié)算方式激勵(lì)了服務(wù)商通過(guò)提高產(chǎn)品硫容來(lái)獲得利益。L016-H1井使用過(guò)程中硫容最高達(dá)32%，相比于傳統(tǒng)模式約13%的使用硫容有了質(zhì)的飛躍，更是刷新了同條件下國(guó)內(nèi)新紀(jì)錄，為天然氣行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

L016-H1井在“一站式”模式在的實(shí)踐過(guò)程中，還合理運(yùn)用了各類(lèi)信息化手段促進(jìn)管理效率提升。依托三維協(xié)同設(shè)計(jì)程序，搭建了屬地管理方與服務(wù)商的實(shí)時(shí)交流平臺(tái)，依托中油系統(tǒng)ERP物資管理平臺(tái)，整合傳統(tǒng)模式多環(huán)節(jié)、多渠道物資采購(gòu)程序?yàn)榻y(tǒng)一采購(gòu)；在三維設(shè)計(jì)程序基礎(chǔ)上搭建信息互通鏈接，實(shí)時(shí)更新物資使用、需求、庫(kù)存和供應(yīng)情況，實(shí)現(xiàn)物資全動(dòng)態(tài)管理。同時(shí)充分利用電子攝像頭，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，主動(dòng)監(jiān)測(cè)、識(shí)別作業(yè)人員資質(zhì)、入場(chǎng)資格、違章行為，管理層和生產(chǎn)人員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音報(bào)警、無(wú)人機(jī)對(duì)講等及時(shí)控制不安全行為、不安全狀態(tài)，保障施工安全與服務(wù)質(zhì)量。通過(guò)大量的網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)課程、直播教學(xué)、新媒體推送等方式，以多元化的手段強(qiáng)化員工和服務(wù)商的培訓(xùn)與考核，有效促進(jìn)了員工職業(yè)技能提升。

實(shí)踐結(jié)果表明，與傳統(tǒng)模式相比（表1），新模式在安全環(huán)保、提質(zhì)增效、降低成本上均取得了顯著的效果。

表1 L016-H1井“一站式”干法脫硫管理模式與傳統(tǒng)模式運(yùn)行效果對(duì)比表

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

天然氣干法脫硫“一站式”模式的實(shí)踐結(jié)果表明，該模式取得了環(huán)保、降本、增效全方面的提升。

1）環(huán)保效果提升。新模式通過(guò)以脫硫塔帶脫硫劑整體吊裝替代原有模式現(xiàn)場(chǎng)裝卸脫硫劑的方式，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)最大限度削減了脫硫劑的暴露，降低了人員和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

2）工作效率提升。通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化流程避免了交叉作業(yè)等問(wèn)題，在單井產(chǎn)能建設(shè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了快建快投；整體吊裝更換帶脫硫劑的脫硫塔，簡(jiǎn)化了運(yùn)行環(huán)節(jié)，縮短了單次脫硫劑更換時(shí)間；新的結(jié)算方式激勵(lì)服務(wù)商提升脫硫劑硫容，創(chuàng)下同類(lèi)型硫容全國(guó)紀(jì)錄，進(jìn)一步降低脫硫劑更換頻次。

3）運(yùn)行成本降低。一是新模式減少了以脫硫塔為首的固定資產(chǎn)投入以及脫硫塔的檢維修等成本；二是精簡(jiǎn)后的流程減少了人員投入；三是按新的脫硫服務(wù)結(jié)算方式，結(jié)算單價(jià)大幅降低，推動(dòng)脫硫服務(wù)費(fèi)用總體顯著下降。