井筒除硫技術在大牛地氣田下古生界的應用

袁本福

（ 中國石化華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006 ）

大牛地氣田下古生界碳酸鹽巖儲層，面積997 km2，儲量305×108m3，是大牛地氣田產能建設的重要接替儲層，具有較好的開發前景[1–4]。目前共投產90口井，由于地質原因，部分氣井含一定濃度的H2S氣體，目前，檢測出含有H2S的氣井52口，含硫井占57.8%。52口含硫井中，H2S體積分數超過13（國家二類氣外輸標準）的氣井占48%，共25口；H2S體積分數13～100的有12口，體積分數大于100的有13口。由于大牛地氣田下古生界氣藏含硫特征具有井位分散、H2S濃度整體低微、產出規律不明確的特點，若進行地面裝置集中脫硫，需要一次性投入很高的成本，投資風險較大。因此，本文通過建立相關評價模型，對五種液體除硫劑在大牛地氣田下古生界試驗效果進行客觀分析與評價，擇優而選，進而全面推廣應用，為釋放含硫氣井產能，實現企業經濟效益最大化提供技術支撐。

1 井筒除硫技術

目前，國內外脫除H2S的方法主要可分為物理法、化學法和生物法等，其中，化學法在含H2S油氣藏脫硫應用最為廣泛[5]。川西、普光、長慶等高含硫氣藏，均采用地面集中濕法/干法脫硫，實現了高含硫氣藏效益開發[6–7]。井筒除硫技術是通過向井筒內泵入液體除硫劑實現降低H2S濃度的一種簡單、實用、經濟的工藝技術，屬于化學方法除硫范疇。液體除硫劑是一種由主劑、促吸劑、催化劑等多種單劑復配后的化學藥劑，通過化學反應將H2S中的H原子置換成C原子，把H–S鍵轉化為C–S鍵，使S元素以無毒、穩定的分子結構存在，從而降低含H2S天然氣的毒性和對管材設備的腐蝕危害[1]。

目前，市場中生產的液體除硫劑主要包括均三嗪類、醇胺類、堿溶液類等，不同液體除硫劑的除硫能力、價格等也參差不齊，如何針對不同的除硫劑進行優選評價，進而推廣應用，需要開展現場試驗對比分析。為此，本文根據不同除硫劑的性能參數以及試驗氣井的特點進行加注量設計和加注制度的制定。

1.1 除硫劑加注量設計

除硫能力是表征除硫劑脫除H2S的一個重要指標，即每消耗1kg的除硫劑，可以除去H2S的量。因此，以除硫能力為主要變量，結合氣井試驗前的日均產氣量和檢測的H2S濃度，可以計算出每一種除硫劑的設計加注量，見公式（1）所示：

式中：V為除硫劑加量，L；1Q為試驗前日均產氣量，m3；xV為試驗前平均H2S體積分數，10–6；1ρ為H2S標況下密度，1 518 g/m3；2ρ為除硫劑密度，g/cm3；C為除硫能力，g/L。

1.2 除硫劑加注制度

為了得到不同除硫劑在同一口含硫氣井上的除硫效果，采用統一的加注方式和加注周期。同時，為了盡量降低不同除硫劑之間因試驗前后順序不同而相互干擾，每種除硫劑試驗后，設定10 d的空白期，使含硫天然氣盡可能地消耗殘余除硫劑和恢復到試驗前的硫化氫濃度范圍。

首先，井口油管一次性加注每日設計用量，關井2 h后開井生產。在集輸站單井管線入口壓力表考克處，通過安裝在線式硫化氫檢測儀，把H2S檢測數據實時傳送到值班房，實現對井筒除硫后H2S濃度的安全監測與動態評價[8–9]。

其次，加注制度分為三個周期。第1～2 d為第一周期，加注量為理論設計量的3倍，加水最小稀釋比例1∶3，最大稀釋比例1∶5；第3～5 d為第二周期，加注量以理論設計量為基礎，結合第一周期試驗效果，可進行±50%調整，加水稀釋比例最大1∶3；第6～10 d為第三周期，加注量可根據第二周期試驗效果進行±20%調整，并保持加注量不變至結束，加水稀釋比例最大1∶3。

2 評價指標

井筒除硫現場試驗主要從除硫劑配伍性、除硫能力、經濟性三個指標進行評價，從而優選出性價比最優的除硫劑，進行進一步推廣應用。

2.1 配伍性評價指標

室內配伍性實驗是分別將甲醇、泡排劑、地層水與除硫劑按1∶1比例混合，靜置4 h后觀察是否互溶或者是否產生絮凝物沉淀等現象，若產生絮凝物沉淀，可能會對氣井長期穩定生產帶來不利影響，則不考慮進行推廣應用。

2.2 除硫能力評價指標

為了對不同除硫劑現場實際應用效果做客觀地評價，并獲取與含硫氣井實際工況更為符合的除硫能力，根據試驗前和試驗期間氣井平均日產氣量、平均H2S體積分數、除硫劑加量以及試驗天數，建立現場試驗工況下的除硫能力計算模型，見公式（2）。

式中：C′為除硫能力，g/L；1Q為試驗前日均產氣量，m3；xV為試驗前平均H2S體積分數，10–6；1Q′為試驗期間日均產氣量，m3；xV′為試驗期間平均H2S體積分數，10–6；1ρ為H2S標況下密度，1 518g/m3；d為試驗時間，d；V為除硫劑加量，L。

2.3 經濟性評價指標

為了優選評價出經濟、有效的除硫劑，依據不同除硫劑價格，結合現場試驗除硫劑加注量、氣井日均產氣量、試驗天數等參數建立了經濟性計算模型，見公式（3）。

式中：P為成本，元/m3；V為除硫劑加量，L；2ρ為除硫劑密度，g/cm3；T為除硫劑價格，元/t；1Q′為試驗期間日均產氣量，cm3；d為試驗時間，d。

3 試驗效果評價

優選XG3為試驗井，該井試驗前空白期日均產氣量47 254 m3/d，H2S平均體積分數64.86×10–6，計算得出日潛硫量為4 652 g。對五種除硫劑進行了現場井筒除硫試驗，試驗天數均為10 d，試驗前空白天數均為10 d，依據建立的評價指標模型和試驗數據得到客觀的評價結果。

3.1 配伍性評價結果

通過室內15組配伍性實驗得出，B與C除硫劑與不同藥劑及地層水的配伍性完全達標（圖1、圖2），A除硫劑與地層水混合后發生了絮狀物沉淀，D、E三種除硫劑與地層水混合后均發生了顏色變化，但未產生絮狀物沉淀，詳細實驗結果如表1所示。

圖1 除硫劑B與不同藥劑及地層水配伍性

圖2 除硫劑C與不同藥劑及地層水配伍性

表1 不同除硫劑配伍性實驗結果

3.2 除硫能力評價結果

依據除硫能力計算模型公式（2），結合試驗數據，分別對現場試驗的五種除硫劑進行了評價，根據計算結果可知，B除硫劑的除硫能力最高（表2），與除硫能力偏差值也最小。除硫能力偏差值反映除硫劑廠家提供的室內理論值與現場實際井況試驗值之間的偏差百分比，該值越小，越能真實地反映除硫劑的除硫效果，說明除硫劑設計加注量更合理。

表2 試驗期間不同除硫劑除硫能力評價結果

3.3 經濟性評價結果

依據經濟性評價模型公式（3），結合試驗數據，分別對現場試驗的五種除硫劑進行經濟性評價，根據計算結果可知：每立方米氣成本和每克硫成本從小到大排序為：B＜C＜E＜D＜A。具體數據見表3，其中B除硫劑的每立方米氣成本最低，經濟性最好。

表3 試驗期間不同除硫劑除硫成本評價

3.4 推廣應用效果

通過2019年對五種除硫劑進行現場試驗與評價，綜合試驗期間配伍性評價、除硫能力評價、經濟性評價三個重要指標，優選出性價比最優的B型除硫劑（圖3）。針對H2S體積分數小于100的含硫氣井，在2020年全面推廣應用12口井，其中2口井加注一個月后，H2S體積分數至今一直為0；3口井加注三個月后，H2S體積分數一直維持在國家二類氣外輸標準以下；剩余7口井持續進行井筒除硫，產出H2S體積分數也控制在國家二類氣外輸標準以下，取得了較好的除硫效果。期間，通過優化藥劑加注量和制度，除硫綜合成本為0.049元/m3（除硫劑成本按照26 000元/t購買，每立方米氣按照1.168元銷售，計算產出氣凈收益2 973萬元，見表4）。

圖3 五種除硫劑試驗效果跟蹤

表4 推廣應用階段效果分析

針對H2S體積分數小于100的含硫氣井，推廣應用階段，有5口井在一定時間內加注除硫劑后產出氣不再含H2S或體積分數小于13，也進一步說明部分氣井產出的硫化氫為次生，采用集中建站的脫硫工藝并不適用，且存在較大的經濟風險；另外7口井除硫效果顯著，綜合成本較低，具有盈利空間。綜合來看，井筒除硫技術在大牛地氣田下古生界低微含硫氣井的應用效果較好。

4 結論

（1）通過建立除硫能力評價和除硫成本評價模型，結合現場試驗數據和配伍性實驗結果可對五種除硫劑進行客觀地評價并優選。

（2）通過優選出性價比最優的除硫劑B，并推廣應用，綜合除硫成本為0.049元/m3，2020年凈收益2 973萬元，具有可觀的經濟效益，實現了大牛地氣田低微含硫氣井產能有效釋放。

（3）根據大牛地氣田下古生界含硫氣井井位分散、低微含硫、硫化氫產出不規律的特點，形成了特色的經濟、有效井筒除硫技術，規避了地面集中脫硫一次性大額投資的風險，對國內類似特征的氣田具有一定的參考意義。