含硫气田开发安全环保主要影响因素及应对措施

李咏洲 周俊骅 李寿军 杜 磊

（1.中国石油西南油气田公司，四川 成都 610051；2.中国石油东方地球物理公司西南物探研究院，四川 成都 610000）

0 引言

我国含硫天然气资源丰富，硫化氢含量大于1%的气田约占全国天然气储量的1／4。主要分布在四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地以及南海崖13-1气田等［1］。其中以四川盆地最为丰富，目前其探明储量已超过1×1012m3［2］。近十年来，随着龙岗、普光、罗家寨、黄龙场气田的成功投产，四川盆地高含硫气田勘探开发取得重要突破，在川南片区、川西北片区、川中油气区、川东北片区均有气田发现［3-4］。这些高含硫气藏具有埋藏深（圈闭平均深度达5 000 m）、地质条件异常复杂、富含硫化氢和二氧化碳等特点，气藏勘探开发不仅存在诸多技术难题，也面临严峻的环保安全挑战。

1 含硫天然气性质及危害

从表1的川东北地区含硫气井天然气组分中可以看出，含硫天然气中富含硫化氢和二氧化碳，除具备一般气田所具有的甲烷爆炸、窒息等危险，还具备以下危害：

表1 川东北地区部分典型含硫气井天然气组成表

① 硫化氢在空气中的爆炸极限范围为4.3%～46%，当其在空气中的浓度达到150 mg／m3时即可对生命和健康造成不可逆转的影响。

② 含硫天然气放空燃烧产生的二氧化硫，动物长期吸入后会导致肺功能衰竭，严重者将窒息死亡，植物长期吸收二氧化硫后将影响其生长；二氧化硫与大气中的水结合形成酸雨，酸雨将导致土壤酸化，水体酸化，同时破坏人文景观。

2 含硫气田开发安全环保主要影响因素

2.1 地质灾害

以川东北地区为例，在米仓山构造带、大巴山构造带、川中构造带（图1）的相互作用下形成了地势崎岖、山坡起伏的地貌，由于构造作用明显且降水充沛，导致该地区灾害频发，以暴雨洪灾、泥石流、滑坡等尤为突出［5］。复杂地形也为事故发生后的应急响应和排险抢修造成不便。一是受制于地形条件和交通状况，某些生产井或者输气管线发生事故后大型抢险机具无法第一时间到达现场。二是由于硫化氢密度大于空气，部分山谷、低洼地区若发生天然气泄漏，会造成聚集硫化氢，增加抢险难度。此外，四川盆地内还分布有松潘地震带、攀西地震带和龙门山地震带等多条地震断裂带，盆地整体属于地震灾害高发区。

图1 川东及川东北地区构造图

2.2 管道腐蚀

当天然气中硫化氢含量超过20 mg／m3时，若其中还含饱和水，管道内壁将发生电化学腐蚀和硫化物腐蚀开裂［6］。电化学腐蚀会导致管壁减薄和点蚀等局部腐蚀破坏，而硫化物腐蚀开裂会造成管道无征兆突然破裂，造成难以预估的损失。另外，水与二氧化碳生成碳酸将进一步腐蚀管线。油气井开发设施及集输管道均在变动的高压下工作，这种情况更容易产生腐蚀疲劳［7］。

2.3 危废物品

含硫天然气在勘探开发过程中，还要产生主要包括硫沉积、废脱硫剂、气田水在内的危废物品，也对环境安全造成威胁。

1）硫沉积：含硫天然气中含大量酸性气体，元素硫会以各种形式溶解在气体中，当元素硫在天然气中达到饱和、温度低于硫凝固点以及硫颗粒高速碰撞均会产生硫沉积［8］。在地层中发生硫沉积将导致储层堵塞，减少产量甚至停产。若发生在集输系统，将导致管线堵塞、腐蚀，生成硫化铁。

2）废脱硫剂：目前工业上常见的天然气脱硫工艺主要有干法脱硫和湿法脱硫两大类［9］。以干法脱硫工艺为例，CT8-4、CT8-4A、CT8-4B是目前在四川常用的氧化铁脱硫剂［10］。脱硫剂是以Fe2O3为主的一种混合物，失效后产生的废脱硫剂成分复杂，主要有单质硫、有机硫化物和无机硫化物等，其中最主要的成分是硫化亚铁。硫化亚铁燃点仅为40℃，属于易燃物质，在处理过程中，极易自燃，引发火灾和爆炸，燃烧过程中产生的二氧化硫等有毒气体，对环境和人体有害。

3）气田水：高含硫气井采出水通常具有高水气含量、高硫化氢浓度、高化学需氧量（COD）、高固体悬浮物（SS）、高石油类污染物等特点［11］，并且兼具酸性和弱腐蚀性，如处理不当会析出硫化氢危害环境及人，渗入地层导致地下水污染。

2.4 人为因素

随着油气田行业的整体技术进步和自动化技术的普及，气田生产已可以部分甚至全部实现自动控制，在事故状态下可实现自动切断和紧急关闭。尽管如此，日常的生产运行依然需要靠人去操作，在这过程中，或由于人的疏忽大意、图省事，进行违章作业，或由于意识不强、思想麻痹，不知晓相关威胁，或由于技能不够，无法正确处理问题，这都可能将导致事故发生甚至扩大影响。

3 应对措施

3.1 地质灾害应对

3.1.1 站场选址

1）在满足钻探地质目标的基础上，避免地质灾害高发区，特别要避开前缘开阔的山坡，河流、沟谷的斜坡和公路边坡等位置。

2）工程建设上，最适合在地势平坦之地设置站场，但四川盆地油气探区多在山区，很难找到平坦之地，因此在实际建设过程中，建议站场沿等高线修建，减少高差造成的支护工程量，若站场地势较为陡峭，则可采用台阶式布置，减少土石方工程量。

3）交通方面，相对于地势平坦、位于山顶交通不便处和地势起伏、位于主要道路附近的位置，在保证安全的情况下，尽可能选择后者，利于后期日常维护和第一时间的应急响应。

3.1.2 提升抗震能力

四川盆地地震断裂带分布范围广且与气田分布范围多有重合，因此在进行含硫气田的开发设计时适当提高其抗震等级并留有一定的安全余量。此外，还应采用更加安全可靠的应急技术手段保证气田在地震发生的第一时间自动关闭，最低限度地降低毒性气体对周围环境的影响。

3.1.3 应急物资准备

地质灾害的发生具有不确定性和不可预见性，在应急物资准备上需要做到效率最高，资源最优。因此，建议将其与普通物资区分管理，建立专门的应急物资库房，其选址应在更利于突发情况发生时迅速提供物资保障的地方（表2）。

表2 应急物资管理与普通物资管理差异表

3.2 管道防腐

1）采用内壁防腐技术提高管输效率和管道寿命。具体办法可通过对管道内壁喷涂环氧树脂和环氧粉末，避免腐蚀物聚集，其次可采用缓蚀剂减缓或抑制管道内的含硫介质对管材的腐蚀［12-13］。

2）脱去多余的水，防止管道发生电化学腐蚀和硫化物腐蚀开裂。但若将三甘醇脱水法用于含硫气脱水，必然会产生以下问题：三甘醇在PH值为8.5的条件下才能有效脱水，酸性的硫化氢会溶于三甘醇中，降低脱水效果；硫化氢与三甘醇反应后导致三甘醇降解变质；上游气量波动，会携带三甘醇进入输气管线，为腐蚀提供介质。因此可采用固体吸附法脱水，该法是利用干燥剂表面的吸附力将天然气中的饱和水脱去，其中耐酸分子筛适用于含硫气田，其脱水后干气露点低于-50℃。分子筛脱水分为湿气再生和干气再生，湿气再生脱水深度低，因此建议采用干气再生法。

分子筛脱水装置需设置两个塔，一个塔进行脱水，另一个进行再生（加热）与冷却，切换操作即可保证连续运行（图2）。但分子筛在实践中也存在设备投资和操作费用昂贵的问题，在满足相同露点的情况下，建立一座2.8×105m3／d的脱水装置将比三甘醇脱水装置多出53%的费用［14］。因此可考虑在含硫天然气进入集输干线前设置分子筛脱水装置。

图2 分子筛脱水流程图

3.3 危废物品处理

3.3.1 硫沉积处理

通过实际情况调研发现，应用硫溶剂是防治硫沉积最有效的方法，它是将元素硫与输送管道内壁的接触面降到最低，使其始终保持气态。硫溶剂分为物理溶剂和化学溶剂。物理溶剂以烃油类硫溶剂最为常用，但其能力较弱，适用于硫沉积较轻的管线；化学溶剂以二甲基二硫（DMDS）效果最佳，该溶剂沸点仅为107℃，因此可用于硫沉积严重，但温度低于100℃的位置。此外采用硫溶剂还可维持集输系统温度，使硫元素处于气态，减小压力降，避免元素硫与其他杂质产生高速碰撞，从而进一步预防硫沉积。

3.3.2 废脱硫剂处理

废弃脱硫剂主要成分是硫化亚铁（FeS），干燥的硫化亚铁兼具污染性、毒性和极易自燃性。通常在脱硫塔底回收硫化亚铁时，应开启喷淋装置令硫化亚铁处于潮湿状态，避免其自燃，同时防止高温下的废脱硫剂分解产生有毒气体。

废脱硫剂处理目前有酸洗法、化学抑制法、氧化剂法和中和法等。中和法是天然气净化处理站目前常用的处理方法。天然气处理站在对废脱硫剂回收后首先进行成分化验，然后按照一定比例向其中加入生石灰（CaO），最终生成化学性质稳定、对环境无毒害的物质硫酸钙（CaSO4）。

3.3.3 气田水处理

含硫气田采出水污染性强、污染物成分复杂，通常采用回注、达标后排放和综合利用等方式进行处理。其中，气田水回注是常用且较成熟的处理方式，即在对污水进行综合处理后，使COD、SS等污染物指标达标后回注地层（图3）。污水处理过程中还要特别注意罐、泵、阀门的防渗漏监测，必要时可设置围堰和临时集水坑，防治气田水二次泄漏。

图3 气田水回注流程图

3.4 人员培训与管理

含硫气田的开发危险系数高，首先要对作业人员进行有针对性的专业知识培训，使操作者充分掌握专业技能。其次是要梳理含硫天然气开发中的工艺技术，编制相应的操作手册和规章制度；最后，根据制定的操作手册和规章制度，按照“缺什么补什么”的原则，对员工开展针对性培训。

对已经掌握了相关技术的人员，还应进一步加强安全意识教育：① 思想认识教育。要使员工充分认识到含硫天然气，特别是硫化氢的危险性，要在内心深处树立牢固的安全意识。② 事故案例讲解与再现。通过触目惊心的具体案例和情景再现使技术人员和操作人员对从事行业的危险性和专业性进一步加深认识，并在内心深处形成遵章守规的思想。③ 本岗位隐患识别。以岗位安全隐患识别为契机，使员工认识到安全掌握在自己手中，提高安全的“主人公”意识。④ 提升执行力教育。执行力是一切制度的前提，没有执行力，制度就是空谈，因此要在员工执行力提升上多下功夫，避免出现安全生产经营“两张皮”。

4 结束语

含硫天然气所含有的硫化氢是一切安全环保问题的根源，其勘探开发企业面临常规油气藏更高的风险和管理难度，如果技术不够、管理不当、应对措施不当将会引发严重的环境、社会风险。因此气田开发企业应当充分认识到高含硫天然气的危险性，从硫化氢危害防治入手，不断提高自身管理能力和专业技术水平，完善应急保障体系，确保气田安全生产。