海上含硫气井地面测试流程安全控制技术

陈光峰，卢中原，张兴华，周宝锁，杨歧年，周新宇

1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452

2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452

3.渤海钻探公司第二钻井工程分公司，河北廊坊 065000

1 含硫气井测试的风险

硫化氢是一种剧毒、易燃、易爆的无色气体，相对分子质量34.08，对空气的相对密度1.189，易溶于水[1-2]；硫化氢还是一种神经毒剂，亦为窒息性和刺激性气体，具有臭鸡蛋味，当其质量分数超过50 ppm（1 ppm=10-6），可弱化人的嗅觉神经功能而致死[3-4]。在海上含硫气井测试中，对于地面测试流程而言，主要存在以下三个方面的风险。

1.1 含硫气体泄漏风险

海上平台作业空间较小，物料较为集中，而且地面测试设备摆放紧凑，逃生通道受限。在测试放喷期间，地层含硫流体经三相分离器分离后，其中气体走燃烧臂燃烧处理，液体计量后进地面储油罐存储。含硫气体泄漏主要可能出现在以下几种情况：第一，测试取样期间放压拷克未关严；第二，地面流程发生泄漏；第三，含硫气体燃烧未完全；第四，在将含油污水泵送至环保罐的过程中出现硫化氢泄漏。出现以上情况后，在通风不畅的情况下会造成硫化氢等有毒、有害气体聚集，进而危及海上平台作业人员安全。

1.2 硫化氢对地面流程的腐蚀风险

韦雅珍等通过研究提出硫化氢对金属材料的腐蚀破坏有三种类型：其一，电化学失重腐蚀，这种腐蚀较缓慢，它逐渐导致设备壁厚减小；其二，氢脆，电化学腐蚀产生的氢渗入钢材内部，使材料韧性变差，甚至引起微裂纹，使钢材变脆；其三，硫化物应力腐蚀，它是在拉应力和残余张应力的作用下，由硫化物介质引起钢材氢脆，并导致氢脆微裂纹发展直至材料的破裂过程[3]。鉴于海上测试时间较短，对于硫化氢腐蚀主要考虑氢脆破坏以及应力腐蚀开裂，这两种腐蚀方式容易造成设备减薄、穿孔、甚至爆裂。同时在地面设备和管道中，由于由橡胶、浸油石墨和石棉等非金属材料制作的密封元件易在硫化氢环境中发生鼓泡胀大和失去弹性等情况，因而需要进行地面紧急关井，以更换流程管道中的密封元件。

1.3 水合物堵塞风险

黄船等在现场实践中发现，气井在测试作业时，地层流体在流速变化较大的地方、气体温度较低时易生成水合物，从而导致地面流程的堵塞，影响气井的正常测试[5-6]。姚慧智等经过实验证明：硫化氢浓度越高，水合物生成的温度越高[7]。水合物形成的主要原因是流体在流动过程中由于压力的降低导致温度的降低，即所谓的节流效应。在含硫气井的测试过程中，极易生成天然气水合物，一旦在油嘴管汇及下游管汇中形成水合物堵塞，将导致堵塞段以上的流程压力迅速升高，这一过程具有突发性，若不及时处理，就会导致低压力级别的测试设备（如加热炉和分离器等）泄漏甚至超压爆炸，造成严重的安全生产事故。

2 硫化氢数据监测系统

含硫气体是渤海油田高压深井碳酸盐岩地层中常见的流体，不仅严重威胁着人们的生命安全，造成严重的环境污染，还给金属设备带来严重的腐蚀破坏。传统的便携式检测仪以及监测探头已不能满足现场安全环保的需要，为了实现对地面测试流程的安全控制，必须采取实时、准确的数据监测手段，这样才能够识别风险，从而在风险刚出现时立即采取安全控制措施。

2.1 地面流程中硫化氢在线监测

硫化氢在线监测的工作原理是把需监测硫化氢的工艺流体压力降低到10 psi（1 psi=6.896 kPa），然后用一个精密的流量计调节样品流量，使样品流过专用的醋酸铅测试带，通过光电二极管检测器和LED 光源发光系统产生输出信号，再经数字化和分析后，以4～20 mA 的电流线性输出。LCD 显示器可显示当前读数、报警状态、程序提示（就是标定程序）以及故障指示。在地面流程中引入硫化氢在线监测技术，通过专用取样管路将测试流程中的含硫气体引入硫化氢在线监测装置，进而实时测量天然气中的硫化氢含量，测量范围在1ppm～100%（质量分数）。硫化氢在线监测取样点位置应尽可能接近监测装置，以减少时间延迟和样气在取样管中由衰减因素造成的监测误差。由于流体介质经分离器分离后较为单一，且经过安装在分离器气出口丹尼尔流量计处的稳流器后，气体的流态和流速较为稳定，在现场实际应用中，通常选取分离器气出口作为取样点。经过监测的样气通过排放管道排放至平台舷外，进入燃烧系统进行燃烧处理。

2.2 井场环境中的硫化氢含量监测

为了更好地监测井场环境中硫化氢的含量，通过在测试作业现场设置硫化氢监测仪与数据采集系统装置，共同组成环境中硫化氢含量的监测系统。在井口、分离器和和密闭罐等有作业人员操作的区域，安装硫化氢等有毒有害气体监测仪[8-9]，通过监测仪检测环境中的硫化氢浓度。当检测到的硫化氢质量分数超过10 ppm，硫化氢监测仪会发出声光报警进行警示，并将报警电信号同步传输至数据采集系统。

2.3 流程多节点安全监测

为应对水合物堵塞等风险，应用数据采集系统、含砂量在线监测系统和振动在线监测系统实时监控地面流程关键点的压力和温度、地层出砂和流程振动情况，并实时绘制动态曲线，供操作人员掌握在测试放喷过程中地面流程管道相应数据的变化规律。若遇到流程超温、超压、水合物堵塞、出砂冲蚀、强烈振动、泄漏等问题，通过多节点的安全监测，可及时发现并采取应急措施来确保测试作业满足环保和生产安全要求。

3 安全控制系统

3.1 优选地面设备管道及密封元件材质

鉴于硫化氢腐蚀性强的特性，张明江等指出，在选择测试地面设备和管道时应充分考虑其材质能否防止硫化氢腐蚀[10]。对于地面测试设备中的井口控制头、地面油嘴管汇和地面安全阀等主要控制设备，通常采用EE 级或以上级别的材质；对于地面测试流程管道的连接，宜采用法兰连接以提高其耐温能力，同时采取金属密封元件取代测试时常规使用的橡胶件密封，避免了因硫化氢腐蚀使橡胶失去弹性而导致密封失效的风险。同时在测试准备期间，对地面关井压力进行预测，根据所预测的地面关井压力，选择设备额定工作压力不低于预测的最高地层孔隙压力的1.2 倍，从而达到实现安全控制的目的。渤海油田目前含硫气井测试用的高压端设备基本都按照15K（15 000 psi）的高压级别进行选用，流程管道采用防腐硬管，并在流程上的直角部分采用加厚弯头代替常规弯头，从而提高了安全性。

3.2 多级节流控制

在海上含硫气井测试过程中，多级节流控制技术的应用效果极佳，对地面流程的控制实现了双层保障。含硫气井测试时，通常井口流动压力较高，测试期间采用15K 高压等级的远程控制动力油嘴和油嘴管汇的组合进行多级节流[11-12]，在实现地层流体平稳地从高压降至低压的同时，可降低现场作业人员频繁出入高压危险区、高硫化氢区调整或更换油嘴的频率，同时减少因手工更换油嘴而产生的硫化氢等有毒、有害气体的排放，降低了硫化氢聚集的可能。

3.3 水合物控制

王世泽等通过对气井水合物生成机理的研究指出，水合物的生成条件属于热力学相态的研究范畴，其形成主要与压力、温度和天然气的组分有关[13]。对于同一天然气组分，压力越高形成水合物的温度越高，而且在常压下每一种气体均有形成水合物的临界温度值，其具体参数见表1。对于海上平台测试而言，天然气到达地面后，经过多级节流操作（如油嘴管汇、放压拷克、应急关断等），压力下降，进而引起温度下降，当温度低于天然气形成水合物的临界温度，则会在测试管道中形成水合物。

表1 各种气体形成水合物的临界温度

为了有效地抑制水合物的生成，主要通过注入化学药剂来抑制和采用升温法来提高地层流体温度。在海上油气测试过程中，采用升温法对地层流体进行加热，其操作简单方便且成本低。对于升温法的实施，一是采用海上平台现有的海水资源对易结冰的管道及弯头处进行冲洗升温，二是采用蒸汽锅炉产生的蒸汽对流程各个可能生成水合物的关键部位进行加热，并利用热交换器对从节流管汇流出的天然气进一步加热，提高天然气流体温度，再配合同心加热管加热节流前的地层流体，使天然气节流降压膨胀后的温度高于生成水合物的临界温度，从而达到抑制水合物生成的目的。当单独采用升温法无法抑制水合物生成时，还需通过化学药剂注入泵向天然气中注入化学药剂来协助抑制水合物的生成。测试期间根据需要，通常在地面测试树流动翼阀和油嘴管汇上游数据头处设置化学药剂注入接口，通过注入化学药剂降低水合物的稳定温度，分解产生的水合物。

3.4 应急关断控制

当流程出现泄漏、超压等其他意外情况时，快速关断井口从而切断地层流体来源是防止事态进一步恶化的有效措施[14]。海上含硫气井测试需要在测试地面流程中配置应急关断控制系统，以实现对紧急事件的快速响应。该系统主要包括：井口控制头生产液动阀、地面安全阀、液压控制面板、ESD远程手动控制按钮和高/ 低压传感器。通常ESD远程手动控制按钮设置在测试设备操作区、测试区域出口、钻台司钻房等易操作位置，一旦出现紧急情况，方便操作者进行应急操作，其平均关断响应时间小于4 s。高/低压传感器则安装在流程管道和压力容器上，安装前预设高压/低压，一旦流程中压力高于或低于传感器所设置的压力时，传感器即可传递压力信号至液压控制面板，实现瞬时关井，其安装位置见图1。另外液压控制面板和ESD远程手动控制按钮均可实现人工干预，可根据现场实际需要，选择开启或者关闭[15]。

3.5 施工环境安全控制

由于作业空间受限，因此在海上含硫气井测试期间保障作业区域的环境安全至关重要。根据求产和测试取样的需要，现场要经常进行油嘴和孔板的更换、取样针阀的开关等操作，在操作过程中，必然会出现硫化氢等有毒、有害气体的泄漏，在通风不畅的环境中，硫化氢很容易发生聚集进而引发人员中毒事件。为了保障操作人员安全，在油嘴管汇井口区、分离器取样口、地面存储密闭罐和环保罐输油等易于聚集硫化氢的区域设置气动防爆风扇，保持作业空间处于良好通风状态，可以有效防止硫化氢气体的聚集。

图1 应急关断系统布置

3.6 气液分离后的硫化氢实时处理

测试期间，地层流体经三相分离器分离后，含硫天然气进入燃烧臂燃烧处理，液体则进入密闭罐存储。但液体中往往会含有一定的硫化氢溶解气，它也会进入地面存储设施，溶解有硫化氢的液体会对存储设施造成腐蚀，而且在泵送液体至环保罐的过程中会伴随有硫化氢气体逸出，对操作人员的人身安全造成威胁。为解决这一安全隐患，含硫气井测试时需要在地面测试流程中配套设置硫化氢实时处理装置，利用该装置在地面测试流程中连续添加硫化氢捕捉剂，使其与气液分离后液体中溶解的硫化氢进行反应，从而实现地层产液中溶解硫化氢的实时处理[16-20]，处理流程见图2。

硫化氢实时处理装置由化学注入泵、高压泵入管道和除硫混合器三部分组成。其中除硫混合器（见图3）连接在分离器油路出口处，通过化学注入泵向除硫混合器内泵入硫化氢捕捉剂，使之与地层产出液混合反应。硫化氢捕捉剂注入方向与分离器油路内液体流动方向垂直，以利于捕捉剂与硫化氢反应[19]。

图2 硫化氢实时处理示意

4 应用实例

海上含硫气井测试地面流程安全控制技术在渤海油田潜山深层含硫气井测试中的应用效果显著。BZ22-X-X 井为潜山构造上的一口预探井，该井钻进至古生界潜山4 611.00 m 完钻，在前期钻井期间发现地层流体中含有硫化氢。测试作业期间采用地面流程安全控制技术进行控制，通过硫化氢实时在线监测系统测得硫化氢质量分数最高为172 ppm，结合安全控制系统，通过对硫化氢进行实时处理，将液体中的硫化氢质量分数降至10 ppm 以下，有效地降低了硫化氢等有毒、有害气体给现场作业留下的安全隐患，成功地获得了40 万m3/d 的天然气产能，同时取全、取准了资料，突破了渤海深层含硫化氢气井的勘探技术瓶颈。

图3 除硫混合器

5 结论和建议

（1）渤海潜山构造含硫气井地质条件复杂，成藏条件多样，生烃常伴随有高温、高压及含硫化氢等有毒、有害气体，是深层潜山构造含硫气井测试的主要难题。该难题的攻克，为海上含硫气井测试节约了大量作业成本和安全环保成本。

（2）针对地层流体含硫化氢等有毒、有害气体的特点，结合受限的海上平台空间，优化设计了全套安全控制系统，并与硫化氢数据监测系统相结合，真正实现了地面测试流程的安全控制，降低了硫化氢等有毒、有害气体对现场作业人员造成伤害及腐蚀设备的风险，保障了测试作业的安全。

（3）虽然目前地面测试流程的安全控制技术已较为成熟，但是海上含硫气井测试作业风险依然很高，一旦发生硫化氢泄漏事故，对财产和现场作业人员的安全都将造成极大的威胁。因此，在海上平台现场实际应用硫化氢数据监测系统时，还应建立相应的作业程序、保障措施及应急预案，这样才能进一步提高海上含硫气井测试的安全系数。