热采伴生硫化氢防治方法与安全风险管控

刘二平

（中国石油辽河油田分公司安全环保技术监督中心，辽宁 盘锦 124010）

1 研究背景

硫化氢是一种无色、剧毒、具有臭鸡蛋气味的酸性气体。当人体吸入少量高浓度的硫化氢即可在短时间内致命[1]，硫化氢的职业接触限值为 10 mg/m3。在油田稠油开采过程中，需要对稠油注入蒸汽进行加热，从而降低黏度使稠油具有一定的流动性[2]，在这一蒸汽加热过程中会使地层产生大量的硫化氢[3]。随着油田开发深入进行，辽河油田的多个稠油热采区块都出现了大量高含硫化氢的油井[4]。个别油井套管气中硫化氢含量大大超出国家规定的最高容许含量，不仅造成油井、管线等的腐蚀，影响油井正常生产，而且严重威胁油井作业人员的生命安全和周边居民的正常生活状态。

国内辽河、胜利、新疆等稠油开采企业安全生产面临的主要问题之一，就是稠油热采时伴随产生的硫化氢危害，热采产生的硫化氢具有成因复杂、分布范围广、生成浓度高、危害性大等特点。目前防治方法主要是通过在地面建立吸收装置采用“干法”或者“湿法”进行脱硫处理，而对井筒内以及地层中硫化氢气体则缺少行之有效的处理办法，许多油井由于硫化氢在井筒内和井底地层附近的聚集造成井底管柱腐蚀加剧设备损坏，因此迫切需要一种从硫化氢产生源头开始，各生产关键节点全覆盖的本质安全防控方法。

2 硫化氢三位一体防治技术

2.1 地层抑制技术

对于蒸汽驱、SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage,重力辅助卸油）、火驱开发的井组，由于地层温度高达几百摄氏度，超高的温度导致油井套管气中伴随产生大量的硫化氢。通过研究发现，提高地层流体中的pH值，可以导致生成硫化氢反应的电离平衡被打破，使得反应趋向于减少硫化氢生成的方向进行，进而抑制硫化氢的产生，另外碱性溶液环境也会增强硫化氢的溶解作用。按照超前防治的理念，在一些蒸汽驱注入井采取了在蒸汽中伴注碱性溶液的办法实现了从源头上控制硫化氢的生成，现场试验表明在蒸汽注入井中实施硫化氢抑制后，对应采油井的硫化氢浓度下降了50%，取得了初步的试验效果。

2.2 井筒处理技术

为解决井筒内硫化氢聚集造成井筒管柱腐蚀、设备损坏等井下工艺问题，采取了井口滴注脱硫剂的方式对井筒硫化氢进行了处理。该工艺是在井口附近安装一密闭容器加药装置，采用小型计量泵向油套环空进行点滴注入的方式开展硫化氢消除作业，现场试验表明在单井每天泵注脱硫剂N-甲基二乙醇胺溶液20 L情况下，单井硫化氢浓度即可由7 000 mg/m3下降至0，硫化氢消除效果较为显著。

2.3 地面脱硫技术

干法脱硫是利用气/固相接触后，固态脱硫剂与气态硫化氢反应生成固态硫的原理进行脱硫的工艺，其特点是工艺简单，脱硫效率高，可用于原料气体中硫化氢含量不太高或者需要满足深度脱硫的工艺需求，是目前最为成熟也是被应用最广泛的脱硫工艺。干法脱硫按照脱硫剂的不同，分为克劳金法、单金属氧化物法、复合金属氧化物法以及吸附法，其主要缺点是处理原料气的量不宜过大，气体中硫化氢浓度不宜过高，否则无法达到较好的脱硫效果。根据现场实际情况，最终确定了脱硫效率高、经济效益相对较好的氧化铁干法脱硫工艺，该工艺采用无定型羟基氧化铁为填料的吸收塔对气体进行脱硫处理，根据原料气数量的不同，设计了双塔或三塔串联工艺，多塔串联工艺脱硫效率更高，安全性更好，并且在进行填料更换时，可逐塔进行，不需要中断生产。

3 采油作业现场硫化氢风险管控模式

3.1 基于本质安全理念的全密闭油井作业模式

为了实现含硫化氢油井作业安全零事故的目标，在含硫化氢油井作业时采用了基于本质安全理念的全密闭油井作业新模式。具体做法是在油井作业前先用洗井液进行洗压井，根据硫化氢易溶于水的特点，让洗井液充分吸收井筒内的硫化氢气体，同时为防止作业过程中井筒底部硫化氢上窜，在井口安装单闸板防喷器，并在上部依次安装可控起下抽油杆装置、油管自封装置、水循环设备，实现油井起管杆时整个油套环空处于密封状态，同时利用井口自封装置的密闭空间形成水流隔层实现隔离、吸收硫化氢，达到全密闭作业状态。

3.2 基于硫化氢分布规律研究的油井安全分级管理

研究表明硫化氢生成浓度与注蒸汽时间、注蒸汽温度、注蒸汽量等因素有关，蒸汽驱开发投产时间越长，注蒸汽强度越高，注蒸汽后地层温度压力越高的汽驱井组，硫化氢浓度也相应越高。为确保油气生产系统安全全面受控，辽河油田建立了有毒气体数字化在线监测系统，通过安装在油井井口的硫化氢自动检测装置，实现了对油井硫化氢浓度的实时在线监测。依据监测浓度对硫化氢防控实施3级管理，硫化器Ⅰ级风险管理：硫化氢浓度高于1 500 mg/m3的油井；硫化氢Ⅱ级风险管理：硫化氢浓度低于1 500 mg/m3，高于300 mg/m3的油井；硫化氢Ⅲ级风险管理：硫化氢浓度低于300 mg/m3，高于15 mg/m3的油井。对于不同级别的含硫化氢油井采用不同色系的上锁挂牌管理制度，并在油井醒目部位用不同颜色、不同方式设置安全警示标识，红色代表一级管理，黄色代表二级管理，蓝色代表三级管理。

同时按照分级管控要求，在油井更换密封圈、油井取样、油井进行功图液面测试等生产运行维护工作中，对于硫化氢一级风险管理井要求操作工作必须由采油区队干部进行，由作业区业务主管副区长、作业区安全组组长进行全过程监护；对于硫化氢二级风险管理井要求操作工作必须由班组长实施，由作业区队干部、作业区安全组成员进行全过程监护；对于硫化氢三级风险管理井可以由岗位员工操作，班组长在旁监护。

4 结论

1）稠油热采伴随产生的硫化氢是危害油井安全生产的主要因素之一，随着油田开发地不断深入，硫化氢防治问题愈发突出，实践证明，辽河油田提出的地层抑制、井筒处理、地面脱硫三位一体硫化氢防治理念科学合理，现场应用数年来未发生一起硫化氢中毒等安全事故，实际防治效果较为突出。

2）通过创新研制新型作业设备，使油井起管杆时整个油套环空处于密封状态，同时利用井口自封装置形成水流隔层，实现对井筒硫化氢的隔离与吸收，达到全密闭作业状态，实现了含硫化氢油井作业的本质安全。

3）基于硫化氢分布规律的研究，提出了含硫化氢油井分级管理理念，让安全责任落实到了具体人员，杜绝了不具备相应素质的人员出现不安全行为的可能。