海上稠油熱采開發(fā)硫化氫影響方案研究

陳文峰、王志祥、張姝妍、孫為志、王東

（海洋石油工程股份有限公司設計院，天津 塘沽 300451）

1 引言

渤海稠油儲量巨大，已發(fā)現(xiàn)的渤海灣稠油存儲量占該海域原油存儲量的85%，其中，渤海灣原油粘度大于400cp的稠油已探明儲量5.6億噸[1]。而海上稠油熱采大規(guī)模開發(fā)自2017年剛剛起步，目前稠油熱采技術尚不成熟，尤其是在油田經(jīng)過前期的蒸汽吞吐開發(fā)后，采收率逐步降低，后續(xù)需采取蒸汽驅輔助開發(fā)，蒸汽驅階段油氣中可能含有高濃度硫化氫和二氧化碳，高濃度硫化氫和二氧化碳會對設備、閥門等設施帶來嚴重腐蝕。

本項目是首個海上開展蒸汽吞吐轉蒸汽驅生產(chǎn)的項目，缺乏井口物流中硫化氫、二氧化碳的含量數(shù)據(jù)。需要結合陸地油田蒸汽驅開發(fā)經(jīng)驗數(shù)據(jù)開展研究，以確定井口物流中硫化氫、二氧化碳的含量數(shù)據(jù)，以便為整個工藝流程設備材料選型、蒸汽鍋爐等燃油燃氣設備的適應性及人員安全防護的影響提供設計依據(jù)。

2 硫化氫產(chǎn)生機理

研究認為稠油熱采開發(fā)過程中硫化氫產(chǎn)生機理主要有兩個方面：含硫有機化合物熱裂解（TDS） 產(chǎn)生硫化氫，硫酸鹽熱化學還原反應（TRS）產(chǎn)生硫化氫[2]。

含硫化合物（硫醇、硫醚等）的熱裂解TDS，硫醇對熱不穩(wěn)定，分子量較大的硫醇甚至在100℃以下即可分解，一般超過300℃硫醇就已經(jīng)完全分解；硫醚熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性較好，在加熱條件下（400℃），烴基硫醚的S-C鍵將產(chǎn)生分裂，生成硫化氫[3]。

硫酸鹽熱化學還原反應（TRS），在深部碳酸鹽巖儲層中，高溫高壓條件下（120℃以上）硫酸根離子與烴類之間可發(fā)生氧化還原反應，在這個過程中，硫酸根離子被還原成硫化氫等[3]。地層中含硫礦物也會在熱采時的高溫和水作用下可發(fā)生分解反應生成硫化氫。蒸汽吞吐階段由于蒸汽間歇性地注入油藏，油藏溫度較蒸汽驅低，水熱裂解作用較為緩慢，硫化氫含量較低。在蒸汽驅階段，硫化氫含量隨著熱連通轉向熱驅替含量逐漸上升。

3 方案設計

本項目為海上首個先期蒸汽吞吐，后期轉蒸汽驅稠油熱采項目，前7年采用蒸汽吞吐方式開采，7年后采用蒸汽驅方式開采。注熱周期17～24天，燜井5天，放噴12天，單注熱輪次平均生產(chǎn)周期約為300天。蒸汽吞吐階段井口過熱5℃，蒸汽驅階段需干度為100%。

3.1 工藝流程

蒸汽吞吐階段，單井經(jīng)過注熱后，需要對單井井流進行放噴，放噴流程為：井口物流經(jīng)放噴管匯匯合后，經(jīng)放噴分離器進行氣液分離，分離出的放噴氣送至閉排兼冷放空系統(tǒng)，分離出的液體匯入生產(chǎn)管匯。

圖3-1 主工藝流程圖

放噴結束后，需要計量的單井井物流經(jīng)計量管匯進入測試加熱器加熱后，送至測試分離器計量。正常操作流程下，井流進入生產(chǎn)管匯后，進入換熱器進一步換熱，以提高井流溫度，便于下一步分離，然后進入生產(chǎn)分離器，生產(chǎn)分離器分出的油相通過原油外輸泵打入下游中心處理平臺進行進一步處理，生產(chǎn)分離器分出的生產(chǎn)水經(jīng)旋流除砂后，主要用于射流泵動力液，分離出的氣相供鍋爐及主機使用。

3.2 硫化氫、二氧化碳濃度確定

調研了遼河油田、勝利油田典型熱采井。根據(jù)開發(fā)方式、油品物性等參數(shù)，選取遼河油田某典型區(qū)塊熱采井與本項目熱采井的基礎數(shù)據(jù)做對比，如表3-1所示。該熱采井伴生氣中硫化氫含量在1000-4500ppm，二氧化碳含量在28%-49%。

表3-1 遼河典型熱采井與本項目熱采井基礎數(shù)據(jù)

地面原油粘度越低、含硫量越小、設計井距越大、加熱區(qū)平均溫度越低，注汽強度越小，則硫化氫形成難度越大。降粘率越小、注氣強度越大、加熱區(qū)平均溫度越低，則二氧化碳形成難度越大。從表3-1可知，本項目熱采井的硫化氫、二氧化碳的含量會低于該陸地油田熱采井。

根據(jù)陸地稠油熱采情況，次生二氧化碳濃度上升主要發(fā)生在轉蒸汽驅生產(chǎn)6～7年之后?？紤]到本項目儲層以砂巖為主，蒸汽驅生產(chǎn)6～7年（投產(chǎn)14～15年之后），已接近項目經(jīng)濟年限，結合項目經(jīng)濟性，選取井口物流硫化氫濃度1300～5000ppm、二氧化碳含量30mol%為設計依據(jù)，開展平臺流程設計和防腐設計。

3.3 硫化氫、二氧化碳和二氧化硫擴散分析

在蒸汽驅階段，平臺伴生氣處理合格去熱油鍋爐燃燒。當伴生氣處理不合格和火災工況等應急工況時，伴生氣去火炬放空燃燒。由于伴生氣處理不合格連續(xù)泄放量較小，不是火炬臂定尺決定工況，選用火災工況緊急泄放進行燃燒后二氧化硫擴散分析及火炬未燃時硫化氫、二氧化碳擴散分析，泄放量為8774Sm3/h。

圖3-3 伴生氣應急放空硫化氫擴散分析

圖3-4 伴生氣應急放空二氧化碳擴散分析

根據(jù)計算分析結果，如圖3-2、3-3、3-4所示，選取火炬臂長度50米、傾角45度，火炬頭高度69米。擴散分析顯示，高度在66m以下為放空安全區(qū)域，即頂層甲板以上35.5米的范圍均為安全區(qū)域，而此處不存在員工作業(yè)情況，滿足要求。此外，直升機甲板標高為47米，修井機有人值守操作的房間及甲板均在66米以下，無二氧化硫、硫化氫、二氧化碳擴散風險。

圖3-2 伴生氣燃燒后二氧化硫擴散分析

3.4 人員防護

高濃度H2S和CO2會對平臺上操作人員帶來較大危險，所以，需要做好平臺人員的防護、救護及制定出合理的相關配套方案。

⑴含硫化氫平臺人員防護和救護

按定員100%配備正壓式空氣呼吸器，另配20%的備用氣瓶及1臺呼吸器空氣壓縮機。配備2至3套便攜式硫化氫探測儀、1套便攜式比色指示管探測儀和1套便攜式二氧化硫探測儀。此外，需在已知存在硫化氫的生產(chǎn)裝置上，安裝硫化氫報警裝置。設置防硫化氫臨時集合區(qū)，配備具有醫(yī)生執(zhí)業(yè)資格的專職或兼職醫(yī)務人員。應配備具有基礎醫(yī)療搶救條件的醫(yī)務室；配備氧氣瓶、擔架、心肺復蘇器等；此外還需配備硫化氫中毒的常用藥品，如二甲基氨基酚溶液、亞硝酸鈉注射液硫代硫酸鈉、維生素C、葡萄糖等。

（2）配套方案

在蒸汽吞吐階段預留轉驅后需配置的空氣供給站、壓縮機的布置空間，如表3-2所示：

表3-2 主要安全防護設備配置方案

蒸汽吞吐階段在平臺井口區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、房間通風入口均配置H2S探頭。轉蒸汽驅后結合實際情況進行補充。

轉蒸汽驅后考慮將生活樓餐廳作為防硫化氫應急集合區(qū)，臨時集合所應該按照定員每人0.5m2考慮，設置密閉門。在蒸汽吞吐階段餐廳按照密閉門進行設計，采取集中供氣的方案預留至餐廳的管線接口。

3.5 材料選型

由于井口物流中含有硫化氫及二氧化碳，這就對整個流程的設備及管線材質提出了更為苛刻的要求，選材原則如下：井口至生產(chǎn)分離器及測試系統(tǒng)材質為碳鋼，腐蝕余量為6mm，生產(chǎn)分離器水相后序流程材質為碳鋼，腐蝕余量為4.5mm，其他系統(tǒng)材質為碳鋼，腐蝕余量為3mm，如表3-3所示：

表3-3 平臺材料選型

3 分離器油相出口后原油系統(tǒng)（含燃料油）、伴生氣系統(tǒng) 碳鋼+3mm腐蝕余量4外輸泵、海管 碳鋼+3mm腐蝕余量5井口至外輸泵整個原油系統(tǒng)（包括燃料油）、測試系統(tǒng)、燃料氣、火炬系統(tǒng)、生產(chǎn)水系統(tǒng)及海管按照抗硫化氫設計儀表、閥門 與管線材質選型保持一致7 H2S探頭 井口區(qū)、生產(chǎn)區(qū)配置H2S探頭6

4 結束語

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，作為工業(yè)血液的石油需求量越來越大，這就必然伴隨著海上稠油的大規(guī)模開發(fā)。本文從更加經(jīng)濟、合理的方面對轉蒸汽驅之后井口物流中硫化氫、二氧化碳含量，伴生氣燃燒后SO2、H2S、CO2擴散，人員防護，平臺設備、管線等的材質選型原則做了充分研究，為以后的海上稠油熱采開發(fā)項目提供重要參照。