石油与天然气化工  2015, Vol. 44 Issue (5): 7-11
国产MCS络合铁脱硫工艺在川西海相含硫气田的应用研究
姚广聚 1, 陈海龙 1, 赵凯 2, 彭红利 1     
1. 中石化西南分公司工程技术研究院;
2. 中石化西南分公司川西采气厂
收稿日期：2014-10-22
基金项目：中石化先导项目“川西海相开发前期评价和脱硫技术优选建设方案研究”(12KF-08)
作者简介：姚广聚(1979-)，男，2008年毕业于西南石油大学油气田开发专业，博士，主要从事地面集输工程、含硫气田防腐及脱硫技术研究工作。E-mail：173896886@qq.com.
摘要：川西海相气藏目前处于勘探开发评价阶段，所开采的天然气中H2S摩尔分数为0.7%~5%，需进行单井脱硫试采并开展气藏评价。针对该气藏第一口试采井CK1井MCS国产络合铁脱硫工艺进行了跟踪分析，对现场的环保及硫堵问题进行了脱硫工艺的调整和优化，提出工艺推广建议，计算了装置的运行能耗及运行成本。目前，该井MCS络合铁脱硫装置年操作时间超过8 000 h，日生产硫膏4 t，累计生产天然气8 500×104 m3，与工艺优化前相比，天然气年产量提高约625×104 m3，保证了该井的顺利试采和川西海相气藏的有效评价，可为同类含硫气井试采提供参考。
关键词：川西海相气藏    CK1井    含硫天然气    络合铁脱硫工艺    
Applied research on domestic MCS chelated iron desulfurization process in Western Sichuan marine sour gas reservoir
Yao Guangju1 , Chen Hailong1 , Zhao Kai2 , Peng Hongli1     
1. Engineering Technology Research Institute, Sinopec Southwest Branch, Deyang 618000, China;
2. West Sichuan Gas Production Plant, Sinopec Southwest Branch, Deyang 618000, China
Abstract: Western Sichuan marine gas reservoir is in the exploration and development evaluation stage at present. The natural gas contains 0.7%-5% hydrogen sulfide, which needs the single well desulfurization test mining and gas reservoir evaluation. The tracking analysis of the first oral production well (Chuanke 1) using MCS domestic chelated iron desulfurization process was carried out. Aiming at the environmental protection and sulfur plugging problems, the desulfurization process was adjusted and optimized, the suggestions for process popularizing were put forward, and the operating energy consumption and costs were calculated. Currently the operating time of MCS chelated iron desulfurization unit is over 8 000 h per year, sulfur ointment production is 4 t/d, and the cumulative production of natural gas is 85×106 m3, which increase about 6.25×106 m3 per year compared with the annual output of natural gas before optimization. It ensures the successfully test mining of the well and the effective evaluation of Western Sichuan marine gas reservoir, which can provide references for the production test of similar sour gas well.
Key Words: Western Sichuan marine gas reservoir    CK1 well    sour natural gas    chelated iron desulfurization process    

CK1井是对开拓四川盆地海相勘探新领域具有重要战略意义的科学探索井，实钻井深7 182.36 m。2010年4月，在雷口坡组井段试获86.8×104 m3天然气流，含H2S 0.7%(y)、CO2 4.5%(y)及少量有机硫。该井的试采对于了解四川盆地海相地质构造、找到有利油气圈闭、开拓四川盆地川西海相勘探新领域起到关键性作用。

络合铁法用于处理低H2S含量的气体时具有明显优势[1]。CK1井采用国产MCS络合铁脱硫工艺进行天然气脱硫后输气试采，对采出天然气进行节流、分离、脱硫和计量后，H2S质量浓度≤20 mg/m3，满足二类天然气要求[2]，通过管线外输至用户，脱出的硫膏外运。CK1井地处川西人口稠密区域，安全环保要求较高，且络合铁脱硫装置常出现硫堵现象，生产初期曾因有机硫溢出而污染环境，为了保证MCS络合铁脱硫装置的安全高效运行，需对装置进行调整及优化，以满足气井的正常试采。

1 CK1井MCS络合铁脱硫工艺设计
1.1 CK1井气质条件

CK1井于2011年9月投入试采，产出天然气中H2S摩尔分数约0.68%、CO2摩尔分数约4.51%，含少量有机硫，天然气相对密度为0.6。

1.2 工艺参数设计

脱硫装置设计处理20×104 m3/d天然气，净化气中H2S质量浓度≤20 mg/m3，生产硫膏4 t/d(含水约50%(w))。

1.2.1 操作压力

针对压力对脱硫系统的影响进行计算，核算运行压力对脱硫溶液循环量、系统电耗、设备塔径等参数的影响。同时，还需保证操作压力可满足外输压力的要求，综合考虑后将脱硫装置的运行压力确定为1.1 MPa。

1.2.2 主要运行参数

现场天然气脱硫装置主要运行参数如表 1所示。

表 1    脱硫系统主要参数 Table 1    Main parameters of desulfurization system

1.3 脱硫工艺流程

水套炉加热节流后的天然气经酸气分离器进行初步气液分离后，进入吸收塔与络合铁贫液反应以脱除H2S，净化气经净化气分离器分离后外输；络合铁富液则进入再生系统，从吸收塔出来后依次进入闪蒸罐、再生塔，实现络合铁溶液的再生，然后经分离槽分离，由贫液泵打入吸收塔再次进行含硫气的脱硫[3]。天然气脱硫工艺流程如图 1所示。

图 1     络合铁脱硫工艺流程图 Figure 1     Flow of chelated iron desulfurization process

2 CK1井脱硫现场应用存在的问题

CK1井自2011年9月26日正式投产试运行，运行过程中发现部分工艺装置、设施功能不完善、设备材料选型不合理、容器硫沉积严重，曾因脱硫系统逸出有恶臭味气体和管线硫堵等问题中途关井两次。

2.1 恶臭味气体溢出

2011年10月2日，因井场附近有恶臭味气体逸出第1次关井，经分析，逸出气体主要成分为甲硫醇，来源于气浮分离槽、再生槽及硫磺回收装置等非密闭性装置。

2.2 硫堵

11月8日，因频繁硫堵而第2次关井，硫泡沫槽排空管线、出口进泵管线、泡沫泵进出口管线、补液泵进出口管线、滤液泵进出口管线、分离槽、硫磺收集槽和溢流管线等均出现硫堵塞，如图 2所示。

图 2     CK1井现场硫堵情况 Figure 2     Sulfur block of CK1 well

2.3 设备流程不完善

11月16日，装置先后出现一系列问题，如：真空转鼓过滤机气液分离器排液且真空泵漏水、H2S在线监测仪管线漏气且读数不准、贫液泵发出异响、机封漏油、补液泵堵塞等。

3 CK1井MCS脱硫工艺调整优化
3.1 调整工作制度

为了使气井达到生产规模的要求且具有较长的稳产期，确定气井合理产能非常重要[4]。通过采气指示曲线法对CK1井进行配产研究。当产量较小时，生产压差△p与气井产量qsc呈线性关系，产量增加时曲线上翘，表现出非达西效应，故将偏离早期直线的那一点所对应的产量作为气井生产的合理产量。据此，CK1井产量定为8×104 m3/d较合适。

结合现场情况，在气井产量为(8~12)×104 m3/d等3种工况下，络合铁脱硫剂脱硫效果均能达到99%。为了尽可能降低生产成本、日产水量及油压下降速度，日产气量为8×104 m3时，脱硫剂使用量最少，脱硫效果最好，油压下降速度较慢，日产水量也较低，故通过采气指示曲线法确定合理配产量为8×104 m3/d，如图 3所示。

图 3     CK1井产量与压差关系图 Figure 3     Relationship between CK1 well yield and pressure difference

3.2 脱硫塔操作压力优化

受外输管网压力和外输阀门开度变化的影响，CK1井脱硫塔运行压力在0.94~1.1 MPa波动，正常工艺操作压力为0.9~1.1 MPa。

当气体进出吸收塔压差达到0.03 MPa时，表明装置内硫磺沉积、吸附及堵塞较多。可通过提高相应吸收塔的溶液循环量，冲走沉积的硫磺颗粒，解除塔堵，控制操作压力在正常范围内。

3.3 脱硫塔操作温度优化

脱硫塔运行温度变化会导致硫磺颗粒与原料气中的重烃结合，硫磺颗粒相互聚集，粒径增大，再生塔内无法形成硫泡沫，影响脱硫效果，并造成设备及管线的堵塞。图 4为2012年5月~6月CK1井脱硫塔溶液温度变化情况。由于溶液温度对硫磺析出及溶液再生的影响较大，MCS脱硫溶液温度控制在40~45 ℃时脱硫效果最好，故增设循环水温控制系统。当冬季温度过低时，需打开热水循环系统加热；夏季温度过高时则需打开水冷却系统对溶液进行降温。

图 4     CK1井脱硫塔溶液温度变化 Figure 4     Solution temperature change in desulfurization tower of CK1 well

3.4 增设脱除甲硫醇设备

2011年10月，CK1井因难闻的甲硫醇等有机硫气味飘散至周围农户而停产。经调查，散发恶臭气味的来源主要有3处，分别为气浮分离槽、硫磺回收装置和再生塔。为解决此问题，于2011年10月新建有机硫脱除装置，通过密闭抽取、活性炭吸附的方式，有效实现了有机硫的脱除，解决了因有机硫散发而导致的恶臭气味问题。

3.5 增设贫液冲扫管线防止硫堵

CK1井MCS脱硫工艺应用时，排污管线、硫泡沫泵、闪蒸罐、吸收塔等处多次出现硫堵，虽然进行了改进，但因硫堵现象是工艺本身的问题，产生的硫磺上浮并进入管线，该工艺流程中的硫堵现象无法根除，只能尽量降低硫堵发生的概率。

现场针对硫泡沫槽排空管线、出口进泵管线、泡沫泵进出口管线、补液泵进出口管线、滤液泵进出口管线、分离槽硫磺收集槽和溢流管线等可能堵塞的管线，全部增设贫液冲扫管线，一旦发现硫堵即可开阀冲刷解堵。同时，在日常生产运行过程中，可采用定期冲扫的方式预防硫堵，该项措施可大幅度降低硫堵频率。

3.6 工艺推广建议

国产MCS络合铁脱硫工艺在川西海相单井脱硫中取得了较好应用。但因该工艺本身存在硫沉积、部分装置不完善等问题，在进行推广应用时还应注意以下问题。

(1) 在满足实际井况安全生产的前提下应尽可能简化设备、避免投资浪费。

(2) 工艺流程及设备应充分考虑防止硫堵发生的措施。

(3) 使流程全密闭，防止微量有机硫等恶臭味气体逸出。

3.7 脱硫装置改进防硫堵设计
3.7.1 移除硫泡沫泵

硫泡沫泵用于将硫泡沫槽中的硫泡沫抽至转鼓机处，但高浓度硫泡沫常出现结块现象，进入硫泡沫泵，会堵塞并损坏泵，且管线和泵前过滤器更易堵塞。建议移除硫泡沫泵，直接通过重力作用让硫泡沫流入转鼓机，溢流管线加装冲扫管线，如图 5所示。

图 5     移除硫泡沫泵示意图 Figure 5     Schematic of removing sulfur foam pump

3.7.2 冲洗管线增加气动阀

目前，加装冲扫管线的位置包括：预吸收塔、一级吸收塔、富液闪蒸罐3台设备的液位计，富液闪蒸罐，气浮腔底部、硫泡沫溢流槽、溢流管线，滤液泵，补液泵及硫泡沫泵。人工开阀门完成上述设备的冲扫需1 h，且无法保证冲扫效果，故建议在上述位置增设气动阀以控制冲扫阀的开关时间，其时长可根据具体情况进行调整。

3.7.3 将卧式富液闪蒸罐改为立式

若将卧式富液闪蒸罐(见图 6)改为立式，可有效减少罐底面积，减少硫磺沉积，还可减少设备占地面积。卧式罐占地面积为21 m2，而立式罐仅需6 m2。

图 6     卧式富液闪蒸罐 Figure 6     Horizontal rich liquid flash tank

3.7.4 将方形硫泡沫槽改为圆形

硫泡沫槽采用方形设计(如图 7所示)，搅拌过程中大量硫磺会被堆积在方形罐体四周，故建议将硫泡沫槽改为圆柱形。

图 7     硫泡沬槽方形设计 Figure 7     Square design of sulfur foam tank

4 CK1井MCS脱硫工艺效果
4.1 能耗和运行成本

对CK1井试采地面建设工程装置能耗和成本进行分析，装置三级负荷能耗总功率约300 kW，每1 000 m3天然气的运行成本约260元。

4.2 气井生产情况

CK1井经过脱硫工艺优化，运行情况基本正常，试采产气9×104 m3 /d，日产水量约1.3 m3，外输气气质达标，H2S体积分数为0~1×10-6。目前，该井络合铁脱硫装置年操作时间超过8 000 h，日生产硫膏4 t，累计生产天然气8 500×104 m3，与工艺优化前相比，天然气产量每年约提高625×104 m3，取得了较好的经济效益，安全、经济、高效地完成了试采任务。

5 结论和建议

(1) 经过优化改进，具有中石化自主知识产权的MCS络合铁脱硫工艺可保障CK1井含硫气井的顺利试采和川西海相气藏的有效评价，并为同类含硫气井试采提供技术参考。

(2) 针对CK1井现场脱硫装置中存在的问题，开展了脱硫工艺调整和优化，解决了恶臭气体溢出的环保问题和工艺流程硫堵问题，保证了气井正常生产。

(3) 该井每试采1 000 m3天然气的运行成本约260元，经济性较好。

(4) 建议在MCS络合铁脱硫工艺推广应用过程中，进一步优化防硫堵工艺措施，工艺设计时尽量简化装置设备，避免造成投资浪费。

参考文献
[1]
王开岳. 络合铁法动力学与机理研究近况[J]. 石油与天然气化工, 1995, 24(3): 178-184.
[2]
王开岳. 天然气净化工艺——脱硫脱碳、脱水、硫磺回收及尾气处理[M]. 北京: 石油工业出版社, 2005.
[3]
Gas Processors Suppliers Assosiation. Engineering Data Book[M]. 12th ed. Tulsa: Gas Processors Suppliers Association, 2004.
[4]
金海英. 油气井生产动态分析[M]. 北京: 石油工业出版社, 2010.
X