李詠洲 周俊驊 李壽軍 杜 磊

（1.中國(guó)石油西南油氣田公司，四川 成都 610051；2.中國(guó)石油東方地球物理公司西南物探研究院，四川 成都 610000）

0 引言

我國(guó)含硫天然氣資源豐富，硫化氫含量大于1%的氣田約占全國(guó)天然氣儲(chǔ)量的1／4。主要分布在四川盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地以及南海崖13-1氣田等［1］。其中以四川盆地最為豐富，目前其探明儲(chǔ)量已超過(guò)1×1012m3［2］。近十年來(lái)，隨著龍崗、普光、羅家寨、黃龍場(chǎng)氣田的成功投產(chǎn)，四川盆地高含硫氣田勘探開(kāi)發(fā)取得重要突破，在川南片區(qū)、川西北片區(qū)、川中油氣區(qū)、川東北片區(qū)均有氣田發(fā)現(xiàn)［3-4］。這些高含硫氣藏具有埋藏深（圈閉平均深度達(dá)5 000 m）、地質(zhì)條件異常復(fù)雜、富含硫化氫和二氧化碳等特點(diǎn)，氣藏勘探開(kāi)發(fā)不僅存在諸多技術(shù)難題，也面臨嚴(yán)峻的環(huán)保安全挑戰(zhàn)。

1 含硫天然氣性質(zhì)及危害

從表1的川東北地區(qū)含硫氣井天然氣組分中可以看出，含硫天然氣中富含硫化氫和二氧化碳，除具備一般氣田所具有的甲烷爆炸、窒息等危險(xiǎn)，還具備以下危害：

表1 川東北地區(qū)部分典型含硫氣井天然氣組成表

① 硫化氫在空氣中的爆炸極限范圍為4.3%～46%，當(dāng)其在空氣中的濃度達(dá)到150 mg／m3時(shí)即可對(duì)生命和健康造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。

② 含硫天然氣放空燃燒產(chǎn)生的二氧化硫，動(dòng)物長(zhǎng)期吸入后會(huì)導(dǎo)致肺功能衰竭，嚴(yán)重者將窒息死亡，植物長(zhǎng)期吸收二氧化硫后將影響其生長(zhǎng)；二氧化硫與大氣中的水結(jié)合形成酸雨，酸雨將導(dǎo)致土壤酸化，水體酸化，同時(shí)破壞人文景觀。

2 含硫氣田開(kāi)發(fā)安全環(huán)保主要影響因素

2.1 地質(zhì)災(zāi)害

以川東北地區(qū)為例，在米倉(cāng)山構(gòu)造帶、大巴山構(gòu)造帶、川中構(gòu)造帶（圖1）的相互作用下形成了地勢(shì)崎嶇、山坡起伏的地貌，由于構(gòu)造作用明顯且降水充沛，導(dǎo)致該地區(qū)災(zāi)害頻發(fā)，以暴雨洪災(zāi)、泥石流、滑坡等尤為突出［5］。復(fù)雜地形也為事故發(fā)生后的應(yīng)急響應(yīng)和排險(xiǎn)搶修造成不便。一是受制于地形條件和交通狀況，某些生產(chǎn)井或者輸氣管線發(fā)生事故后大型搶險(xiǎn)機(jī)具無(wú)法第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。二是由于硫化氫密度大于空氣，部分山谷、低洼地區(qū)若發(fā)生天然氣泄漏，會(huì)造成聚集硫化氫，增加搶險(xiǎn)難度。此外，四川盆地內(nèi)還分布有松潘地震帶、攀西地震帶和龍門山地震帶等多條地震斷裂帶，盆地整體屬于地震災(zāi)害高發(fā)區(qū)。

圖1 川東及川東北地區(qū)構(gòu)造圖

2.2 管道腐蝕

當(dāng)天然氣中硫化氫含量超過(guò)20 mg／m3時(shí)，若其中還含飽和水，管道內(nèi)壁將發(fā)生電化學(xué)腐蝕和硫化物腐蝕開(kāi)裂［6］。電化學(xué)腐蝕會(huì)導(dǎo)致管壁減薄和點(diǎn)蝕等局部腐蝕破壞，而硫化物腐蝕開(kāi)裂會(huì)造成管道無(wú)征兆突然破裂，造成難以預(yù)估的損失。另外，水與二氧化碳生成碳酸將進(jìn)一步腐蝕管線。油氣井開(kāi)發(fā)設(shè)施及集輸管道均在變動(dòng)的高壓下工作，這種情況更容易產(chǎn)生腐蝕疲勞［7］。

2.3 危廢物品

含硫天然氣在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，還要產(chǎn)生主要包括硫沉積、廢脫硫劑、氣田水在內(nèi)的危廢物品，也對(duì)環(huán)境安全造成威脅。

1）硫沉積：含硫天然氣中含大量酸性氣體，元素硫會(huì)以各種形式溶解在氣體中，當(dāng)元素硫在天然氣中達(dá)到飽和、溫度低于硫凝固點(diǎn)以及硫顆粒高速碰撞均會(huì)產(chǎn)生硫沉積［8］。在地層中發(fā)生硫沉積將導(dǎo)致儲(chǔ)層堵塞，減少產(chǎn)量甚至停產(chǎn)。若發(fā)生在集輸系統(tǒng)，將導(dǎo)致管線堵塞、腐蝕，生成硫化鐵。

2）廢脫硫劑：目前工業(yè)上常見(jiàn)的天然氣脫硫工藝主要有干法脫硫和濕法脫硫兩大類［9］。以干法脫硫工藝為例，CT8-4、CT8-4A、CT8-4B是目前在四川常用的氧化鐵脫硫劑［10］。脫硫劑是以Fe2O3為主的一種混合物，失效后產(chǎn)生的廢脫硫劑成分復(fù)雜，主要有單質(zhì)硫、有機(jī)硫化物和無(wú)機(jī)硫化物等，其中最主要的成分是硫化亞鐵。硫化亞鐵燃點(diǎn)僅為40℃，屬于易燃物質(zhì)，在處理過(guò)程中，極易自燃，引發(fā)火災(zāi)和爆炸，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化硫等有毒氣體，對(duì)環(huán)境和人體有害。

3）氣田水：高含硫氣井采出水通常具有高水氣含量、高硫化氫濃度、高化學(xué)需氧量（COD）、高固體懸浮物（SS）、高石油類污染物等特點(diǎn)［11］，并且兼具酸性和弱腐蝕性，如處理不當(dāng)會(huì)析出硫化氫危害環(huán)境及人，滲入地層導(dǎo)致地下水污染。

2.4 人為因素

隨著油氣田行業(yè)的整體技術(shù)進(jìn)步和自動(dòng)化技術(shù)的普及，氣田生產(chǎn)已可以部分甚至全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在事故狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切斷和緊急關(guān)閉。盡管如此，日常的生產(chǎn)運(yùn)行依然需要靠人去操作，在這過(guò)程中，或由于人的疏忽大意、圖省事，進(jìn)行違章作業(yè)，或由于意識(shí)不強(qiáng)、思想麻痹，不知曉相關(guān)威脅，或由于技能不夠，無(wú)法正確處理問(wèn)題，這都可能將導(dǎo)致事故發(fā)生甚至擴(kuò)大影響。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)對(duì)

3.1.1 站場(chǎng)選址

1）在滿足鉆探地質(zhì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，避免地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，特別要避開(kāi)前緣開(kāi)闊的山坡，河流、溝谷的斜坡和公路邊坡等位置。

2）工程建設(shè)上，最適合在地勢(shì)平坦之地設(shè)置站場(chǎng)，但四川盆地油氣探區(qū)多在山區(qū)，很難找到平坦之地，因此在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，建議站場(chǎng)沿等高線修建，減少高差造成的支護(hù)工程量，若站場(chǎng)地勢(shì)較為陡峭，則可采用臺(tái)階式布置，減少土石方工程量。

3）交通方面，相對(duì)于地勢(shì)平坦、位于山頂交通不便處和地勢(shì)起伏、位于主要道路附近的位置，在保證安全的情況下，盡可能選擇后者，利于后期日常維護(hù)和第一時(shí)間的應(yīng)急響應(yīng)。

3.1.2 提升抗震能力

四川盆地地震斷裂帶分布范圍廣且與氣田分布范圍多有重合，因此在進(jìn)行含硫氣田的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)提高其抗震等級(jí)并留有一定的安全余量。此外，還應(yīng)采用更加安全可靠的應(yīng)急技術(shù)手段保證氣田在地震發(fā)生的第一時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉，最低限度地降低毒性氣體對(duì)周圍環(huán)境的影響。

3.1.3 應(yīng)急物資準(zhǔn)備

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有不確定性和不可預(yù)見(jiàn)性，在應(yīng)急物資準(zhǔn)備上需要做到效率最高，資源最優(yōu)。因此，建議將其與普通物資區(qū)分管理，建立專門的應(yīng)急物資庫(kù)房，其選址應(yīng)在更利于突發(fā)情況發(fā)生時(shí)迅速提供物資保障的地方（表2）。

表2 應(yīng)急物資管理與普通物資管理差異表

3.2 管道防腐

1）采用內(nèi)壁防腐技術(shù)提高管輸效率和管道壽命。具體辦法可通過(guò)對(duì)管道內(nèi)壁噴涂環(huán)氧樹(shù)脂和環(huán)氧粉末，避免腐蝕物聚集，其次可采用緩蝕劑減緩或抑制管道內(nèi)的含硫介質(zhì)對(duì)管材的腐蝕［12-13］。

2）脫去多余的水，防止管道發(fā)生電化學(xué)腐蝕和硫化物腐蝕開(kāi)裂。但若將三甘醇脫水法用于含硫氣脫水，必然會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：三甘醇在PH值為8.5的條件下才能有效脫水，酸性的硫化氫會(huì)溶于三甘醇中，降低脫水效果；硫化氫與三甘醇反應(yīng)后導(dǎo)致三甘醇降解變質(zhì)；上游氣量波動(dòng)，會(huì)攜帶三甘醇進(jìn)入輸氣管線，為腐蝕提供介質(zhì)。因此可采用固體吸附法脫水，該法是利用干燥劑表面的吸附力將天然氣中的飽和水脫去，其中耐酸分子篩適用于含硫氣田，其脫水后干氣露點(diǎn)低于-50℃。分子篩脫水分為濕氣再生和干氣再生，濕氣再生脫水深度低，因此建議采用干氣再生法。

分子篩脫水裝置需設(shè)置兩個(gè)塔，一個(gè)塔進(jìn)行脫水，另一個(gè)進(jìn)行再生（加熱）與冷卻，切換操作即可保證連續(xù)運(yùn)行（圖2）。但分子篩在實(shí)踐中也存在設(shè)備投資和操作費(fèi)用昂貴的問(wèn)題，在滿足相同露點(diǎn)的情況下，建立一座2.8×105m3／d的脫水裝置將比三甘醇脫水裝置多出53%的費(fèi)用［14］。因此可考慮在含硫天然氣進(jìn)入集輸干線前設(shè)置分子篩脫水裝置。

圖2 分子篩脫水流程圖

3.3 危廢物品處理

3.3.1 硫沉積處理

通過(guò)實(shí)際情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用硫溶劑是防治硫沉積最有效的方法，它是將元素硫與輸送管道內(nèi)壁的接觸面降到最低，使其始終保持氣態(tài)。硫溶劑分為物理溶劑和化學(xué)溶劑。物理溶劑以烴油類硫溶劑最為常用，但其能力較弱，適用于硫沉積較輕的管線；化學(xué)溶劑以二甲基二硫（DMDS）效果最佳，該溶劑沸點(diǎn)僅為107℃，因此可用于硫沉積嚴(yán)重，但溫度低于100℃的位置。此外采用硫溶劑還可維持集輸系統(tǒng)溫度，使硫元素處于氣態(tài)，減小壓力降，避免元素硫與其他雜質(zhì)產(chǎn)生高速碰撞，從而進(jìn)一步預(yù)防硫沉積。

3.3.2 廢脫硫劑處理

廢棄脫硫劑主要成分是硫化亞鐵（FeS），干燥的硫化亞鐵兼具污染性、毒性和極易自燃性。通常在脫硫塔底回收硫化亞鐵時(shí)，應(yīng)開(kāi)啟噴淋裝置令硫化亞鐵處于潮濕狀態(tài)，避免其自燃，同時(shí)防止高溫下的廢脫硫劑分解產(chǎn)生有毒氣體。

廢脫硫劑處理目前有酸洗法、化學(xué)抑制法、氧化劑法和中和法等。中和法是天然氣凈化處理站目前常用的處理方法。天然氣處理站在對(duì)廢脫硫劑回收后首先進(jìn)行成分化驗(yàn)，然后按照一定比例向其中加入生石灰（CaO），最終生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境無(wú)毒害的物質(zhì)硫酸鈣（CaSO4）。

3.3.3 氣田水處理

含硫氣田采出水污染性強(qiáng)、污染物成分復(fù)雜，通常采用回注、達(dá)標(biāo)后排放和綜合利用等方式進(jìn)行處理。其中，氣田水回注是常用且較成熟的處理方式，即在對(duì)污水進(jìn)行綜合處理后，使COD、SS等污染物指標(biāo)達(dá)標(biāo)后回注地層（圖3）。污水處理過(guò)程中還要特別注意罐、泵、閥門的防滲漏監(jiān)測(cè)，必要時(shí)可設(shè)置圍堰和臨時(shí)集水坑，防治氣田水二次泄漏。

圖3 氣田水回注流程圖

3.4 人員培訓(xùn)與管理

含硫氣田的開(kāi)發(fā)危險(xiǎn)系數(shù)高，首先要對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行有針對(duì)性的專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)，使操作者充分掌握專業(yè)技能。其次是要梳理含硫天然氣開(kāi)發(fā)中的工藝技術(shù)，編制相應(yīng)的操作手冊(cè)和規(guī)章制度；最后，根據(jù)制定的操作手冊(cè)和規(guī)章制度，按照“缺什么補(bǔ)什么”的原則，對(duì)員工開(kāi)展針對(duì)性培訓(xùn)。

對(duì)已經(jīng)掌握了相關(guān)技術(shù)的人員，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)安全意識(shí)教育：① 思想認(rèn)識(shí)教育。要使員工充分認(rèn)識(shí)到含硫天然氣，特別是硫化氫的危險(xiǎn)性，要在內(nèi)心深處樹(shù)立牢固的安全意識(shí)。② 事故案例講解與再現(xiàn)。通過(guò)觸目驚心的具體案例和情景再現(xiàn)使技術(shù)人員和操作人員對(duì)從事行業(yè)的危險(xiǎn)性和專業(yè)性進(jìn)一步加深認(rèn)識(shí)，并在內(nèi)心深處形成遵章守規(guī)的思想。③ 本崗位隱患識(shí)別。以崗位安全隱患識(shí)別為契機(jī)，使員工認(rèn)識(shí)到安全掌握在自己手中，提高安全的“主人公”意識(shí)。④ 提升執(zhí)行力教育。執(zhí)行力是一切制度的前提，沒(méi)有執(zhí)行力，制度就是空談，因此要在員工執(zhí)行力提升上多下功夫，避免出現(xiàn)安全生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)“兩張皮”。

4 結(jié)束語(yǔ)

含硫天然氣所含有的硫化氫是一切安全環(huán)保問(wèn)題的根源，其勘探開(kāi)發(fā)企業(yè)面臨常規(guī)油氣藏更高的風(fēng)險(xiǎn)和管理難度，如果技術(shù)不夠、管理不當(dāng)、應(yīng)對(duì)措施不當(dāng)將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境、社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。因此氣田開(kāi)發(fā)企業(yè)應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到高含硫天然氣的危險(xiǎn)性，從硫化氫危害防治入手，不斷提高自身管理能力和專業(yè)技術(shù)水平，完善應(yīng)急保障體系，確保氣田安全生產(chǎn)。