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(shè)計(jì)院，天津 塘沽 300451）

1 引言

渤海稠油儲(chǔ)量巨大，已發(fā)現(xiàn)的渤海灣稠油存儲(chǔ)量占該海域原油存儲(chǔ)量的85%，其中，渤海灣原油粘度大于400cp的稠油已探明儲(chǔ)量5.6億噸[1]。而海上稠油熱采大規(guī)模開(kāi)發(fā)自2017年剛剛起步，目前稠油熱采技術(shù)尚不成熟，尤其是在油田經(jīng)過(guò)前期的蒸汽吞吐開(kāi)發(fā)后，采收率逐步降低，后續(xù)需采取蒸汽驅(qū)輔助開(kāi)發(fā)，蒸汽驅(qū)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(huì)對(duì)設(shè)備、閥門等設(shè)施帶來(lái)嚴(yán)重腐蝕。

本項(xiàng)目是首個(gè)海上開(kāi)展蒸汽吞吐轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)生產(chǎn)的項(xiàng)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(jié)合陸地油田蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)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(gè)工藝流程設(shè)備材料選型、蒸汽鍋爐等燃油燃?xì)庠O(shè)備的適應(yīng)性及人員安全防護(hù)的影響提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 硫化氫產(chǎn)生機(jī)理

研究認(rèn)為稠油熱采開(kāi)發(fā)過(guò)程中硫化氫產(chǎn)生機(jī)理主要有兩個(gè)方面：含硫有機(jī)化合物熱裂解（TDS） 產(chǎn)生硫化氫，硫酸鹽熱化學(xué)還原反應(yīng)（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(duì)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(guò)300℃硫醇就已經(jīng)完全分解；硫醚熱穩(wěn)定性和化學(xué)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(xué)還原反應(yīng)（TRS），在深部碳酸鹽巖儲(chǔ)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(yīng)，在這個(gè)過(guò)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(huì)在熱采時(shí)的高溫和水作用下可發(fā)生分解反應(yīng)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(qū)低，水熱裂解作用較為緩慢，硫化氫含量較低。在蒸汽驅(qū)階段，硫化氫含量隨著熱連通轉(zhuǎn)向熱驅(qū)替含量逐漸上升。

3 方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目為海上首個(gè)先期蒸汽吞吐，后期轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)稠油熱采項(xiàng)目，前7年采用蒸汽吞吐方式開(kāi)采，7年后采用蒸汽驅(qū)方式開(kāi)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(guò)熱5℃，蒸汽驅(qū)階段需干度為100%。

3.1 工藝流程

蒸汽吞吐階段，單井經(jīng)過(guò)注熱后，需要對(duì)單井井流進(jìn)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(jìn)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(jié)束后，需要計(jì)量的單井井物流經(jīng)計(jì)量管匯進(jìn)入測(cè)試加熱器加熱后，送至測(cè)試分離器計(jì)量。正常操作流程下，井流進(jìn)入生產(chǎn)管匯后，進(jìn)入換熱器進(jìn)一步換熱，以提高井流溫度，便于下一步分離，然后進(jìn)入生產(chǎn)分離器，生產(chǎn)分離器分出的油相通過(guò)原油外輸泵打入下游中心處理平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)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(dòng)力液，分離出的氣相供鍋爐及主機(jī)使用。

3.2 硫化氫、二氧化碳濃度確定

調(diào)研了遼河油田、勝利油田典型熱采井。根據(jù)開(kāi)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(xiàng)目熱采井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做對(duì)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(xiàng)目熱采井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

地面原油粘度越低、含硫量越小、設(shè)計(jì)井距越大、加熱區(qū)平均溫度越低，注汽強(qiáng)度越小，則硫化氫形成難度越大。降粘率越小、注氣強(qiáng)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(xiàng)目熱采井的硫化氫、二氧化碳的含量會(huì)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(zhuǎn)蒸汽驅(qū)生產(chǎn)6～7年之后。考慮到本項(xiàng)目?jī)?chǔ)層以砂巖為主，蒸汽驅(qū)生產(chǎn)6～7年（投產(chǎn)14～15年之后），已接近項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)年限，結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，選取井口物流硫化氫濃度1300～5000ppm、二氧化碳含量30mol%為設(shè)計(jì)依據(jù)，開(kāi)展平臺(tái)流程設(shè)計(jì)和防腐設(shè)計(jì)。

3.3 硫化氫、二氧化碳和二氧化硫擴(kuò)散分析

在蒸汽驅(qū)階段，平臺(tái)伴生氣處理合格去熱油鍋爐燃燒。當(dāng)伴生氣處理不合格和火災(zāi)工況等應(yīng)急工況時(shí)，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(zāi)工況緊急泄放進(jìn)行燃燒后二氧化硫擴(kuò)散分析及火炬未燃時(shí)硫化氫、二氧化碳擴(kuò)散分析，泄放量為8774Sm3/h。

圖3-3 伴生氣應(yīng)急放空硫化氫擴(kuò)散分析

圖3-4 伴生氣應(yīng)急放空二氧化碳擴(kuò)散分析

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，如圖3-2、3-3、3-4所示，選取火炬臂長(zhǎng)度50米、傾角45度，火炬頭高度69米。擴(kuò)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(jī)甲板標(biāo)高為47米，修井機(jī)有人值守操作的房間及甲板均在66米以下，無(wú)二氧化硫、硫化氫、二氧化碳擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。

圖3-2 伴生氣燃燒后二氧化硫擴(kuò)散分析

3.4 人員防護(hù)

高濃度H2S和CO2會(huì)對(duì)平臺(tái)上操作人員帶來(lái)較大危險(xiǎn)，所以，需要做好平臺(tái)人員的防護(hù)、救護(hù)及制定出合理的相關(guān)配套方案。

⑴含硫化氫平臺(tái)人員防護(hù)和救護(hù)

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(tái)呼吸器空氣壓縮機(jī)。配備2至3套便攜式硫化氫探測(cè)儀、1套便攜式比色指示管探測(cè)儀和1套便攜式二氧化硫探測(cè)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(bào)警裝置。設(shè)置防硫化氫臨時(shí)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(wù)人員。應(yīng)配備具有基礎(chǔ)醫(yī)療搶救條件的醫(yī)務(wù)室；配備氧氣瓶、擔(dān)架、心肺復(fù)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(yù)留轉(zhuǎn)驅(qū)后需配置的空氣供給站、壓縮機(jī)的布置空間，如表3-2所示：

表3-2 主要安全防護(hù)設(shè)備配置方案

蒸汽吞吐階段在平臺(tái)井口區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、房間通風(fēng)入口均配置H2S探頭。轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)后結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充。

轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)后考慮將生活樓餐廳作為防硫化氫應(yīng)急集合區(qū)，臨時(shí)集合所應(yīng)該按照定員每人0.5m2考慮，設(shè)置密閉門。在蒸汽吞吐階段餐廳按照密閉門進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取集中供氣的方案預(yù)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(duì)整個(gè)流程的設(shè)備及管線材質(zhì)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(cè)試系統(tǒng)材質(zhì)為碳鋼，腐蝕余量為6mm，生產(chǎn)分離器水相后序流程材質(zhì)為碳鋼，腐蝕余量為4.5mm，其他系統(tǒng)材質(zhì)為碳鋼，腐蝕余量為3mm，如表3-3所示：

表3-3 平臺(tái)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(gè)原油系統(tǒng)（包括燃料油）、測(cè)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(shè)計(jì)儀表、閥門 與管線材質(zhì)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(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為工業(yè)血液的石油需求量越來(lái)越大，這就必然伴隨著海上稠油的大規(guī)模開(kāi)發(fā)。本文從更加經(jīng)濟(jì)、合理的方面對(duì)轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)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(kuò)散，人員防護(hù)，平臺(tái)設(shè)備、管線等的材質(zhì)選型原則做了充分研究，為以后的海上稠油熱采開(kāi)發(fā)項(xiàng)目提供重要參照。