胡 勇 惠 棟 彭 先 熊 鋼 楊 建 李隆新 李 滔

1.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 2.中國石油西南油氣田公司 3.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 4.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 5.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院

0 引言

四川盆地滿盆含氣，天然氣資源量達(dá)39.94×1012m3，在盆地內(nèi)已發(fā)現(xiàn)29套含工業(yè)油氣層系，200多個氣田（藏）及含氣構(gòu)造，而大多數(shù)氣藏產(chǎn)出流體中含有硫化氫（H2S）組分[1-4],2021年盆地約1/4產(chǎn)量來自高含硫氣藏[2-3]。根據(jù)氣藏分類標(biāo)準(zhǔn)[5]，高含硫氣藏指H2S含量介于30～150 g/m3的氣藏，不同于常規(guī)氣藏，H2S具有劇毒和腐蝕性，導(dǎo)致高含硫氣藏開發(fā)挑戰(zhàn)大、技術(shù)需求多、風(fēng)險管控要求高[6-7]。

中國石油西南油氣田公司（以下簡稱西南油氣田公司）開發(fā)高含硫氣藏的歷史超過60年，2008年以與雪佛龍公司合作開發(fā)羅家寨區(qū)塊為契機(jī)，進(jìn)一步引進(jìn)消化吸收和持續(xù)自主攻關(guān)創(chuàng)建具有國際先進(jìn)水平的高含硫氣田開發(fā)技術(shù)和管理體系[8]，持續(xù)圍繞制約復(fù)雜高含硫氣藏高效開發(fā)過程中的技術(shù)瓶頸開展原始創(chuàng)新研發(fā)。隨著高含硫氣藏勘探開發(fā)不斷向深層、超深層推進(jìn)，高含硫氣藏主體開發(fā)技術(shù)體系再次面臨新的考驗(yàn)。新勘探開發(fā)區(qū)塊存在多壓力系統(tǒng)、漏噴同存、鹽水發(fā)育等現(xiàn)象，鉆井安全風(fēng)險大[9-12]；新氣藏氣水關(guān)系更為復(fù)雜，資源品質(zhì)劣質(zhì)化趨勢加劇，以往高含硫氣藏開發(fā)模式適用性差；超深、有水高含硫氣井井下環(huán)境惡劣，儲層改造和排水采氣安全智能化精準(zhǔn)控制技術(shù)需求迫切[13-18]；高含硫氣藏地層水的處理以及高等級的防腐材質(zhì)導(dǎo)致開發(fā)成本大幅增加，集輸系統(tǒng)腐蝕控制以及深度凈化處理工程也面臨著越來越大的降本增效壓力[19-20]。此外，國家綠色礦山治理行動也對高含硫氣藏安全環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)提出了更高要求[2]。

高含硫氣藏開發(fā)是我國天然氣增產(chǎn)的重要領(lǐng)域，面對高含硫氣藏日趨復(fù)雜的開發(fā)問題和更高的安全環(huán)保要求，本文在系統(tǒng)回顧四川盆地高含硫氣藏開發(fā)歷程的基礎(chǔ)上，梳理了“十三五”以來高含硫氣藏開發(fā)的生產(chǎn)需求，明確了鉆完井工程、氣藏工程、采氣工程、地面集輸與腐蝕防護(hù)工程和天然氣凈化與安全環(huán)保工程等5個方面研究取得的進(jìn)展、面臨的挑戰(zhàn)及攻關(guān)方向，研究成果對于我國高含硫氣藏的安全、清潔、高效開發(fā)具有重要的指導(dǎo)和借鑒作用，對保障國家能源安全戰(zhàn)略具積極作用。

1 四川盆地高含硫氣藏開發(fā)歷程

四川盆地高含硫氣藏數(shù)量眾多，主要分布于開江—梁平海槽東西兩側(cè)，地理位置集中分布在盆地的東北及東部地區(qū)[6-7]。四川盆地高含硫氣藏開采對象從H2S含量不到50 g/m3到高于130 g/m3，氣藏埋深從中深層到深層甚至超深層，氣藏儲集層類型復(fù)雜多樣，邊、底水活躍程度存在較大差異，面臨的開采難題和技術(shù)需求在不斷變化。四川盆地高含硫氣藏開發(fā)歷程大致可分為4個階段（圖1）。

圖1 四川盆地高含硫天然氣開發(fā)歷程圖

1）起步提升階段（1964—1972年）。投產(chǎn)高含硫氣藏2個，即威遠(yuǎn)震旦系氣藏和孔灘嘉陵江組氣藏，1972年高含硫氣藏年產(chǎn)氣量達(dá) 6.9×108m3，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)21×108m3。此階段國內(nèi)尚無可借鑒的高含硫氣藏開發(fā)技術(shù)，但通過逐步研究摸索，初步積累了高含硫氣藏開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為高含硫氣藏開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2）相對平穩(wěn)階段（1973—2004年）。投產(chǎn)高含硫氣藏7個，包括中壩雷三段、磨溪雷一1亞段、臥龍河嘉陵江組、鐵廠溝嘉陵江組、廟高寺—二里場嘉陵江組、龍會場飛仙關(guān)組、五百梯長興組等氣藏，最高年產(chǎn)氣量約25×108m3，截至2004年底，累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)505×108m3。此階段圍繞中小型復(fù)雜高含硫氣藏安全效益建產(chǎn)技術(shù)開展持續(xù)攻關(guān)，初步形成中小型高含硫氣藏開發(fā)成熟技術(shù)。

3）規(guī)模上產(chǎn)階段（2005—2015年）。投產(chǎn)高含硫氣藏9個，包括龍崗二、三疊系礁灘、高峰場二、三疊系礁灘、大貓坪長興組、龍會場長興組、石寶寨長興組、黃龍場飛仙關(guān)組、元壩長興組，普光二、三疊系礁灘氣藏。截至2015年底，四川盆地高含硫氣藏累計(jì)產(chǎn)氣量高達(dá) 1 265×108m3。此階段主要針對大型復(fù)雜高含硫氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)開展研究，基本形成大型高含硫氣藏開發(fā)主體技術(shù)。

4）持續(xù)上產(chǎn)階段（2016年至今）。投產(chǎn)高含硫氣藏2個，包括羅家寨飛仙關(guān)組、劍閣長興組氣藏。此外，鐵山坡和七里北—渡口河飛仙關(guān)組高含硫氣藏產(chǎn)能建設(shè)也已全面啟動。截至2021年底，四川盆地高含硫氣藏累計(jì)產(chǎn)氣量約2 190×108m3，進(jìn)一步豐富和完善了高含硫氣田安全、清潔、高效開發(fā)的成熟技術(shù)支撐和管理保障體系。

2 高含硫氣藏開發(fā)技術(shù)新進(jìn)展

四川盆地高含硫氣藏開發(fā)難度大，技術(shù)需求多，安全風(fēng)險高。①四川盆地多山且人口密度大，地理和人居環(huán)境對氣藏安全清潔開發(fā)提出極高要求，氣藏開發(fā)過程涉及鉆完井、排水采氣、地面集輸、凈化防腐等多個環(huán)節(jié)，安全風(fēng)險實(shí)時評價與控制技術(shù)要求高；②四川盆地高含硫氣藏儲層類型多樣且存在不同活躍程度的邊、底水，氣—水—硫多相流體滲流機(jī)制復(fù)雜，同一開發(fā)模式的適用性差，含硫地層水的處理以及高等級的防腐材質(zhì)導(dǎo)致成本大幅增加，氣藏高效開發(fā)與成本控制難度大[6]。隨著我國高含硫氣藏的持續(xù)上產(chǎn)，以生產(chǎn)需求為導(dǎo)向，持續(xù)理論和技術(shù)創(chuàng)新，不斷完善和豐富高含硫氣藏開發(fā)技術(shù)體系，在鉆完井工程、氣藏工程、采氣工程、地面集輸與腐蝕防護(hù)工程、天然氣凈化與安全環(huán)保工程等方面取得了新的進(jìn)展。

2.1 鉆完井工程

2.1.1 高陡構(gòu)造大斜度定向井/水平井鉆井提速技術(shù)

針對川東北地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，常鉆遇高陡構(gòu)造，地層傾角大，機(jī)械鉆速及單只鉆頭進(jìn)尺低等問題，形成高陡構(gòu)造大斜度定向井/水平井鉆井提速技術(shù)。開展全巖分析、研磨性等巖石力學(xué)及地層壓力條件下的可鉆性實(shí)驗(yàn)研究，建立區(qū)域巖石可鉆性剖面，為鉆頭個性化設(shè)計(jì)改進(jìn)提供可視化模板。在區(qū)域巖石可鉆性剖面基礎(chǔ)上，建立鉆頭數(shù)據(jù)庫，采用目前最先進(jìn)的黃金分割線法優(yōu)選鉆頭，同時基于地層破巖效率綜合評價方法，優(yōu)選出等壁厚螺桿、垂鉆、渦輪等提速工具。此外，針對高陡地層易打斜的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)井身上部采用垂直鉆井系統(tǒng)，下部使用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)控制井斜，鉆井提速效果明顯。

2.1.2 窄密度窗口精細(xì)控壓鉆井及固井技術(shù)

高含硫區(qū)塊地質(zhì)條件復(fù)雜，氣藏上覆多壓力系統(tǒng)共存。針對鉆井安全密度窗口窄，漏噴同存，常規(guī)方式難以安全鉆進(jìn)的問題，形成精細(xì)控壓鉆井配套技術(shù)，有效解決上述矛盾。針對窄安全密度窗口下常規(guī)固井工藝無法實(shí)現(xiàn)水泥漿一次上返，固井質(zhì)量難以保障的問題，首創(chuàng)以環(huán)空動態(tài)當(dāng)量密度精確控制與最優(yōu)頂替效率為核心的精細(xì)控壓壓力平衡法固井技術(shù)，精準(zhǔn)指導(dǎo)施工過程實(shí)時調(diào)整施工參數(shù)、頂替漿柱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化、施工程序化、評價智能化。西南油氣田公司部署在川東北地區(qū)的壩南001-H1滾動評價井采用精細(xì)控壓鉆井技術(shù)，四開僅用20天完成878 m進(jìn)尺，鉆井安全得到有效保障，鉆井成本得到控制；三開?177.8 mm尾管應(yīng)用精細(xì)控壓固井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下套管及固井全過程壓穩(wěn)與防漏，保障了固井質(zhì)量與安全。

2.1.3 高溫高壓高含硫大產(chǎn)量氣井完井試油一體化技術(shù)及地面試油遠(yuǎn)程控制技術(shù)

針對川東北地區(qū)大產(chǎn)量氣井，利用一趟管柱實(shí)施完井—改造—測試—投產(chǎn)作業(yè)，解決了高產(chǎn)氣井試油測試后儲層易漏、壓井難的問題，降低了井控風(fēng)險，試油周期縮短25%。圍繞高壓高含硫地面控制安全，開展遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究，集高壓區(qū)無人值守、“一鍵式”控制、遠(yuǎn)程快速關(guān)斷一體，形成了地面測試流程遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，滿足超高壓安全試油的需要。研制了高效混合器、自動連續(xù)撬裝加注系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對井筒內(nèi)返排液進(jìn)行實(shí)時自動監(jiān)測和自動處理，實(shí)現(xiàn)了排放口處H2S含量小于10 ppm（1 ppm=1 mg/L），減少了試油測試期間井筒排出流體中H2S、殘酸、泡沫等對生態(tài)環(huán)境的危害。

2.2 氣藏工程

2.2.1 氣藏條件下元素硫溶解和沉積傷害評價技術(shù)

針對準(zhǔn)確測定高溫高壓高含硫氣體中元素硫溶解度的技術(shù)難題，自主設(shè)計(jì)、研發(fā)了國內(nèi)第一臺元素硫溶解度實(shí)驗(yàn)測定裝置，形成元素硫溶解度測定及析出條件預(yù)測方法。應(yīng)用脈沖滲透率測試技術(shù)，在硫沉積實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了巖樣滲透率連續(xù)測試突破性進(jìn)展，建立了可模擬高含硫氣藏條件的硫沉積實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)壓力達(dá) 70 MPa，溫度達(dá) 150 ℃，可滿足四川盆地高含硫氣藏儲層硫沉積過程模擬，且整個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)全封閉全自動，安全、環(huán)保。同時，首次將巖心實(shí)驗(yàn)與CT掃描、能譜分析等多種微觀測試技術(shù)相結(jié)合，建立了一套硫沉積實(shí)驗(yàn)及分析方法，定量可視化分析硫沉積對巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響，為氣藏滲流能力及產(chǎn)能評價提供依據(jù)。

2.2.2 高含硫氣藏—井筒—地面一體化動態(tài)分析技術(shù)

針對高含硫氣藏地面管網(wǎng)、井筒及儲層中存在的硫沉積問題，攻關(guān)形成基于硫沉積的高含硫氣藏—井筒—地面一體化動態(tài)分析技術(shù)，通過硫沉積影響下產(chǎn)量、壓力實(shí)時預(yù)測運(yùn)算，建立高含硫氣藏一體化耦合模型（圖2），實(shí)現(xiàn)高含硫氣藏一體化模型流入流出耦合，進(jìn)一步設(shè)計(jì)硫沉積條件下的全局生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)算優(yōu)化邏輯，實(shí)現(xiàn)一體化模型自動化運(yùn)行，形成高含硫氣藏氣井產(chǎn)能評價與全局優(yōu)化配產(chǎn)技術(shù)，提升高含硫氣藏動態(tài)預(yù)測精度。

圖2 高含硫氣藏一體化耦合模型示意圖

2.2.3 高含硫氣藏全生命周期控水治水開發(fā)技術(shù)

含硫地層水腐蝕及危害大、處理成本高，相對于常規(guī)氣藏，高含硫氣藏控水治水和長期穩(wěn)產(chǎn)的需求更加迫切。針對四川盆地高含硫氣藏普遍存在邊、底水體，產(chǎn)水風(fēng)險大的問題，攻關(guān)形成高含硫氣藏全生命周期控水治水開發(fā)技術(shù)。在氣藏開發(fā)早期，井震聯(lián)合精細(xì)刻畫復(fù)雜礁灘分布和水侵優(yōu)勢通道，動靜結(jié)合分析儲層連通情況及水體能量大小，在適宜區(qū)域?qū)嵤┰缙谂潘畬Σ?，防止邊、底水的非均質(zhì)推進(jìn)，在氣藏開發(fā)中后期進(jìn)一步預(yù)測和刻畫水侵優(yōu)勢通道，實(shí)施均衡開采策略，優(yōu)化井位、井網(wǎng)部署模式，減少氣藏水淹風(fēng)險，提高氣藏采出程度。應(yīng)用氣藏全生命周期控水治水開發(fā)技術(shù)，精細(xì)刻畫氣藏水區(qū)面積，精準(zhǔn)鎖定水侵優(yōu)勢通道，設(shè)計(jì)科學(xué)避水、控水、排水開發(fā)措施，有效延長氣藏穩(wěn)產(chǎn)時間。

2.2.4 高含硫氣藏經(jīng)濟(jì)—技術(shù)一體化開發(fā)技術(shù)

高含硫氣藏開發(fā)材質(zhì)等級高、工藝技術(shù)復(fù)雜，需要兼顧安全生產(chǎn)和效益開發(fā)，技術(shù)—經(jīng)濟(jì)一體化的開發(fā)技術(shù)需求更加緊迫。針對高含硫氣藏開發(fā)成本高、風(fēng)險大，經(jīng)濟(jì)效益不明顯的問題，形成不同類型高含硫氣藏井位、井網(wǎng)優(yōu)化部署模式，進(jìn)一步應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論，整合資源，實(shí)現(xiàn)鄰區(qū)同采氣藏的效益化開發(fā)，同時對于有水高含硫氣藏，建立多情景條件下氣藏全生命周期生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟(jì)預(yù)測模型，設(shè)計(jì)最優(yōu)效益開發(fā)指標(biāo)，著力打造高含硫有水氣藏清潔高效開發(fā)典范。

2.3 采氣工程

2.3.1 高含硫深層碳酸鹽巖低滲透儲層有效改造技術(shù)

針對高含硫深井低滲透儲層有效改造問題，形成了碳酸鹽巖非均質(zhì)儲層大斜度井/水平井非機(jī)械方式均勻布酸技術(shù)，建立了基于酸液穿透體積和天然裂縫濾失的酸化設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并配套了耐高溫井下封隔器和高性能酸液體系。對于儲層非均質(zhì)性強(qiáng)的氣井，采用“射孔完井+轉(zhuǎn)向酸+可降解暫堵球”均勻布酸工藝技術(shù)，而對于儲層物性較好的井，采用“襯管完井+不同轉(zhuǎn)向強(qiáng)度轉(zhuǎn)向酸”均勻布酸工藝技術(shù)，通過酸化施工規(guī)模優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)長井段均勻改造，有效提高單井產(chǎn)量。

2.3.2 高溫高含硫深井排水采氣工藝技術(shù)

創(chuàng)新形成井筒氣液流動主動控制方法，研制預(yù)置式、隔離式、跨隔式排水采氣工藝，滿足了永久式封隔器氣井不同階段實(shí)施排水的需求，實(shí)現(xiàn)免修井排水采氣。預(yù)置式、隔離式工藝分別滿足新下管柱氣井和已投產(chǎn)氣井的排水采氣需求，可適時免修井建立單向工藝通道，避免酸性流體腐蝕套管；跨隔式工藝實(shí)現(xiàn)氣舉深度從過去封隔器上端延伸至油管鞋的轉(zhuǎn)變，如龍崗001-3井氣舉深度從3 185 m延伸至油管鞋的6 058 m，排水量提升5倍。研制高抗硫、高充氮、高抗外壓耐蝕氣舉閥及配套工作筒。氣舉閥抗外壓達(dá)到90 MPa，最高充氮壓力達(dá)35 MPa，適用于H2S含量達(dá)100 g/m3的環(huán)境，滿足了含硫深井的腐蝕環(huán)境以及與酸化聯(lián)作的工藝要求，形成含硫深井氣舉排水采氣技術(shù)，支撐有水含硫氣藏的穩(wěn)產(chǎn)。

2.3.3 高含硫氣井井下節(jié)流技術(shù)

由于高含硫氣井中硫化氫等酸性氣體對工具材質(zhì)的腐蝕性以及井下垢物對工具工況的影響，常規(guī)井下節(jié)流工具已不能直接應(yīng)用于高含硫氣井中，為此建立了適應(yīng)高含硫、高壓、超高壓氣井的氣水兩相流井下節(jié)流設(shè)計(jì)方法，研制超高壓、無線控制等新型抗硫井下節(jié)流工具系列，其中耐壓等級由70 MPa提升至105 MPa，溫度等級達(dá)150 ℃，抗H2S含量達(dá)225 g/m3，形成覆蓋井下節(jié)流生產(chǎn)全生命周期的技術(shù)體系。

2.4 地面集輸與腐蝕防護(hù)工程

2.4.1 高含硫氣田地面管道緩蝕劑及其現(xiàn)場應(yīng)用工藝技術(shù)

針對高含硫氣田開發(fā)過程中地面集輸管道內(nèi)易發(fā)泡形成乳狀物，從而導(dǎo)致管道堵塞及下游凈化廠脫硫裝置攔液沖塔等生產(chǎn)安全環(huán)保問題，自主研發(fā)高含硫氣田地面集輸用抑泡緩蝕劑，集輸管線內(nèi)殘液發(fā)泡量降低95%以上。自主構(gòu)建了氫通量值與內(nèi)腐蝕速率之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了高含硫氣田集輸管線預(yù)膜周期的無損檢測，抑泡緩蝕劑現(xiàn)場膜持久時間超過45天。

2.4.2 高含硫氣田元素硫垢下腐蝕評價技術(shù)

自主研發(fā)了具有知識產(chǎn)權(quán)的元素硫垢下腐蝕評價裝置，創(chuàng)新引入以電極間耦合電流表征腐蝕速率理念，建立了元素硫垢下腐蝕實(shí)時評價方法，解決了常規(guī)電化學(xué)測試FeS產(chǎn)物膜易影響評價結(jié)果的難題，明確了多硫化物誘發(fā)腐蝕是高含硫氣田地面集輸系統(tǒng)元素硫腐蝕的主要機(jī)理。研發(fā)的整管段試驗(yàn)裝置成功用于天東5-1井，并基于該裝置形成了現(xiàn)場實(shí)際工況條件下的元素硫腐蝕評價驗(yàn)證方法，解決了高含硫開采中新材料、新工藝缺乏元素硫存在實(shí)際工況條件下的長周期性能評價數(shù)據(jù)的國際共性難題。

2.5 天然氣凈化與安全環(huán)保工程

2.5.1 形成了天然氣凈化裝置尾氣SO2超低排放技術(shù)

針對常用脫硫溶劑CO2共吸率高、鋁基催化劑有機(jī)硫水解率低和常壓下加氫尾氣中H2S深度脫除難導(dǎo)致天然氣凈化裝置尾氣SO2排放濃度高的問題，創(chuàng)新研發(fā)相關(guān)系列溶劑和催化劑，形成了天然氣凈化裝置尾氣SO2超低排放技術(shù)。通過研發(fā)引入能有效阻礙醇胺與CO2反應(yīng)的抑制劑，使研發(fā)的選擇性脫硫溶劑對 CO2吸收率比常用脫硫溶劑低5%～10%，可大幅減少后續(xù)生產(chǎn)單元中有機(jī)硫生成量；通過研發(fā)一種具有高強(qiáng)度高有機(jī)硫水解活性的鈦基硫磺回收催化劑，使有機(jī)硫水解率提高到92%；通過研發(fā)與H2S反應(yīng)活性高的醇胺，形成了加氫尾氣深度脫硫溶劑，凈化尾氣中H2S含量小于20 mg/m3，較常用的醇胺降低了80%。基于該技術(shù)，凈化尾氣中的SO2濃度可由 305 mg/m3降低至 130 mg/m3，較同類裝置降低約60%。

2.5.2 形成天然氣凈化裝置污水零排放新工藝

針對天然氣凈化裝置污水含有醇胺等有機(jī)溶劑、磷酸鈉等無機(jī)鹽及油污的情況，應(yīng)用污水分質(zhì)處理理念，集成創(chuàng)新了生化處理、電滲析處理、蒸發(fā)結(jié)晶為一體的污水深度處理新技術(shù)，將凈化裝置內(nèi)的污水按照正常生產(chǎn)污水、檢修污水、初期雨水、含鹽廢水分類收集。正常生產(chǎn)污水、檢修污水和初期雨水引入生化處理裝置。含鹽廢水預(yù)處理后引入電滲析處理裝置。生化處理裝置處理后未回用完的達(dá)標(biāo)污水和電滲析處理裝置處理后所產(chǎn)生的濃水均進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶裝置進(jìn)行深度處理。水質(zhì)達(dá)標(biāo)后回用為循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水或氣田內(nèi)其他生產(chǎn)用水，污染物以結(jié)晶鹽形式從污水中析出，對結(jié)晶鹽進(jìn)行回收利用，最終實(shí)現(xiàn)污水循環(huán)利用零排放。

2.5.3 形成大型天然氣凈化裝置管控技術(shù)

針對大型天然氣凈化裝置開停車等工況導(dǎo)致的硫收率降低及潛硫轉(zhuǎn)換SO2外排問題，研發(fā)一種固體硫化劑取代酸氣作為硫源提前對催化劑進(jìn)行預(yù)硫化，實(shí)現(xiàn)硫磺回收裝置和尾氣處理裝置同步開車。在停產(chǎn)期間，通過優(yōu)化硫磺回收裝置除硫時風(fēng)氣比、溫度等關(guān)鍵操作，提高除硫操作的平穩(wěn)性及效率，進(jìn)一步減少尾氣及廢水產(chǎn)生量。

2.5.4 形成高含硫氣田區(qū)域應(yīng)急保障技術(shù)

酸性氣田區(qū)域環(huán)境復(fù)雜、人口稠密，風(fēng)險防控要求高，研究集成酸性氣田開發(fā)區(qū)域聯(lián)動應(yīng)急救援技術(shù)，形成生產(chǎn)與應(yīng)急狀態(tài)可視化、泄漏監(jiān)控全覆蓋、報警與響應(yīng)無死角的應(yīng)急保障體系，實(shí)現(xiàn)周邊環(huán)境與敏感目標(biāo)可視化動態(tài)管理，場站及管線周邊1 000 m范圍內(nèi)民居、2 000 m范圍以內(nèi)敏感目標(biāo)定位入庫，遠(yuǎn)程控制八級截斷和三級點(diǎn)火放空。

3 高含硫氣藏高效開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 超深儲層鉆完井與采氣工藝面臨更加嚴(yán)峻考驗(yàn)

高含硫天然氣勘探開發(fā)不斷向深層進(jìn)軍，部分氣井井深超過7 000 m，井底溫度接近200 ℃，工程地質(zhì)風(fēng)險不斷加大，超深、超高溫、超高壓和高含硫的儲層條件使得鉆完井和采氣工藝面臨新的、更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，具體包括：①存在多壓力系統(tǒng)、漏噴同存、鹽水發(fā)育和地層高研磨性條件下鉆井周期長、鉆速慢的難題，例如川東北地區(qū)預(yù)探井—五龍2井須家河組層厚1 915 m，累計(jì)使用鉆頭達(dá)65只，平均機(jī)械鉆速0.78 m/h，鉆井周期長達(dá)155 d[12]；②超深復(fù)雜儲層條件下入井工作液、管柱材料、試油及排水采氣工具適應(yīng)性不足，部分工具形變失效；③超深高含硫氣井壓力監(jiān)測技術(shù)需要不斷完善，苛刻服役條件下井下永置式壓力計(jì)的穩(wěn)定性和可靠性亟需進(jìn)一步提高，受溫度效應(yīng)和組分梯度的影響，氣井壓恢期間井口—井底壓力折算精度還無法滿足試井分析的要求，使得利用井口壓恢?jǐn)?shù)據(jù)快速進(jìn)行試井解釋的結(jié)果偏差較大；④隨著人工智能和地質(zhì)工程一體化技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能鉆完井—儲層改造—排水采氣一體化的新模式將會對現(xiàn)有的鉆井和采氣工藝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，相關(guān)理論研究和工藝方法比較欠缺。

3.2 元素硫與儲層及集輸系統(tǒng)間的復(fù)雜物化作用機(jī)理仍有待探索

高含硫氣藏由于元素硫的存在導(dǎo)致其開發(fā)機(jī)理更為復(fù)雜，隨著氣藏的持續(xù)開發(fā)，儲層壓力不斷降低，元素硫?qū)獠夭蓺夂图斚到y(tǒng)的影響也不斷加劇，目前川東北地區(qū)已開發(fā)的高含硫氣藏在地面管網(wǎng)和井筒中均出現(xiàn)了不同程度的元素硫沉積和腐蝕問題，給氣藏管理和清潔安全生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)，體現(xiàn)在以下4方面：①儲層條件下元素硫的賦存規(guī)律仍不清楚，硫單質(zhì)擁有大量的同素異形體，且在不同溫壓條件下的分子形態(tài)存在巨大差異，巖石儲集空間中元素硫的分子形態(tài)及其與H2S的相互作用方式還存在爭議，微納尺度硫核結(jié)晶生長規(guī)律尚不清楚，儲層條件下的流體相態(tài)行為難以準(zhǔn)確描述，四川盆地高含硫氣藏溫度多介于80～130 ℃，不同溫壓條件下元素硫析出后的形態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)一步完善；②多孔介質(zhì)中氣—水—硫三相非線性滲流規(guī)律尚不明確，高含硫氣藏普遍存在邊、底水，當(dāng)水體侵入儲層后會形成氣—液—硫多相流動，涉及流體堵塞、沖刷等多種復(fù)雜運(yùn)移行為，相關(guān)流動機(jī)理仍處于初步探索中；③高效控硫及考慮硫沉積作用下的精細(xì)化配產(chǎn)模式需進(jìn)一步明確，隨著氣藏的持續(xù)開發(fā)，地層壓力將會不斷降低，硫沉積對氣井產(chǎn)能的影響不可避免，不同配產(chǎn)模式下，由于近井區(qū)壓降和氣體攜硫能力的不同，硫單質(zhì)析出和沉積程度存在差異，目前儲層多孔介質(zhì)中含硫氣體的臨界攜硫速度還不清楚，在減少硫沉積影響的同時如何充分發(fā)揮氣藏產(chǎn)能還需要進(jìn)一步明確；④高溫高壓復(fù)雜多相流條件下的元素硫腐蝕預(yù)測模型還需要不斷完善，目前缺乏高溫高壓高含硫條件下的管道流動及腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置，元素硫在多相流條件下的析出生長機(jī)制及沉積聚集機(jī)理尚不明確，腐蝕預(yù)測模型也未考慮流動沖蝕影響。

3.3 資源品質(zhì)劣質(zhì)化導(dǎo)致高含硫氣藏規(guī)模效益開發(fā)難度增加

高含硫擴(kuò)展區(qū)塊勘探開發(fā)對象日趨復(fù)雜，資源品質(zhì)劣質(zhì)化趨勢不斷加劇，超深低滲透強(qiáng)非均質(zhì)性高含硫氣藏的規(guī)模效益開發(fā)難度增加，鉆完井、儲層改造、排水采氣等各環(huán)節(jié)成本居高不下，而隨著新技術(shù)、新工藝的大規(guī)模應(yīng)用，集輸系統(tǒng)腐蝕控制以及氣體凈化處理也面臨著越來越大的降本增效壓力。例如新研發(fā)的加氫尾氣深度脫硫溶劑雖然性能更優(yōu)，但成本也比常規(guī)醇胺溶液更高。

3.4 綠色低碳的開發(fā)理念對高含硫氣藏安全環(huán)保技術(shù)提出了更高要求

四川盆地高含硫區(qū)塊地理?xiàng)l件復(fù)雜、人口密集、河流縱橫、生態(tài)敏感，綠色低碳的開發(fā)理念使得高含硫氣藏安全清潔生產(chǎn)面臨更高的挑戰(zhàn)。高含硫氣田環(huán)境苛刻，安全生產(chǎn)要求高，對新材料和安全控制與完整性提出了新的需求，工業(yè)污染物的無害化處理及水的達(dá)標(biāo)外排需求迫切，隨著國家新的安全生產(chǎn)法和環(huán)保法要求日趨嚴(yán)格，天然氣質(zhì)量控制和減排任務(wù)更為艱巨，高含硫氣田產(chǎn)出水和鉆完井廢液的深度綠色處理需求迫切。此外，鉆完井固體廢物處理無害化率不足，油基巖屑處理難度大，現(xiàn)有處理處置方式無法有效回收廢液中的基礎(chǔ)油、添加劑等資源，造成有價資源浪費(fèi)。

4 高含硫氣藏高效開發(fā)建議及攻關(guān)方向

針對高含硫氣藏勘探開發(fā)過程中面臨的眾多挑戰(zhàn)和技術(shù)難題，要實(shí)現(xiàn)其更加安全、清潔、效益開發(fā)，需要在基礎(chǔ)科學(xué)理論不斷突破的基礎(chǔ)上，深度融合安全綠色開發(fā)理念，創(chuàng)新開發(fā)主體技術(shù)，研發(fā)關(guān)鍵材料和工具裝備，通過降本增效實(shí)現(xiàn)高含硫氣藏全生命周期開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

4.1 強(qiáng)化科技攻關(guān)，融合多學(xué)科、多方法持續(xù)開展高含硫氣藏開發(fā)基礎(chǔ)前沿理論研究

明確元素硫的賦存及物化作用機(jī)理是深化高含硫氣藏提高采收率技術(shù)的基礎(chǔ)和前提條件，需要聯(lián)合多學(xué)科持續(xù)開展基礎(chǔ)理論攻關(guān)：①基于量子力學(xué)和分子模擬方法，開展微觀尺度元素硫物化作用的理論研究，通過密度泛函理論和從頭算分子動力學(xué)方法，揭示單質(zhì)硫在儲層中的賦存狀態(tài)和作用機(jī)制，建立相應(yīng)的分子動力學(xué)模型，進(jìn)而模擬儲層中不同流體組分、溫度和壓力條件下的單質(zhì)硫賦存狀態(tài)，獲取單質(zhì)硫的溶解度曲線，進(jìn)一步得到單質(zhì)硫臨界成核和析出微觀機(jī)理，為儲層條件下的流體相態(tài)分析提供支撐，同時，基于建立的分子模型，開展含硫氣體與管材腐蝕機(jī)理研究、高溫條件下的緩蝕劑分子遷移、吸附規(guī)律研究以及硫單質(zhì)與溶硫劑分子間的溶解作用模擬，指導(dǎo)防腐管材、緩蝕劑及溶硫試劑的高效研發(fā)和優(yōu)選；②基于計(jì)算流體動力學(xué)和滲流實(shí)驗(yàn)，開展巖心尺度復(fù)雜物化作用下的流動模擬研究，攻關(guān)研發(fā)針對微納尺度硫顆粒的高效識別監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合高溫高壓流體相態(tài)分析儀，重點(diǎn)研究氣藏壓降開采過程中不同溫度和流體組分條件對硫單質(zhì)顆粒析出大小、濃度及形態(tài)的影響，修正熱力學(xué)理論建立氣—液—固相態(tài)模型，進(jìn)一步通過真實(shí)儲層數(shù)字巖心和計(jì)算流體力學(xué)模擬，形成多孔介質(zhì)內(nèi)部不同壓降下的臨界攜硫圖版，指導(dǎo)氣井合理配產(chǎn)，攻關(guān)研發(fā)適用于巖心尺度的氣—水—硫多相流動實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置，系統(tǒng)評價不同含水飽和度及水、硫同時作用下的儲層物性演變機(jī)理，為氣井產(chǎn)能評價提供支撐；③基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和含硫相態(tài)模型的宏觀氣藏數(shù)值模擬研究，利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格描述裂縫特征，精細(xì)模擬水體非均勻侵入機(jī)制，重點(diǎn)完善含硫氣藏氣—液—固多相流體共存條件下的數(shù)值模擬技術(shù)，從宏觀尺度分析氣藏不同開發(fā)模式下硫沉積對局部區(qū)域儲層物性和儲量動用程度的影響規(guī)律，以期實(shí)現(xiàn)控硫控水最優(yōu)開發(fā)方案設(shè)計(jì)；④基于管流模擬實(shí)驗(yàn)和結(jié)晶動力學(xué)，開展采氣集輸系統(tǒng)的元素硫沉積和腐蝕規(guī)律研究；攻關(guān)研發(fā)高溫高壓多相流動作用條件下元素硫沉積和腐蝕評價裝置，研究流動對腐蝕速率、腐蝕產(chǎn)物膜和硫核生長機(jī)制的影響，進(jìn)而建立考慮沖刷腐蝕和電化學(xué)腐蝕共同作用下的腐蝕速率預(yù)測模型以及考慮管壁雜物和多相流沖刷作用下的異質(zhì)形核結(jié)晶生長模型，深刻揭示真實(shí)工況條件下的材質(zhì)腐蝕和硫沉積機(jī)制。

4.2 加強(qiáng)新工藝、新技術(shù)研發(fā)力度，完善超深高含硫氣藏開發(fā)技術(shù)體系

新工藝、新技術(shù)的不斷突破是超深高含硫氣藏高效開發(fā)的核心，針對高含硫區(qū)塊超深儲層、高研磨地層及復(fù)雜酸性流體環(huán)境需要在以下方面持續(xù)攻關(guān)：①超深高含硫氣藏鉆完井和采氣工藝技術(shù)，包括超深井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、高效破巖鉆井提速技術(shù)、超深井防漏與儲層保護(hù)技術(shù)、超深井專用試油工作液、井完整性風(fēng)險定量評價技術(shù)、含硫深井及超深井井下排水采氣工具等；②超深高含硫氣井壓力監(jiān)測技術(shù)，包括適用苛刻條件下的井下壓力監(jiān)測計(jì)量設(shè)備、可適用于試井分析的井口—井底壓力精確折算技術(shù)以及氣井壓力、溫度剖面實(shí)時預(yù)測分析技術(shù)等；③基于人工智能和大數(shù)據(jù)的地質(zhì)—工程一體化技術(shù)，包括基于人工智能的隨鉆檢測與風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)、隨鉆智能錄井技術(shù)和智能鉆完井—儲層改造—排水采氣一體化技術(shù)等。

4.3 創(chuàng)新降本增效工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣藏技術(shù)—經(jīng)濟(jì)一體化開發(fā)模式下的效益最優(yōu)

在鉆完井工程領(lǐng)域需要攻關(guān)安全快速建井技術(shù)，減少鉆井故障和鉆井周期，完善叢式井組、平臺化等集約式產(chǎn)能建設(shè)模式，降低建設(shè)用地成本。高含硫氣藏降本增效的核心在于不斷優(yōu)化氣藏開發(fā)主體技術(shù)，降低氣藏開發(fā)不同環(huán)節(jié)的作業(yè)成本，同時最大限度提高氣藏采出程度。在氣藏工程領(lǐng)域需要更為精確地刻畫優(yōu)質(zhì)儲層的展布規(guī)律，合理設(shè)計(jì)井網(wǎng)井距，均衡動用、科學(xué)配產(chǎn)，盡可能地減少水侵對氣藏的影響，提升氣藏儲量動用程度。在排水采氣領(lǐng)域要持續(xù)攻關(guān)提升單井產(chǎn)量技術(shù)和氣井快速解堵技術(shù)，優(yōu)選低成本實(shí)用井下工具，降低氣井廢棄壓力，增加經(jīng)濟(jì)可采儲量。在腐蝕控制和天然氣凈化領(lǐng)域要從優(yōu)化生產(chǎn)工藝和操作參數(shù)入手，在確保性能不變的條件下，進(jìn)一步降低藥劑成本和能耗。

4.4 深度融合綠色低碳開發(fā)理念，形成高含硫氣藏開發(fā)全生命周期的安全環(huán)保技術(shù)體系

安全、清潔、高效始終是貫穿高含硫氣藏開發(fā)的主線和核心，而隨著國家綠色礦山治理行動部署，推進(jìn)高含硫氣藏全生命周期的安全綠色低碳開發(fā)極為重要，需要在以下方向持續(xù)攻關(guān)：①鉆完井廢棄工作液無害化處理技術(shù)，設(shè)計(jì)模塊化、集約化的鉆完井廢棄工作液高效處理裝備，開展不同體系鉆完井廢液快速處理工藝，研發(fā)環(huán)境友好型處理劑，提高廢物無害化率，提升鉆井液固化處理能力，研發(fā)油基巖屑高效綠色處理技術(shù)，探索鉆井固體廢物循環(huán)利用途徑；②氣田地層水深度綠色處理技術(shù)，不斷優(yōu)化地層水處理工藝流程和藥劑配方，持續(xù)開展地層水回注安全風(fēng)險分析，加強(qiáng)回注環(huán)境風(fēng)險管理，研究技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行的地層水“資源化、無害化、循環(huán)利用”處理技術(shù)，攻關(guān)產(chǎn)出地層水高附加值資源多級利用關(guān)鍵技術(shù)，形成地層水取熱、取礦（如提鋰、提溴）等資源化利用技術(shù)體系；③天然氣集輸凈化系統(tǒng)節(jié)能減排與深度脫硫脫碳技術(shù)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)對天然氣集輸凈化工藝進(jìn)行實(shí)時在線分析，建立天然氣生產(chǎn)全流程的能源管理方法，及時調(diào)整不同負(fù)荷狀態(tài)下的裝置運(yùn)行參數(shù)，攻關(guān)凈化尾氣余熱等能量回收與利用技術(shù)，切實(shí)降低設(shè)備能耗，提升能源利用管控水平，同時，加大攻關(guān)環(huán)保型可循環(huán)高效脫硫脫碳技術(shù)以及低成本碳捕集—利用技術(shù)，提升高含硫天然氣開發(fā)過程整體綠色低碳程度，支撐綠色低碳西南模式的戰(zhàn)略部署；④高含硫天然氣開發(fā)風(fēng)險智能預(yù)警與安全控制技術(shù)，不斷推進(jìn)高含硫氣藏開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的信息化和數(shù)字化，并以大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新一代信息技術(shù)為融合點(diǎn)，研發(fā)適用于四川盆地復(fù)雜山地的高含硫天然氣開發(fā)全生命周期智能化風(fēng)險預(yù)警技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)H2S泄漏早期預(yù)判與輔助智能決策，為高含硫氣田區(qū)域性應(yīng)急保障和應(yīng)急資源優(yōu)化提供支撐。

5 結(jié)論

1）高含硫新勘探開發(fā)區(qū)塊地層高研磨性、壓力系統(tǒng)復(fù)雜、漏噴同存、鹽水發(fā)育，安全鉆井風(fēng)險大，要持續(xù)完善復(fù)雜地質(zhì)條件下安全高效鉆完井主體工藝技術(shù)體系，攻關(guān)信息化智能化鉆完井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高含硫氣井安全優(yōu)快鉆完井，保障高含硫油氣資源勘探開發(fā)的順利開展。

2）高含硫氣藏資源品質(zhì)劣質(zhì)化趨勢加劇，規(guī)模效益化開發(fā)難度不斷增加，差異化高效治水控硫技術(shù)需求迫切，要不斷創(chuàng)新和優(yōu)化高含硫氣藏開發(fā)技術(shù)對策，建立考慮硫沉積作用下的精細(xì)化配產(chǎn)模式，充分發(fā)揮氣井產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)氣藏技術(shù)—經(jīng)濟(jì)一體化開發(fā)模式下的效益最優(yōu)。

3）超深、有水高含硫的井下環(huán)境給采氣工藝帶來新的挑戰(zhàn)，要升級完善已有采氣工藝主體技術(shù)，加強(qiáng)新材料、新工藝、新技術(shù)的研發(fā)，提升排水采氣和動態(tài)監(jiān)測工具在復(fù)雜苛刻工況條件下的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，推進(jìn)人工智能和大數(shù)據(jù)在儲層改造—排水采氣一體化技術(shù)中的應(yīng)用。

4）元素硫與集輸系統(tǒng)間的復(fù)雜物化作用機(jī)理仍有待探索，單質(zhì)硫在管道多相流條件下的析出生長機(jī)制及沉積聚集機(jī)理尚不明確，高溫高壓復(fù)雜多相流條件下的硫腐蝕預(yù)測模型還需要不斷完善，要融合多學(xué)科、多方法持續(xù)開展前沿基礎(chǔ)研究，攻關(guān)研發(fā)低成本高效防腐材料，建立高溫高壓多相流動作用條件下元素硫沉積和腐蝕評價裝置及應(yīng)用理論，減少元素硫?qū)獠厣a(chǎn)的影響。

5）安全、清潔、高效始終是貫穿高含硫氣藏開發(fā)的主線和核心，隨著國家綠色礦山治理行動的部署，高質(zhì)量推進(jìn)高含硫氣藏全生命周期的安全綠色低碳開發(fā)極為重要，要持續(xù)攻關(guān)廢水、廢液高附加值資源多級利用關(guān)鍵技術(shù)，形成適用于我國高含硫氣藏的綠色低碳安全環(huán)保技術(shù)體系。