高含硫天然氣一般知識(shí)

1、高含硫天然氣一般知識(shí)含硫天然氣對(duì)鋼材的影響在酸性環(huán)境中使用的碳鋼通常碳含量低于0.25%,還含有微量的其它元素。低合金鋼由鐵和下面這些微量的元素組成：GSi、MnP、S、Ni、CuCr、MoVAl、NbB、Sn、Sb和Cd這些元素有一些是用于使鋼材具有某些性質(zhì)，而其它則是雜質(zhì)，在鋼材的生產(chǎn)過程中沒有完全除去。所有這些元素，除了鐵以外，其總含量通常低于4%重量，然而當(dāng)含硫天然氣在一定壓力下與鋼材直接接觸時(shí)，這些雜質(zhì)中有些卻對(duì)鋼材的性質(zhì)不利，盡管其含量很低。在下面的討論中，碳鋼和低合金鋼都簡稱鋼，因?yàn)樗嵝原h(huán)境中應(yīng)用時(shí)它們的一般要求是類似的。有含硫原油或含硫天然氣而無自由水的鋼管或鋼質(zhì)容器中，HS會(huì)

2、和鐵發(fā)生反應(yīng)在鋼表面生成一層硫化鐵(FeS)薄膜。這層FeS薄膜會(huì)阻止鐵和屋S的進(jìn)一步反應(yīng)，這樣H2S對(duì)金屬的進(jìn)一步作用幾乎可以免除。然而，在有自由水存在的情況下，H2S與金屬間的化學(xué)反應(yīng)就會(huì)被陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)所促進(jìn)，如下所示：陽極：Fe<->Fe+2eHS+HO->H+HS-+HOHS+H2O->H+S=+HO陰極：2e+2hl+Fe+S=2H+FeS總反應(yīng)：Fe+HS-H2、FeS+2H上述反應(yīng)的產(chǎn)物之一是氫原子（H）,它能夠穿透鋼，并能沿著晶界遷移。上述反應(yīng)的總結(jié)果會(huì)在下面這些有害的影響時(shí)表現(xiàn)出來：- 普遍的金屬失重腐蝕- 腐蝕斑點(diǎn)（點(diǎn)蝕）- 氫致開裂（HIC）

3、和起泡- 氫脆和硫化物應(yīng)力開裂（SS。普通的金屬失重腐蝕在有水存在的情況下，H2S和有限的管壁或容器壁之間的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致金屬失重，并能導(dǎo)致它們失效。水和一些處理劑的水溶液（如乙二醇、甲醇或胺）能促進(jìn)前面所述的電化學(xué)反應(yīng)。所有的原生含硫天然氣也含有二氧化碳（CQ）,溶于水后呈酸性，在有水的情況下會(huì)腐蝕鐵。工業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明，含硫天然氣中HS和CO之比低于1:1時(shí)，在潮濕環(huán)境下其腐蝕性比H2S含量大于CO含量時(shí)要高13。這是由于生成的碳酸鐵垢層在金屬表面的吸附?jīng)]有FeS膜強(qiáng)。故任何能干擾FeS膜形成的條件都會(huì)導(dǎo)致對(duì)管壁或容器壁的腐蝕。點(diǎn)蝕腐蝕只不過是由于形成了陽極電池而導(dǎo)致在管子或容器的局部點(diǎn)或區(qū)域的集中

4、腐蝕和金屬失重。通常出現(xiàn)在流體靜止或幾乎靜止的環(huán)境下，最初可以是由管子的缺陷或金屬表面的一小塊垢或其它沉降物引起的。一旦形成后，金屬失重反應(yīng)就能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)е箩樋资叫孤?，一般不?huì)影響鄰近的管子。氫致開裂（HIC）和起泡H2S和鐵在水溶液中反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子能夠擴(kuò)散進(jìn)金屬中并能沿著晶界遷移網(wǎng)，然后它們試圖積聚在金屬結(jié)構(gòu)中有缺陷的地方，例如夾渣、空隙、不連續(xù)點(diǎn)、和分層處。在一定壓力下，這些部位的氫原子結(jié)合成氫分子后占據(jù)了更大的空間，不能輕易穿過金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行遷移，結(jié)果，在這些內(nèi)部氣壓越來越高，最終導(dǎo)致金屬開裂，或金屬分離引起金屬起泡。氫脆和硫化物應(yīng)力開裂鋼的氫脆是氫原子遷移進(jìn)鋼的晶格里后引起的16,

5、這樣導(dǎo)致的結(jié)果是降低了鋼的韌性和強(qiáng)度，在外加應(yīng)力作用下，也能在所用應(yīng)力下導(dǎo)致鋼報(bào)廢，通常認(rèn)為該應(yīng)力大大低于鋼的特定最小強(qiáng)度值。這種由氫誘發(fā)的，脆性延遲失效通常稱為硫化物應(yīng)力開裂（SSC）17。沒有消除應(yīng)力的焊接很容易引起氫脆和失效。影響SSC勺因素有：- 鋼的硬度- 微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和熱處理- H2s濃度和系統(tǒng)壓力- 與鋼和H2S接觸的液體的PH值- 溫度- 外加應(yīng)力等級(jí)- 殘余內(nèi)應(yīng)力- 時(shí)間清除含硫堵塞物一些含硫天然氣中含有單質(zhì)硫，與HS結(jié)合形成多硫化物。隨氣流接近井口時(shí)溫度和壓力的降低，或含硫天然氣在井口設(shè)備中冷卻時(shí)，多硫化物顆粒就會(huì)沉積下來，這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，油管中硫就會(huì)堆積導(dǎo)致油管堵塞

6、，這與天然氣水化物很相似。在設(shè)計(jì)油管時(shí)可以采取預(yù)防措施，如連續(xù)向井中注入一種能溶解硫的溶劑，把硫帶出來，這個(gè)方法費(fèi)用很高，在加拿大至今也沒人使用。人們發(fā)現(xiàn)用硫溶劑周期分批處理油管柱可以解決這個(gè)問題。在阿爾伯達(dá)常用的硫溶劑是二甲基二硫化物(DMDS和二芳基二硫化物(DADSb要除掉油管中的硫堵塞物，必須關(guān)井，然后泵入300400升的純化學(xué)溶劑。關(guān)井35小時(shí)后，井就可以恢復(fù)生產(chǎn)，使氣流經(jīng)過分離器，回收含硫溶劑。盡管這些含硫溶劑可以再生，但在大多數(shù)情況下，只把這些溶劑同生產(chǎn)廢水一起注入廢水處理井。人們發(fā)現(xiàn)由硫引起油管堵塞問題是暫時(shí)的，生產(chǎn)幾個(gè)月之后，這個(gè)問題就會(huì)消失。含硫天然氣氣井的冷啟動(dòng)在關(guān)閉了一

7、段時(shí)期之后，啟動(dòng)一口含硫井，井口和下游管線將是冷的。無論設(shè)計(jì)和安裝哪種防水化的設(shè)備，向接近井口處的管子中注入甲醇都是有必要的。這往往在帶入井前要注入幾分鐘。除了流量調(diào)節(jié)閥外，確認(rèn)到加工廠的整個(gè)流程，都是通暢的是非常重要的。當(dāng)井準(zhǔn)備好要輸氣時(shí)，所有人工操作閥必須打開，最后打開流量調(diào)節(jié)閥，該閥門現(xiàn)在已經(jīng)由SCAD原統(tǒng)來控制。流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)該慢慢打開，但一旦氣流形成后，其速度應(yīng)該增加，以便使井場的油管和輸送管線盡可能快地?zé)崞饋?。一旦流量控制閥的上游的溫度增加并高于水化溫度，流體速度會(huì)減小，假如在井場中使用到管線加熱器在壓力減小并通過流量調(diào)節(jié)閥前加熱氣體。流量調(diào)節(jié)閥上游溫度必須保持高于水化溫度幾度，否則

8、就需要不停地注入甲醇。一旦達(dá)到所期望的溫度，整個(gè)系統(tǒng)的溫度就高于水化溫度了，便可以停止注入甲醇。冷啟動(dòng)注入甲醇的持續(xù)時(shí)間取決于在上游流體溫度的增長速度，也取決于在井場是否安裝了管線加熱器。當(dāng)井內(nèi)流體內(nèi)開始流動(dòng)時(shí)，在沒有熱流體循環(huán)到環(huán)空之中的情況下，為了使油管熱起來，流體以相當(dāng)高的速度流動(dòng)是有必要的，常常要花幾分鐘來升高溫度使之在冷啟動(dòng)中超過水化溫度。水化物可以在油管中形成，但在低于水化溫度的情況下，需要花相當(dāng)長時(shí)間才能在油管中形成水化物堵塞。流體一旦出了油管，就在井口附近的氣流中注入甲醇，或向井中流體交匯處的一個(gè)側(cè)面注入甲醇都可以避免形成水化物。如果一口井短時(shí)間關(guān)閉，重新啟動(dòng)也可能需要注入甲醇

9、，這取決于關(guān)閉時(shí)間持續(xù)的長短。始終要記住的一點(diǎn)是：水化物是在操作壓力下溫度低于水化溫度而形成，在水化物有可能在流動(dòng)過程中形成塊狀物導(dǎo)致堵塞管線前，需要短時(shí)間的流體流動(dòng)。流速考慮從井中出來的氣體最大流速取決于儲(chǔ)層特征和地表設(shè)備的設(shè)計(jì)，如果有強(qiáng)的水驅(qū)，在很多情況下，限制生產(chǎn)壓差是有必要的，因此而避免了水錐進(jìn)。在沒有水驅(qū)的儲(chǔ)層中，儲(chǔ)層受損的機(jī)會(huì)就小多了，如果存在水驅(qū)的話，儲(chǔ)層專家認(rèn)為應(yīng)該確定一個(gè)流速限。地表的設(shè)備常常是按一定的流速來設(shè)計(jì)的，如果流速超過了設(shè)計(jì)值的20%就會(huì)出現(xiàn)測量時(shí)以及出現(xiàn)一些由于氣體高速率所產(chǎn)生其它問題。流體抽樣如果氣井已經(jīng)經(jīng)過回壓測試和抽樣（如第三部分所述），那么至少在一年之內(nèi)都

10、沒有必要對(duì)該井抽樣，儲(chǔ)層中流體的組成不會(huì)改變。如果需要抽樣，應(yīng)該從表面而不是油管底部抽樣。用電纜工具取樣總是危險(xiǎn)的，因?yàn)殡娎|有可能損壞，結(jié)果會(huì)付出昂貴的代價(jià)。油管堵塞在以下三種情況下，油管可能被堵塞：形成水化物形成硫磺機(jī)械事故當(dāng)速率和井口壓力減小持續(xù)了一段時(shí)間，如幾個(gè)小時(shí)或一天時(shí)，就要注意油管是否被堵。在這種情況下，應(yīng)該立即將井關(guān)閉，要在井被全部堵塞前把原因調(diào)查清楚，如果是因?yàn)樗饔枚斐啥氯?，可以從井口溫度來判斷，操作人員必須要知道每天的井口流體溫度。如果油管中溫度下降并低于水化溫度，就會(huì)形成水化物，最終導(dǎo)致管線堵塞。為了避免這種情況，井口氣體的溫度既可通過讓氣體在高速下流動(dòng)而升高，也可通

11、過安裝熱流體循環(huán)柱來升高。向井下注入化學(xué)物質(zhì)是另一種可行方法，但這常常因?yàn)楹茈y在井下安裝注入閥而不使用。硫磺的沉積另一種使油管堵塞的原因，這可能發(fā)生在含硫天然氣中含有單質(zhì)硫時(shí)。不可能預(yù)測含硫天然氣在溶液中是否含有單質(zhì)硫，這只有通過跟蹤流體看是否有硫磺流出或是否沉積在設(shè)備中來確定。如果在某種壓力下啟動(dòng)井而忽略了套管壓力時(shí)，液體充滿環(huán)空，可能發(fā)生油管的機(jī)械故障。當(dāng)井內(nèi)溫度升高時(shí)，環(huán)空中液體的溫度會(huì)增加，由于熱膨脹，壓力也會(huì)隨之增加。因此就有必要在開始啟動(dòng)時(shí)放出一部分液體，來保持套管的最高壓力在5000kPa左右。當(dāng)井關(guān)閉和冷卻后，壓力可能降低到零，在該井最初生產(chǎn)時(shí)，必須確保套管的壓力不超過最高的極

12、限壓力，如5000kPa或是不超過由工程師設(shè)計(jì)的其他極限值，這一點(diǎn)很重要。如果油管記錄中出現(xiàn)了堵塞情況，那么第一步要檢查的是堵塞前幾天流體的溫度和壓力記錄。這也包括套管壓力。如果溫度記錄表明沒有水化物形成，導(dǎo)致堵塞的可能是硫磺沉積。下一步要做的是用電纜工具下入井中以檢查堵塞的深度。如果堵塞發(fā)生在地表附近，就可以排除是水化作用，而且極可能是硫磺沉積。如果是在比較深的位輅，就可能由于油管倒塌引起的。當(dāng)電纜工具從油管中拉出來時(shí)，上面可能附著有一些物質(zhì)，可以把這些物質(zhì)拿來分析。這也可以為解決堵塞問題提供一定線索。如果是因?yàn)樗锒氯梢韵蛴凸苤凶⑷爰状?。如果是因?yàn)榱蚧切纬傻亩氯?，可以向油管中注入硫?/p>

13、劑如DMDS當(dāng)加入溶劑后，氣井可以關(guān)閉兒個(gè)小時(shí)，以使溶劑有足夠時(shí)間流下并溶解堵塞的物質(zhì)。井場設(shè)備的正常操作井場設(shè)備在正常操作過程中，主要有以下幾個(gè)作用：一流量控制和調(diào)整一流量測定一在集輸系統(tǒng)中預(yù)防水化物的形成一從井口到加工廠的所有設(shè)備的防腐應(yīng)由一個(gè)培訓(xùn)過的操作人員負(fù)責(zé)以確保以上所有作用都得以實(shí)施。這些都要在井場的空氣中沒有硫化物泄漏出來的情況下進(jìn)行。如果有HS泄漏到空氣中，就會(huì)產(chǎn)生異味，其結(jié)果也就不可靠。井場有效運(yùn)行的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合理的設(shè)備，并在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)操作設(shè)備。訓(xùn)練操作人員了解天然氣性質(zhì)理論方面的知識(shí)和設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)所要考慮的因素。這一點(diǎn)是很重要的，如果設(shè)計(jì)考慮得不夠充分，操作難度將會(huì)增大。應(yīng)

14、該有書面的設(shè)備操作手冊，操作人員必須對(duì)操作手冊十分熟悉。操作人員應(yīng)該訓(xùn)練有素，具有發(fā)現(xiàn)潛在問題的能力，如水化物的形成或壓力升降等問題，應(yīng)該在它們導(dǎo)致嚴(yán)重危害之前，就得以發(fā)現(xiàn)。對(duì)操作人員來說，安全訓(xùn)練也是很重要的，必須給他們裝備HS檢測儀，且他們必須能夠發(fā)現(xiàn)在井場上安裝的安全設(shè)備如HS檢測儀，是否處于正常工作狀態(tài)。集輸系統(tǒng)操作對(duì)集輸系統(tǒng)操作日常所關(guān)心主要是確保沒有形成水化物其次是確保抑制腐蝕的程序正常工作。這就意味著必須注意在適當(dāng)時(shí)候注入防腐劑。防腐程序必須由化學(xué)品供應(yīng)公司的專家來確定，并至始至終都得堅(jiān)持執(zhí)行，該程序包括在井場不斷地注入抑制劑，有時(shí)，還向管線中批量注入抑制劑。要監(jiān)測腐蝕很難，最可

15、靠的方法是用智能豬在內(nèi)部檢測，這需要在管線兩端安裝相應(yīng)的智能豬的發(fā)射和接收裝輅。用這種儀器來檢測是很昂貴的，但它能對(duì)于一個(gè)防腐程序提供最佳評(píng)價(jià)結(jié)果。如果在同一管線中，液體伴隨有含硫天然氣產(chǎn)生，就會(huì)出現(xiàn)液體緩慢流入工廠入口分離器的情況。如果入口分離器的尺寸不足夠大，問題就會(huì)擴(kuò)大。該問題可以通過逐漸提高流入工廠的流體量的辦法在一定程度上控制加以解決，而不是突然急劇增加產(chǎn)量來解決。含硫天然氣加工廠的位輅和運(yùn)作含硫天然氣加工廠并不是太多，因?yàn)樗麄兲幚淼氖呛艹羟矣卸镜奈镔|(zhì)，這就導(dǎo)致在有人居住的地區(qū)選擇加工廠的位輅很難，要選擇氣體加工廠位輅一般首先要考慮的因素如下：一在公路比較方便的入口處，便于貨物和人員

16、的運(yùn)輸。一在水源附近，方便流程用水。一相對(duì)靠近油氣田生產(chǎn)井。一避開人口密集地區(qū)。一旦場地選擇了，并滿足了上述要求，就要進(jìn)行地理?xiàng)l件評(píng)價(jià)來確保土壤條件能承受建立重型的容器和機(jī)械設(shè)備。完成一個(gè)重要含硫天然氣處理和硫回收加工廠的設(shè)計(jì)和建設(shè)工作要花上幾個(gè)月的時(shí)間。含硫天然氣加工廠的設(shè)備和操作可參見第七部分。需要注意的是：保持脫硫用的溶劑盡量干凈，避免發(fā)泡。在含硫天然氣的加工過程中，總伴隨有腐蝕，因此要考慮選擇材料和防腐劑來控制腐蝕。液體緩緩流入加工廠，當(dāng)入口分離器的尺寸不足夠大而不能適應(yīng)液體的突然回流時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些問題。主要措施是在入口的前端安裝一個(gè)大的容器來控制液體的堵塞。硫加工廠運(yùn)作硫加工廠應(yīng)該

17、達(dá)到設(shè)計(jì)中所指定的硫磺回收率。這首先需要一個(gè)能滿足要求的設(shè)計(jì)。第二是設(shè)備必須在設(shè)計(jì)要求條件下嚴(yán)格地進(jìn)行操作。在硫回收工廠的設(shè)備維修是非常重要的，要不斷保持空氣和含硫天然氣的比例。這就意味著尾氣的采樣和分析要求十分準(zhǔn)確且自動(dòng)控制的空氣供給系統(tǒng)也要求精確。健康、安全和環(huán)境含硫天然氣的處理可以做到安全、有效。要達(dá)到這些要求，必須采取以下措施。第一步也是最重要的一步是：必須根據(jù)適用于含硫天然氣的法律，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定來設(shè)計(jì)設(shè)備。這包括了材料的要求和選擇、建造和自動(dòng)化，這沒有捷徑可走，含硫天然氣操作與低硫氣體的操作相比主要有兩點(diǎn)不同：一HS的毒一由原子氫而導(dǎo)致SSC因此會(huì)導(dǎo)致發(fā)生潛在的材料故障。在世界很多地方

18、，含硫天然氣已經(jīng)安全生產(chǎn)很多年了安全操作最重要的一條是上面所列的第一步。第三個(gè)重要的步驟是：培訓(xùn)相應(yīng)的人員來對(duì)負(fù)責(zé)操作和維護(hù)含硫天然氣設(shè)備。沒有通過屋S安全培訓(xùn)的人員不應(yīng)該在含硫天然氣設(shè)備附近工作。要操作含硫天然氣設(shè)備的人員必須有相應(yīng)的安全許可證。除了培訓(xùn)外，負(fù)責(zé)操作的公司應(yīng)確保操作人員在有緊急情況時(shí)，應(yīng)有必要的防毒面具。他們還應(yīng)在營救和使人復(fù)蘇的方法上受到過訓(xùn)練。還應(yīng)提供書面形式的關(guān)于人員的安全程序的行為準(zhǔn)則。在建筑物內(nèi)和接近門外裝輅上（如氣井）安裝HS檢測儀，當(dāng)有危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)該發(fā)出警報(bào)。所有的設(shè)備上都應(yīng)裝上這種警報(bào)器。當(dāng)一個(gè)人需要進(jìn)入一個(gè)放輅含硫天然氣設(shè)備的建筑時(shí)，就應(yīng)該讓他佩戴HS檢測儀?？紤]到環(huán)境問題，最常見泄漏