井筒除硫技术在大牛地气田下古生界的应用

袁本福

（ 中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006 ）

大牛地气田下古生界碳酸盐岩储层，面积997 km2，储量305×108m3，是大牛地气田产能建设的重要接替储层，具有较好的开发前景[1–4]。目前共投产90口井，由于地质原因，部分气井含一定浓度的H2S气体，目前，检测出含有H2S的气井52口，含硫井占57.8%。52口含硫井中，H2S体积分数超过13（国家二类气外输标准）的气井占48%，共25口；H2S体积分数13～100的有12口，体积分数大于100的有13口。由于大牛地气田下古生界气藏含硫特征具有井位分散、H2S浓度整体低微、产出规律不明确的特点，若进行地面装置集中脱硫，需要一次性投入很高的成本，投资风险较大。因此，本文通过建立相关评价模型，对五种液体除硫剂在大牛地气田下古生界试验效果进行客观分析与评价，择优而选，进而全面推广应用，为释放含硫气井产能，实现企业经济效益最大化提供技术支撑。

1 井筒除硫技术

目前，国内外脱除H2S的方法主要可分为物理法、化学法和生物法等，其中，化学法在含H2S油气藏脱硫应用最为广泛[5]。川西、普光、长庆等高含硫气藏，均采用地面集中湿法/干法脱硫，实现了高含硫气藏效益开发[6–7]。井筒除硫技术是通过向井筒内泵入液体除硫剂实现降低H2S浓度的一种简单、实用、经济的工艺技术，属于化学方法除硫范畴。液体除硫剂是一种由主剂、促吸剂、催化剂等多种单剂复配后的化学药剂，通过化学反应将H2S中的H原子置换成C原子，把H–S键转化为C–S键，使S元素以无毒、稳定的分子结构存在，从而降低含H2S天然气的毒性和对管材设备的腐蚀危害[1]。

目前，市场中生产的液体除硫剂主要包括均三嗪类、醇胺类、碱溶液类等，不同液体除硫剂的除硫能力、价格等也参差不齐，如何针对不同的除硫剂进行优选评价，进而推广应用，需要开展现场试验对比分析。为此，本文根据不同除硫剂的性能参数以及试验气井的特点进行加注量设计和加注制度的制定。

1.1 除硫剂加注量设计

除硫能力是表征除硫剂脱除H2S的一个重要指标，即每消耗1kg的除硫剂，可以除去H2S的量。因此，以除硫能力为主要变量，结合气井试验前的日均产气量和检测的H2S浓度，可以计算出每一种除硫剂的设计加注量，见公式（1）所示：

式中：V为除硫剂加量，L；1Q为试验前日均产气量，m3；xV为试验前平均H2S体积分数，10–6；1ρ为H2S标况下密度，1 518 g/m3；2ρ为除硫剂密度，g/cm3；C为除硫能力，g/L。

1.2 除硫剂加注制度

为了得到不同除硫剂在同一口含硫气井上的除硫效果，采用统一的加注方式和加注周期。同时，为了尽量降低不同除硫剂之间因试验前后顺序不同而相互干扰，每种除硫剂试验后，设定10 d的空白期，使含硫天然气尽可能地消耗残余除硫剂和恢复到试验前的硫化氢浓度范围。

首先，井口油管一次性加注每日设计用量，关井2 h后开井生产。在集输站单井管线入口压力表考克处，通过安装在线式硫化氢检测仪，把H2S检测数据实时传送到值班房，实现对井筒除硫后H2S浓度的安全监测与动态评价[8–9]。

其次，加注制度分为三个周期。第1～2 d为第一周期，加注量为理论设计量的3倍，加水最小稀释比例1∶3，最大稀释比例1∶5；第3～5 d为第二周期，加注量以理论设计量为基础，结合第一周期试验效果，可进行±50%调整，加水稀释比例最大1∶3；第6～10 d为第三周期，加注量可根据第二周期试验效果进行±20%调整，并保持加注量不变至结束，加水稀释比例最大1∶3。

2 评价指标

井筒除硫现场试验主要从除硫剂配伍性、除硫能力、经济性三个指标进行评价，从而优选出性价比最优的除硫剂，进行进一步推广应用。

2.1 配伍性评价指标

室内配伍性实验是分别将甲醇、泡排剂、地层水与除硫剂按1∶1比例混合，静置4 h后观察是否互溶或者是否产生絮凝物沉淀等现象，若产生絮凝物沉淀，可能会对气井长期稳定生产带来不利影响，则不考虑进行推广应用。

2.2 除硫能力评价指标

为了对不同除硫剂现场实际应用效果做客观地评价，并获取与含硫气井实际工况更为符合的除硫能力，根据试验前和试验期间气井平均日产气量、平均H2S体积分数、除硫剂加量以及试验天数，建立现场试验工况下的除硫能力计算模型，见公式（2）。

式中：C′为除硫能力，g/L；1Q为试验前日均产气量，m3；xV为试验前平均H2S体积分数，10–6；1Q′为试验期间日均产气量，m3；xV′为试验期间平均H2S体积分数，10–6；1ρ为H2S标况下密度，1 518g/m3；d为试验时间，d；V为除硫剂加量，L。

2.3 经济性评价指标

为了优选评价出经济、有效的除硫剂，依据不同除硫剂价格，结合现场试验除硫剂加注量、气井日均产气量、试验天数等参数建立了经济性计算模型，见公式（3）。

式中：P为成本，元/m3；V为除硫剂加量，L；2ρ为除硫剂密度，g/cm3；T为除硫剂价格，元/t；1Q′为试验期间日均产气量，cm3；d为试验时间，d。

3 试验效果评价

优选XG3为试验井，该井试验前空白期日均产气量47 254 m3/d，H2S平均体积分数64.86×10–6，计算得出日潜硫量为4 652 g。对五种除硫剂进行了现场井筒除硫试验，试验天数均为10 d，试验前空白天数均为10 d，依据建立的评价指标模型和试验数据得到客观的评价结果。

3.1 配伍性评价结果

通过室内15组配伍性实验得出，B与C除硫剂与不同药剂及地层水的配伍性完全达标（图1、图2），A除硫剂与地层水混合后发生了絮状物沉淀，D、E三种除硫剂与地层水混合后均发生了颜色变化，但未产生絮状物沉淀，详细实验结果如表1所示。

图1 除硫剂B与不同药剂及地层水配伍性

图2 除硫剂C与不同药剂及地层水配伍性

表1 不同除硫剂配伍性实验结果

3.2 除硫能力评价结果

依据除硫能力计算模型公式（2），结合试验数据，分别对现场试验的五种除硫剂进行了评价，根据计算结果可知，B除硫剂的除硫能力最高（表2），与除硫能力偏差值也最小。除硫能力偏差值反映除硫剂厂家提供的室内理论值与现场实际井况试验值之间的偏差百分比，该值越小，越能真实地反映除硫剂的除硫效果，说明除硫剂设计加注量更合理。

表2 试验期间不同除硫剂除硫能力评价结果

3.3 经济性评价结果

依据经济性评价模型公式（3），结合试验数据，分别对现场试验的五种除硫剂进行经济性评价，根据计算结果可知：每立方米气成本和每克硫成本从小到大排序为：B＜C＜E＜D＜A。具体数据见表3，其中B除硫剂的每立方米气成本最低，经济性最好。

表3 试验期间不同除硫剂除硫成本评价

3.4 推广应用效果

通过2019年对五种除硫剂进行现场试验与评价，综合试验期间配伍性评价、除硫能力评价、经济性评价三个重要指标，优选出性价比最优的B型除硫剂（图3）。针对H2S体积分数小于100的含硫气井，在2020年全面推广应用12口井，其中2口井加注一个月后，H2S体积分数至今一直为0；3口井加注三个月后，H2S体积分数一直维持在国家二类气外输标准以下；剩余7口井持续进行井筒除硫，产出H2S体积分数也控制在国家二类气外输标准以下，取得了较好的除硫效果。期间，通过优化药剂加注量和制度，除硫综合成本为0.049元/m3（除硫剂成本按照26 000元/t购买，每立方米气按照1.168元销售，计算产出气净收益2 973万元，见表4）。

图3 五种除硫剂试验效果跟踪

表4 推广应用阶段效果分析

针对H2S体积分数小于100的含硫气井，推广应用阶段，有5口井在一定时间内加注除硫剂后产出气不再含H2S或体积分数小于13，也进一步说明部分气井产出的硫化氢为次生，采用集中建站的脱硫工艺并不适用，且存在较大的经济风险；另外7口井除硫效果显著，综合成本较低，具有盈利空间。综合来看，井筒除硫技术在大牛地气田下古生界低微含硫气井的应用效果较好。

4 结论

（1）通过建立除硫能力评价和除硫成本评价模型，结合现场试验数据和配伍性实验结果可对五种除硫剂进行客观地评价并优选。

（2）通过优选出性价比最优的除硫剂B，并推广应用，综合除硫成本为0.049元/m3，2020年净收益2 973万元，具有可观的经济效益，实现了大牛地气田低微含硫气井产能有效释放。

（3）根据大牛地气田下古生界含硫气井井位分散、低微含硫、硫化氢产出不规律的特点，形成了特色的经济、有效井筒除硫技术，规避了地面集中脱硫一次性大额投资的风险，对国内类似特征的气田具有一定的参考意义。