摘要：目前高含硫氣井試氣通常采用燃燒筒燃燒，燃燒效率低、H₂S燃燒不完全、SO₂排放超標、試氣時間短，難以準確評價氣井產(chǎn)能。為此，介紹了引進加拿大專業(yè)公司設(shè)計生產(chǎn)的Q3000型焚燒爐的工作原理、擴散模型計算方法及主要技術(shù)指標，指出該焚燒爐通過噴頭排列方式設(shè)計、邏輯控制程序研究能使高含硫天然氣產(chǎn)生高速渦流，爐腔溫度范圍從1090℃到1630℃，保證了高含硫天然氣的完全燃燒，具備燃燒完全、SO₂擴散良好，可長時間、高效率、滿負荷燃燒的性能，滿足了試氣毒全要求。同時，根據(jù)高含硫氣井的試氣要求，設(shè)計6臺焚燒爐并聯(lián)試氣，設(shè)計處理量60×10⁴m³/d，累積試氣燃燒時間240h，經(jīng)環(huán)境監(jiān)測可知各項監(jiān)測指標滿足環(huán)保要求，實現(xiàn)了高含硫天然氣井的系統(tǒng)測試，為進一步落實氣藏的產(chǎn)能提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：焚燒爐；高含硫；天然氣；試氣；應用

    目前高含硫氣井試氣主要采用火炬燃燒方式，火炬燃燒的效率低、H₂S燃燒不完全、SO₂的擴散半徑較小，易造成井場附近H₂S濃度較高、SO₂聚集，對人體和環(huán)境的危害較大，試氣期間需要大量疏散群眾，導致開井測試時間只有2～7h，試氣時間短、泄氣半徑小，試氣資料只能反映井筒附近儲層特征，多解性較強，對氣井產(chǎn)能評價有一定影響，給準確測試氣藏產(chǎn)能帶來很大困難。為了深入研究和認識高含硫氣田的產(chǎn)能，在國內(nèi)外技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，借鑒加拿大油氣田測試經(jīng)驗，引進加拿大專業(yè)公司的焚燒爐，完善了地面試氣流程及裝備，對試氣過程中的高含H₂S天然氣進行高溫燃燒處理，實現(xiàn)了高含硫氣井的系統(tǒng)測試，取全取準了各項試氣資料。

    焚燒爐的工作原理是將原料氣引入燃燒器產(chǎn)生高速渦流，通過自然吸入空氣，使燃料氣和氧氣在爐內(nèi)充分混合、燃燒，爐膛排出氣體以較高的速度沖高、向大氣擴散，減少高含硫氣井測試過程中對環(huán)境和人員的危害^[1～2]。圖1為焚燒爐爐膛燃燒示意圖。

    焚燒爐的邏輯控制程序包括：

    1) 點火監(jiān)測報警及控制系統(tǒng)

    2) 可燃氣體爆炸極限監(jiān)測系統(tǒng)

    3) H₂S檢測系統(tǒng)

    4) 爐膛頂部溫度監(jiān)測系統(tǒng)

    5) 超壓保護系統(tǒng)

    6) 流量分配控制系統(tǒng)

    當焚燒爐2套點火系統(tǒng)點火失敗、監(jiān)測點可燃氣體達到爆炸極限或者SO₂、H₂S濃度超標時，焚燒爐控制系統(tǒng)將向井場數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)發(fā)出緊急關(guān)斷報警信號，并關(guān)閉井口；當超溫、超壓或超氣量時，焚燒爐控制系統(tǒng)將向井場數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)發(fā)出緊急關(guān)斷報警信號，并進行調(diào)節(jié)^[3～6]。具體邏輯控制流程見圖2。

    擴散模型計算的參數(shù)為原料氣組分體積分數(shù)(CH₄70.6%、H₂S20.0%、CO₂8.93%)，原料氣量(70×10⁴m³/d)，爐膛設(shè)計排出氣體速度(21.23m/s)，排出溫度(924℃)，氣井所處地形、地貌及氣象等數(shù)據(jù)；模型計算采用的試氣井及周邊10km范圍10個濃度聚集點的地形位置參見圖3。

    模擬計算結(jié)果表明：測試期間絕大部分地區(qū)的環(huán)境空氣1h SO₂平均濃度低于500μg/m³，但由于受地形、風向等因素的影響，量號點(Rec5)出現(xiàn)環(huán)境空氣1h SO₂平均濃度高于500μg/m³的概率為9.87%。

    所引進的焚燒爐是加拿大QTI(Questor Technology Inc.)公司根據(jù)山區(qū)現(xiàn)場運輸條件以及擴散模型計算結(jié)果而改進的Q3000型焚燒爐，單臺焚燒爐最大處理量為10×10⁴m₃/d，通過噴頭排列方式產(chǎn)生氣旋，爐腔溫度范圍從1090℃到1630℃。每臺焚燒爐由進氣口、燃燒器噴嘴系統(tǒng)、爐膛、燃燒控制系統(tǒng)、3套點火系統(tǒng)、爐膛頂部溫度監(jiān)測系統(tǒng)、入口壓力傳感器、太陽能電池板、可燃氣體爆炸檢測系統(tǒng)、內(nèi)襯耐火材料、橇裝系統(tǒng)等組成，分爐膛和基座2部分，2者用法蘭連接，主要技術(shù)指標為：爐膛內(nèi)徑2.134m，單臺焚燒爐重量為22.7t(爐膛13.6t，基座9.1t)，外形尺寸為16.0m×2.8m×3.0m，焚燒爐入口原料氣壓力為0.035～0.56MPa，焚燒爐入口原料氣溫度為-5～120℃，設(shè)計燃燒效率為99.99%。

    采用焚燒爐試氣的地面流程為：井口→節(jié)流閥組→熱交換器→分離器→分配管匯→焚燒爐。

    由于預計儲層產(chǎn)能較高，采用6臺焚燒爐并聯(lián)使用(設(shè)計處理氣量60×10⁴m³/d)，測試采用修正等時試井方式，4個工作制度、等時距36h，穩(wěn)定生產(chǎn)時間96h。試氣期間取氣樣分析H₂S體積分數(shù)為12.81%～14.57%，CO₂體積分數(shù)為9.7%～10.1%。井口放噴與采用焚燒爐方式進行試氣的情況對比見圖4、5。

    1) 采用焚燒爐試氣，現(xiàn)場無黑煙，爐口無明顯火焰，燃燒充分、完全。

    2) 試氣過程中焚燒爐最大進氣量53×10⁴m³/d，進氣壓力0.41MPa左右，焚燒爐的實際處理量基本達到了設(shè)計處理能力，對原料氣壓力、溫度的適應性較寬。

    3) 進氣量43×10⁴m³/d、出口溫度980℃條件下，焚燒爐連續(xù)正常燃燒96h，具備長時間工作的性能。

    4) 焚燒爐進氣量越大，出口溫度越高，最大出口溫度達到了1150℃，但未超過設(shè)計值，有擴大實際處理量的空間。

    5) 本次試氣焚燒爐累計運行時間240h、燃燒天然氣量498.9×10⁴m³，試氣完畢后內(nèi)襯耐火材料外形及顏色無明顯變化，表明焚燒爐耐火材料性能能夠抗高溫酸性氣流的長時間、大流速的腐蝕和沖蝕。

    6) 焚燒爐經(jīng)過了山區(qū)地形條件下的長途運輸、吊裝、運行、拆卸后，爐膛耐火材料仍然結(jié)構(gòu)完整、無脫落，說明耐火材料的內(nèi)襯及安裝方式設(shè)計合理、牢固，能夠滿足山區(qū)特殊地形地貌的需要。

環(huán)境監(jiān)測工作分為試氣前背景調(diào)查、試氣期間實時監(jiān)測及試氣后污染調(diào)查3個階段。在周圍環(huán)境4km范圍開展了大氣、水質(zhì)、土壤、生態(tài)等方面的環(huán)境監(jiān)測及調(diào)查，共布設(shè)大氣自動監(jiān)測點位32個、大氣人工監(jiān)測點位6個，監(jiān)測大氣中二氧化硫和硫化氫濃度；設(shè)地表水監(jiān)測斷面3個，降雨監(jiān)測點位16個，井場周圍天然池塘3個，監(jiān)測其pH值、化學需氧量、油分、硫化物等含量；設(shè)土壤監(jiān)測點位4個。為保證監(jiān)測全面性，還進行了井場周圍生態(tài)調(diào)查和降水中硫酸鹽等指標的測定。共獲得數(shù)據(jù)1521184個，工作量匯總見表1，環(huán)境監(jiān)測地形位置見圖6，試氣過程環(huán)境監(jiān)測對照見表2。

監(jiān)測類型	監(jiān)測天數(shù)	原始記錄批次	樣品個數(shù)	項目個數(shù)	監(jiān)測數(shù)據(jù)(個)
大氣自動監(jiān)測	22			3	1520000
大氣人工監(jiān)測	13	13	663	3	663
河流水	5	5	9	13	351
雨水	4	4	50	2	114
天然水池	2	2	6	8	48
土壤	2	2	8	1	8
生態(tài)調(diào)查	2	2			120
合計					1521184

監(jiān)測對象	監(jiān)測類別	主要監(jiān)測因子	試氣前背景值	試氣中數(shù)值	試氣后調(diào)查值	標準值
大氣	自動監(jiān)測	二氧化硫(mg/m3)	0.00	0.00～7.59
		硫化氫(mg/m3)	0.00	0.00～1.01
	人工監(jiān)測	二氧化硫(mg/m3)	0.004～0.004	0.007～0.465	0.007	≤0.50
		硫化氫(mg/m3)	0.009～0.009	0.001～0.012	0.001	≤0.01
水質(zhì)	河流水	pH值	7.06～8.48	7.76～8.15	7.71～8.14	6～9
		化學需氧量(mg/L)	5	5～6	5～6	≤20
		油分(mg/L)	0.01～0.02	0.01～0.03	0.01～0.03	≤0.05
		硫化物(mg/L)	0.005～0.011	0.005～0.052	0.012～0.041	≤0.2
	降水	pH值		4.03～5.94	4.49
		化學需氧量(mg/L)		≤5	≤5
	天然水池	pH值		7.74～8.08	7.50～8.06
		化學需氧量(mg/L)		15～19	11～21
		油分(mg/L)		0.03～0.05	0.030～0.070
		硫化物(mg/L)		0.010～0.028	0.014～0.030

    通過對試氣前、后的監(jiān)測結(jié)果進行分析比較可知：

    1) 河流斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：監(jiān)測時間、監(jiān)測范圍內(nèi)試氣作業(yè)對河流水質(zhì)無影響。

    2) 現(xiàn)場走訪和對比調(diào)查表明：監(jiān)測區(qū)域內(nèi)植被未受到傷害，試氣沒有產(chǎn)生生態(tài)破壞。

    3) 試氣過程中有個別監(jiān)測點濃度較高，其中1個自動監(jiān)測點SO₂最高濃度達到7.59mg/m³、持續(xù)時間為7min；另1個自動監(jiān)測點2次監(jiān)測到SO₂最高濃度達5.69mg/m³和6.23mg/m³，但每次持續(xù)時間均很短。分析其原因，主要是受山形地貌及風向、風速等因素的影響，SO₂擴散的方向單一、相對集中所致。

    4) 此次試氣過程對局部大氣環(huán)境質(zhì)量在短時間內(nèi)有一定影響，但未超過國家二級空氣質(zhì)量標準，沒有造成大范圍、高濃度的大氣污染，與SO₂擴散模擬結(jié)果基本一致。

    1) 為適應山形地貌及高氣量產(chǎn)能評價的需要，首次采用6臺可拆裝式焚燒爐并聯(lián)試氣，長時間、高負荷的現(xiàn)場應用表明：焚燒爐燃燒工藝成熟，安全可靠，達到了世界領(lǐng)先水平。

    2) 通過焚燒爐的應用，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了高含硫氣井的系統(tǒng)測試，為進一步落實氣藏的產(chǎn)能提供了科學依據(jù)。

    3) 焚燒爐現(xiàn)場應用環(huán)境監(jiān)測表明：系統(tǒng)測試期間空氣和水源質(zhì)量各項監(jiān)測指標滿足環(huán)保要求。

    4) 隨著小型、高效脫硫裝置技術(shù)的進步，在高含H₂S氣藏進行高氣量試氣時，可先將部分H₂S脫除，降低進入焚燒爐天然氣的H₂S含量，再采用焚燒爐燃燒，可減少SO₂排放量，對環(huán)境更為友好。

[1] 美國BOC氧氣集團有限公司.含硫化氫的可燃氣流的處理：中國，CN 1353671EP3.2002-06-12.

[2] 英國氧氣集團有限公司.含硫化氫氣流的處理：中國，CN1340603[P].2002-03-20.

[3] 梅向陽，普紅平.鋁廠含硫化氫廢氣的處理工程[J].四川化工，2006，9(3)：41-43.

[4] 王健.硫化氫焚燒爐的溫度控制和測量[J3.硫磷設(shè)計與粉體工程，2005(6)：29-31.

[5] 任義.H₂S焚燒爐酸性氣、空氣配比燃燒的自動控制[J].化工自動化及儀表，2001，28(1)：20-23.

[6] 劉國強.H₂S燃燒爐的改造[J].石油化工環(huán)境保護，1992(4).33-34.

 

(本文作者：聶仕榮¹ 張文昌² 1中國石化股份公司油田事業(yè)部天然氣處；2.中國石化中原油田采油工程技術(shù)研究院)