高含H2S气田水及闪蒸气处理新技术探讨

赵周红1冷聪2黄春华3尹霞4何波5

3.4.5.中石油西南油气田重庆气矿梁平采输气作业区重庆市梁平区405200

摘要：在高含H2S气田集输站场原水气分离时，由于存在着气液分离而造成的气田水在高压闪蒸时会发生闪蒸等有害的H2S，因此，传统的焚烧处理方法处理这些废气，会造成SO2的污染。它的含量已经超出了有关的国家标准。利用HYSYS和PROMAX对气田水分闪蒸气体与H2S的关系进行了模拟，并对其进行了理论计算。在浓缩方面，建议利用金属膜片式压气机对闪蒸产生的H2S等酸性气体进行加压，再通过输气管道将其送入天然气净化装置进行脱硫和硫磺回收处理，实现高含H2S气田集输站场闪蒸气体零排放。

关键词：气田水；闪蒸气；H2S；酸气压缩机

引言

川渝两地的气藏均存在着H2S，其中，目前已开采的云安厂气田，其酸度为：H2S 7.49%, CO211.40%，属高含 H2S气藏。含硫气田的水是指随着含硫气体开采而产生的地层水，按照 SY/T612-2008 《高含硫化氢气田地面集输系统设计规范》，采取高压或低压闪蒸的方式，将闪蒸气通过高压或低压放空管线输送至火炬进行焚烧，对周围的环境造成了很大的影响，并有一定的危险性。而H2S含量较高的气田水，由于其在闪蒸后的H2S含量较高，故在H2S含量较高的情况下，如何进行闪蒸避免环境影响是目前急需解决的问题。

一、气田水的闪蒸处理

在一个低压的容器内，当一个高压的饱和水被注入一个低压的罐内时，它会因为压力的急剧下降而释放出一部分。而按照亨利法则 P= EX （P是溶解物在气体中的平衡分压力，kN/m³）；X是液体中溶解物的摩尔分率；E是亨利常量， P值与温度、压力、溶质和溶质性质相关），而在分压条件下，溶质的溶解率随压力的变化而变化，而随着压力的减小，溶质会快速释放，从而产生快速的闪蒸。

在高含H2S气田水体中，闪蒸是一种以H2S、CO2、H2O为主的气田水在高压条件下被溶于水的压力下所排出的一种气体。在高压条件下，H2S的溶解性能比其他成分要好的多。H2S是一种毒性很强的强腐蚀气体，必须把它们与天然气分开，这样，以后的天然气运输和处置就会更加的安全。

利用HYSYS和PROMAX软件对H2S含量进行了分析，得出了H2S在不同压强下的H2S含量，并对其进行了HYSYS和PROMAX的分析。通过软件仿真，得出了在1 mh内，从气田水中得到的闪蒸含量与原气的含量之间存在的相关性，而H2S在闪蒸中所占据的比重和进料气体的含量几乎呈线性变化。通过模拟，发现H2S在闪蒸成分中所占据的比重随着进料气体的质量分数增大，而闪蒸后的H2S含量则成正相关关系，在10%的H2S含量下，1m³的气田水中H2S含量高达75%。

二、气田水闪蒸气常规处理中的问题

我们高含硫原料气从单井井口采气树采出经过井口一级节流后，进入水套炉进行首次加热后再进行二级节流，然后再回到水套炉进行二次加热，最后再进行三级节流，节流后的高含硫含水原料气进入卧式分离器进行初步气水分离，分离后的高含硫原料气经过高孔阀计量后（在计量装置后需进行防冻剂加注，防止高含硫原料气冻堵）进入输气管道；分离后的气田水则排放至气田水闪蒸罐，气田水闪蒸罐闪蒸出的高含硫闪蒸气通过低压放空管线引至放空火炬燃烧掉。气田水闪蒸罐液位达到或超过2/3时，气田水水罐车必须到站拉运至气田水回注井站进行回注处理。目前存在问题：气田水罐车在装运气田水时，气田水水罐车接收管线与闪蒸罐排放管线连接；气田水水罐车呼吸管与闪蒸罐呼吸管管线连接，由于气田水在装载过程中有高含硫闪蒸气析出，加之闪蒸罐本身有轻微带压，导致气田水在装载过程高含硫气体外溢，现场存在安全隐患。

三、高含硫气田水安全处置新技术

经试验，将气田的水闪蒸气加压后，经高压泵送到原气管道，再由原料气管线将闪蒸气与高含硫原料气混合输送到天然气净化厂进行集中处理，使其在集气站和单井不会产生任何废气的影响，从而降低了火炬系统的SO2排放量。利用闪蒸后的水槽和储罐的工作压强，利用两个储罐的压差值将储液槽内的液滴排出，从而防止了二次上浮时H2S的泄露。气田水在气田水槽中可以得到更好的脱硫剂，而脱出的气液和闪蒸槽中的酸气一起被送入到酸气压缩机中，整个过程的各个装置都是密封的，可以有效地防止H2S的泄露。

本发明所使用的酸性压缩机是一种具有较高压缩率（一般为1:15，流速在0.6～20米/小时，进口压力0.1 MPa）的电动金属隔板压缩机，经此压缩机的加压后，其输出压力可大于10 MPa，且具有较高的密封性能和抗腐蚀性，可用于压缩易燃、爆炸、有毒、腐蚀性的气体。

通过闪蒸脱气后，气田水体中仍然存在着正常压力下的 H2S等气体，必须进行封闭运输，对于高含气量的气田，可以通过采用气提柱、吸附器等设备来进一步消除气田水体中的溶氧。针对有条件设置气提塔法进行闪蒸后气田水的收集点，提出了采用火炬进行气体抽吸的方法，而不采用闪蒸气压缩装置，由于气田水的不连续性，仅进行间断作业，而且气体提出量大，H

2S含量也比较小；另外，如果将气体抽吸到闪蒸压缩机中，则会使其体积变得更小，而选择合适的压缩机则比较麻烦。

通过对气田水进行脱气后，可以依据不同组份和不同的排泄形式，选用合适的混凝过滤技术，在使用回注时，要综合考虑回注颗粒尺寸和回注与回注井储层的水兼容性对回注压力的影响，选用密封较佳的回注层进行回注。若无特别条件，则气田水经处理后，必须符合《气田水回注方法》中有关的质量标准，以达到完全的无污染。

四、技术可能存在的问题

由于该技术具有一定的经济性，但其运行成本仍然较高，主要原因如下：1）天然气开发过程中，水中会存在一些杂质：气水中存在的游离H2S (HCH3)、 CO2、H2 (H2S:3）等杂质会导致气水分离装置发生堵塞现象。部分生产水含有较多的有机物成分：含氧量较高导致水质下降；H2S的溶解度小，容易形成硫酸根离子及硫酸钙。3）水中会有一些微生物类物质：水中可能存在细菌、病毒及藻类等微生物群；由于水质变化，细菌等生物会产生大量的代谢产物和毒素对设备造成腐蚀。4）水处理装置设计方面存在缺陷：首先，处理装置在长时间运行过程中易出现腐蚀现象，尤其是对金属管道造成损伤；其次，设备设计方面，设备存在严重的泄漏问题。5）天然气生产过程中所产生的气体排放可能带来二次污染。6）污水处理过程中可能会产生二次污染：部分污水可能会产生恶臭气体，对周围居民造成影响；某些污水可能会产生重金属等污染物。7）天然气开发过程中可能会出现大量硫化氢气体泄漏，造成环境污染。8）天然气生产过程容易受到天气变化的影响，如遇连续降雨、高温天气等情况时将不能保证长时间运行。9）装置设计方面存在缺陷。

五、解决方案

含硫气田水闪蒸气川中采取的措施是：脱硫装置采用络合铁脱硫工艺。络合铁工艺是一种以铁为催化剂的湿式氧化还原法脱除气体中硫化物的方法，它的特点是一步将H2S转变成元素S，H2S的脱除率达99%以上。

络合铁工艺以络合铁的碱性水溶液为主体，溶液中含有性能优良的脱硫剂、稳定剂、硫磺改性剂、铁盐等组成的吸收剂，具有吸收速度快、净化度高、硫磺易回收、络合剂性能稳定和副反应小等特点。

络合铁法采用碱性水溶液吸收硫化物，H2S气体与碱发生反应生成HS—，通过高价态Fe离子还原成低价态Fe离子，将HS— 转化成硫磺。在再生过程中，低价态的络合铁溶液与空气接触氧化成高价态络合铁溶液，恢复氧化性能，溶液循环吸收H2S气体。净化后的气体由吸收塔顶部去放空总管。

六、结语

H2S气田水中的闪蒸气体经火炬燃烧后所排出的SO2含量已经大大超出《大气污染物排放综合标准》 GB 16297-1996的规定，采用火炬法进行燃烧后，其废气不再适合进行闪蒸。

高含H2S气田集输站场水的出水量较少，不宜进行集中处置，而采用电动金属隔板式压气机将气田水闪蒸后的低压酸加压回流到原料气，并与原料气一起输送至天然气厂进行脱硫处理，可以从根源上实现站场闪蒸气体零排放，有效解决集输站场空气污染的问题。

在进行了气田的闪蒸、脱气后，气田水体仍然存在着饱和H2S，必须采取封闭工艺及二次脱气工艺，以达到进一步去除气田水体H2S的目的，从而减少对气田水的后续处理。在实际应用中，由于各气井的气性组成差异很大，而且由于气田的含水量比较大，所以在生产中采用了两种不同的方式进行了气田的液位分析。所以，对气田水的闪蒸全靠软件仿真，得到了大量的理论资料，提出了在室内进行现场仿真和采样的方法，对进一步的研究具有一定的参考价值。

参考文献

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