普光高酸性氣田安全開發的難點與對策

曹耀峰

(中國石油化工集團公司，北京 100029)

1 前言

隨著中國東部陸相油田相繼進入高含水期，國家經濟發展迫切需要尋找新的資源接替。溫家寶總理對海相油氣勘探做出重要批示:“要重視油氣資源戰略勘查工作，爭取在前新生代海相碳酸鹽巖地層中有新的突破”。在幾代石油人艱苦探索和不懈努力的基礎上，中國石化于2003年4月27日在四川盆地東北部的四川省宣漢縣發現了普光氣田，圓了幾代中國地質家和石油石化人的一個夢。普光氣田發現后，中國石化集中優勢力量開展了專項研究和系統準備，決定對普光氣田實施整體開發。2006年7月4日，時任國務院副總理曾培炎聽取中石化的專題匯報，將普光氣田產能建設和管道輸送定名為“川氣東送”工程 ，將其列為與“西氣東輸”、“南水北調”、“三峽工程”、“青藏鐵路”同等重要的重大工程，主要包括普光氣田及其周邊區塊的勘探開發、酸性氣體凈化處理、長距離管道輸送、天然氣利用配套項目等，總投資626．76億元。2007年8月31日，工程全線正式開工，2010年3月29日建成投產，用3年時間建成了我國第一個超百億方規模的超深高酸性大氣田，世界第二大高酸性天然氣凈化處理廠和我國又一條橫貫東西的天然氣大管道。川氣東送工程建成投產后，對保障國家能源安全和促進節能減排具有重大意義。

普光氣田的整體開發是川氣東送工程的核心工程，也是我國首次對超深高酸大氣田進行自主大規模開發的創新實踐。普光氣田氣藏的劇毒強腐蝕性等高風險因素，使安全成為關系工程建設成敗的決定性條件。

2 普光高酸性氣田開發難點

2．1 酸性氣田的概念

酸性氣田是指含有H2S或CO2等酸性氣體的富集氣藏。截至2007年底，我國累計探明高含硫天然氣儲量已超過7000億m3，約占探明天然氣總儲量的1/6。隨著海相資源勘探力度的加大，我國高含H2S和CO2天然氣探明儲量將進入快速增長期。目前我國已探明發現的酸性氣田主要分布在川渝地區，開發歷史已近40年。但過去開發的酸性氣藏以中低硫為主，且規模較小。如中石油已開發的磨溪氣田含硫1．1% ～2．4%，中壩氣田含硫6．67% ～7．53%，近期投產的龍崗氣田含硫4．3%。

2．2 普光氣田的主要開發難點

普光氣田是中國石化2003年4月27日在四川盆地東北部發現的，截至2010年，已累計探明天然氣地質儲量4122億m3，是我國目前最大的超深整裝高酸性大氣田。普光氣田集超深劇毒高壓強腐蝕于一體，具有“三高一深”的特點。高酸:氣藏中硫化氫平均含量15%、二氧化碳含量8%;高壓:氣藏平均壓力55．8 MPa，井底硫化氫分壓達到9．5 MPa;高產:單井平均無阻流量480．4萬m3;超深:氣藏平均埋藏深度5974 m，屬超深氣藏。與國外已開發典型酸性氣田相比，普光氣田的顯著特點超深、不含凝析油。前蘇聯奧倫堡氣田井深1330～1830 m、阿斯特拉罕氣田井深3900～4000 m，加拿大卡羅林氣田井深3720 m，法國拉克氣田井深3800 m，均含凝析油。

從工程技術角度看，普光氣田的開發主要有以下難點:a．普光氣田開發技術及安全管理缺乏標準體系:普光氣田的氣藏特性及地質地貌環境的復雜性，使其規模開發面臨無標準可依的困境。從國際上看，相關標準側重于產品和實驗評價，缺乏施工和作業類標準，而且相關企業采取了嚴格的商業保密措施。從國內看，酸性氣田勘探開發標準多是框架指導和原則性規范，覆蓋專業不全，缺乏技術操作性，特別是標準配套整體滯后于技術發展，新技術應用缺乏標準依據;b．鉆井工程技術難點:由于普光氣田平均埋藏深度大于5000 m，屬超深氣藏，導致鉆井施工過程中“噴、漏、塌、卡、陡”等技術難題交集出現，同時，由于海相上覆地層堅硬，可鉆性級值在5級以上，造成建井周期長、投資高，另外國內施工隊伍對高酸性結構、管材選擇無經驗，對固井水泥漿體系、固井工藝也需學習借鑒和攻關，特別是高溫、高壓、高酸氣井的井控、人身安保等都存在極大風險，其中，硫化氫具有致命危險，對設備材料具有強腐蝕性;c．采氣工程技術難點:對超長井段(300～600 m)射孔的材料、傳爆、防震等配套技術需要自己研發，對高產、高壓、高酸氣井試氣工藝和配套設備需求沒有實踐經驗，對巨厚海相氣層大酸量(300～l 000 m3)酸壓改造的酸液配方、施工工藝和投產管柱優化需探索研究;d．集輸工程技術難點:缺乏山地高酸性混輸工程設計、材料選擇及焊接施工經驗，缺乏高酸氣田腐蝕防護、硫沉積防治、泄漏監控等經驗;e．氣體凈化工程技術難點:由于系國內首次建設超大型高含硫天然氣凈化廠，沒有相關設計及施工經驗，大型設備制造、安裝難度大，復合材料和抗硫材料焊接技術要求高;f．硫化氫防護難點:由于普光氣田處于川東北地區，居住人口稠密，道路崎嶇復雜，應急救援及醫療救護難度較大，同時周邊居民對硫化氫防范知識匱乏，地方缺乏專業醫療急救設備和救護經驗等都增加了救護難度。

對于普光氣田“三高一深”帶來的工程建設上的諸多技術難點，國內外專家和國際油氣公司均認為是世界級難題。

3 普光氣田的安全開發實踐

酸性氣田開發需要解決的關鍵問題是防止氣田建設和生產過程中出現硫化氫泄露，并杜絕因硫化氫泄露對人員和周邊環境造成危害。普光氣田的安全開發得益于周密完備的預防和保障措施:a．在預防上，通過工程技術、裝備材料的集成創新以及強化標準體系建設和加強全流程嚴格管理，實現硫化氫在生產過程中不噴、不漏、不泄;b．在安全保障上，建設高標準、全覆蓋的應急救援體系，確保出現意外的情況下有能力消除危害。

3．1 靠裝備材料技術創新與嚴格的科學管理確保硫化氫不噴、不漏、不泄

3．1．1 積極推進工程技術創新，用高科技化解高難度

為解決氣田開發過程中超深井鉆井、試氣投產、酸氣集輸、大型凈化等技術難題，我們堅持“學習借鑒、攻關創新、集成應用”緊密銜接的科技創新路徑，組建了產學研一體化的技術攻關團隊，組織實施了“高含硫氣藏安全高效開發技術”、“大型高含硫氣田開發示范工程”兩項國家科技重大專項，組織開展了12項課題、47項子課題的研究，完成了氣體鉆井技術、高酸性氣井完井技術、超長井段(600 m)射孔技術、一體化酸壓投產技術、濕氣集輸技術和120億m3酸氣凈化廠配套技術等一系列科技攻關;針對工程建設和新技術現場應用過程中遇到的難題，在工程建設一線組織實施了空氣霧化鉆井、旋轉尾管固井、多級暫堵酸化壓裂、大排量酸氣焚燒測試等63項先導試驗，實現了產學研攻關與現場試驗良性互動，加快了科技攻關、技術集成和技術成果的規?；瘧?，形成了國內首套適應超深高酸性氣田規模開發的氣藏工程優化、鉆井綜合配套、測試及生產完井、集輸工程、大型高酸氣凈化處理等五大工程技術系列，為建成我國首個超百億方超深高酸大氣田提供了技術支撐。

3．1．2 以本質安全為目的，全面提升裝備材料的抗腐蝕等級

硫化氫對設備材料具有強腐蝕性。調研了國外高酸性氣田開發工程選用的設備、材料現狀以及選配經驗，在此基礎上經反復實驗和測試研究，確定了關鍵裝備材料的抗腐蝕、抗高壓等級。

井口防噴器，普光氣田開發井使用35～70 MPa高抗硫防噴器(HH級);外圍重點探井中使用105 MPa壓力高抗硫防噴器(HH級)。產層套管，均采用雙抗級別(抗硫化氫、二氧化碳)。地面節流管匯，按照普通抗硫(EE級)、部分高抗硫(HH－EE級)、全部高抗硫(HH級)3種防硫級別配備;放噴管線由φ89 mm更換為φ103 mm，節流閥由針型改為楔塊式，與液氣接觸的閥室內表面全部涂防硫材料，閥件本體用防硫材料制作。鉆井液，加入除硫劑，保證pH值在9．5以上，防止鉆具氫脆，現場儲備20 t除硫劑。重點井配備防硫鉆桿，安裝雙節流、四條放噴管線、雙液氣分離器和氣動下灰加重裝置。

為滿足氣田長期生產對設備材料的要求，組織開展了全面的腐蝕監測和室內實驗研究，進一步掌握了硫化氫高壓高溫下的相態、超臨界的流態、高分壓對材料腐蝕、單質硫析出危害等相關技術參數，并據此制定了“抗硫管材+緩蝕劑+腐蝕監測+陰極保護+智能清管”聯合防腐工藝路線和技術措施。

抗硫管材:集輸管道采用L360抗硫碳鋼，井口－加熱爐單井集氣管道采用825鎳基合金，放空管線采用A333－6低溫抗硫碳鋼;緩蝕劑:采用涂膜+連續加注工藝;腐蝕監測:采用腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針和電指紋等腐蝕監測技術;陰極保護:采用強制電流陰極保護，設6座陰極保護站;智能清管檢測:引進智能清管檢測技術進行管道清潔、幾何測量和金屬損失檢測。

3．1．3 創新制訂酸性氣田開發工程建設標準體系

針對國內缺乏規模開發超深高酸性氣田工程技術標準的實際，應把標準的制訂實施作為保障工程安全建設的源頭。在借鑒經驗和實踐總結的基礎上，組織制訂了國內首套適應超深高酸性氣田規模開發、涵蓋氣藏開發、石油工程等7大業務領域的51項標準，在工程建設中實施效果良好，填補了國內超深高酸性氣田工程技術企業標準體系的空白。其中，氣體鉆井技術、空氣鉆井條件下的錄井技術、PDC鉆頭鉆井條件下的錄井技術及含硫化氫條件下電纜測井作業等6項標準屬國際首創，《垂直鉆井推薦作法》等12項技術標準屬國內首創。

3．1．4 把嚴格執行標準作為工區鐵的紀律

設計和工程技術方案是確保新標準全面執行的基礎。制訂實施了設計方案三級審查機制，通過嚴格設計單位資質、嚴密論證優化、嚴把方案審查、嚴細優化技術措施、嚴控方案變更，以保證新標準全面體現在設計方案之中。實施工程建設現場督導機制，采取監理旁站、專家駐井督導、關鍵工序全程督導、重點工程領導掛牌督導、前線督導組區域督導等措施，對施工全過程進行實時現場跟蹤，確保施工嚴格按照設計標準實施。

3．1．5 建設全覆蓋的安全管理體系

建立嚴密的四級安全監管體系，層層落實安全監管責任。組建并強化專業安全監督隊伍，嚴格現場檢查，重點強化井控管理和硫化氫防護;嚴格責任追究，堅持把隱患當事故來對待，把違章當事故來處理;組織開展“反陋習、抓細節”活動，把隱患消滅在萌芽狀態。

3．2 建設安全保障體系，具備處理意外事故的能力

3．2．1 建設覆蓋全工區的自動報警系統

在氣田生產區域，全面運用全自動化的遠程控制、數據采集與傳輸技術，采用“SCADA+ESD+SIS+激光泄漏監測”控制方案;在集輸站場、閥室、管線、隧道等部位，安裝硫化氫檢測儀、可燃氣體檢測儀、火焰探測器、腐蝕監測儀、電指紋監測儀、視頻攝像頭等監控報警裝置;為確保附近居民能及時獲知相關信息，設計安裝了緊急疏散廣播系統，共計修建基站6座、安裝緊急疏散廣播點287個，每個點安裝3只戶外號角喇叭。

3．2．2 建設覆蓋全流程的四級自動關斷系統

在國內首次組織設計安裝了從單井、站場、管線到整個氣田的四級自控連鎖關斷系統，既實現了一個生產環節的獨立關斷，又實現了氣田的一次性整體關斷。

3．2．3 建設覆蓋全崗位的現場防護體系

牢固樹立以安全為主導的工程建設理念，組織開展了以“超深高酸性氣田開發建設標準宣貫”為主要內容的全員安全培訓，先后組織7萬余人次接受安全培訓，實現了全員100%持證上崗。

為現場施工人員配備了正壓式空氣呼吸器、備用氣瓶、便攜式硫化氫氣體報警儀等裝備;在涉硫作業現場，安裝了固定式硫化氫檢測儀探頭、風向標、逃生路線圖、硫化氫警示標識牌等設施，并繪制設備現場擺放圖，確保意外情況下能夠無障礙緊急疏散;制訂實施涉硫作業安全許可證制度，進入現場人員都必須經過硫化氫防護培訓，切實掌握硫化氫防護技能，并要求施工單位定期組織開展防硫應急演練和現場模擬逃生演練。

3．2．4 確定安全防護距離

針對氣田所處山區環境及人口稠密的特點，組織開展了硫化氫在不同氣象、地形條件下的擴散規律研究。根據硫化氫擴散模擬結果，研究確定了高標準的安全設防距離，對普光氣田酸氣管道、集輸站場、天然氣凈化廠分別按100、300、800 m設防，并配合地方政府對設防距離以內的2603戶居民實施了整體搬遷。

3．2．5 建設企地聯合應急救援體系

組織專項投資建設應急救援中心，配備先進應急救援設備，建立專兼職應急救援隊伍，形成工區完善的應急救援體系。根據工區分布，建設了普光、元壩兩個應急救援中心站，配置了消防坦克、強風搶險車等國內一流的先進裝備，具備了處置重(特)大規模的井噴失控、硫化氫泄漏、火災、爆炸、環境災害、自然災害等事故的能力，并在汶川大地震搶險救災過程中經受了實戰考驗。其中，普光應急救援中心被評為國家級油氣田救援示范基地。

建立多方高效聯動的應急協調機制，實現了企地之間的應急聯動。根據普光氣田的特點，與當地政府建立了分公司與縣、廠與鄉、站與村三級應急聯動管理模式，編制了寬領域、廣覆蓋的應急預案，并在當地政府備案，同時堅持組織施工隊伍開展應急演習和定期組織開展大型企地應急演練。同時，進一步完善了醫療救護措施，與地方市、縣、鄉三級醫療機構簽訂了醫療互助協議，以援建地方醫院?？平ㄔO，配備了高壓氧艙等專業救護設備，并定期組織員工和周邊居民開展硫化氫防護和自救知識培訓。

工程建設全過程未發生重(特)大安全生產事故，未發生參建人員和周邊群眾硫化氫中毒事件，并經受住了汶川大地震等自然災害的嚴峻考驗。川氣東送工程安全高效地建設投產，標志著我國具備了大規模安全開發超深高酸氣藏的能力，為國內同類酸性復雜氣藏開發起到了示范作用。

4 我國酸性氣田安全開發的發展及建議

中石化集團公司在普光氣田安全有效開發的基礎上，在四川盆地重點圍繞元壩礁灘、黑池梁、川東北中淺層、川東南區塊等四大重點積極開展勘探評價工作，力爭“十二五”實現新增探明儲量6000億m3。應用普光超深高酸性氣田勘探開發工程技術，到“十二五”末期，在元壩地區新建天然氣產能60億m3/a。

基于我國經濟社會發展對天然氣急劇上升的實際需求以及酸性氣田開發所面臨的特殊高風險環境，提出了關于“加快研究制訂我國酸性氣田安全開發行業標準”的建議。標準是確保安全的源頭。由于國內目前尚無酸性氣田開發的行業及國家標準體系，制約了酸性氣田安全開發技術的推廣以及氣田規模開發的效能。中石化制訂的酸性氣田開發標準體系，是在普光氣田開發實踐中總結創建出來的，也是該行業國內首套企業標準體系。中石化希望與各兄弟單位及行業專家學者加強合作，加快制訂出我國酸性氣田安全開發的行業標準。