普光氣田安全高效開發技術及工業化應用

曹耀峰

（中國石油化工集團公司，北京 100728）

普光氣田安全高效開發技術及工業化應用

曹耀峰

（中國石油化工集團公司，北京 100728）

針對普光超深高含硫氣田安全高效開發面臨的諸多世界性技術難題，按照“學習借鑒、攻關創新、集成應用”緊密銜接的科技創新路徑，組建產學研一體化技術攻關團隊，形成開放式創新體系，實現科技攻關與現場先導試驗良性互動，成功推動了超深高含硫氣田安全高效開發技術的研發與配套、關鍵裝備國產化、標準體系建設及其工業化應用，使我國成為世界上少數幾個掌握開發特大型超深高含硫氣田核心技術的國家，為我國乃至世界復雜山地超深高含硫氣田安全高效開發做出了貢獻。

普光氣田；超深高硫；技術創新；工業化應用

1 前言

21世紀人類將進入低碳經濟時代，天然氣作為清潔能源的地位日益突出。2010年世界一次能源消費結構中天然氣占22.6%，而我國僅占4.8%，大力開發利用天然氣是國家能源戰略的重點發展方向之一。據統計，世界天然氣資源約60%含硫、10%為高含硫。我國高含硫天然氣資源十分豐富，資源量超過4×1012m3，探明儲量近萬億立方米。安全高效開發該類資源對當前及今后的能源結構調整具有重大意義。

2 普光氣田概況及其安全高效開發面臨的世界性難題

普光氣田是我國已發現的最大規模的海相整裝高含硫氣田，其主體區塊探明儲量2.783×1011m3。主要具有以下特點：a.埋藏超深，平均井深5 974 m；b.壓力高，氣藏地層平均壓力達56 MPa；c.硫化氫和二氧化碳含量高，平均含量分別達到15.2%、8.6%，有機硫含量達340 mg/m3；d.地處復雜山地，人口密集，平均海拔360～1 130 m，氣田核心區域約500人/km2。由于高含硫天然氣劇毒、腐蝕性強，安全風險高，開發難度大，尤其對于普光氣田這樣超深、地處復雜山地、人口密集條件下的高含硫氣田，國內外尚無成功開發先例，是公認的世界性難題。從工程技術角度看，主要有以下幾個方面。

1）超深高含硫氣田儲層特征及滲流規律復雜，投資風險高，必須攻克少井、高產、高效開發的技術難題。

2）高含硫化氫天然氣腐蝕性極強，普通鋼材幾小時就會發生應力腐蝕開裂，必須攻克腐蝕防護技術難題。

3）天然氣高含硫化氫和有機硫，必須攻克高含硫天然氣特大規模深度凈化和硫磺安全儲運的難題。

4）硫化氫濃度達0.1%會致人瞬間死亡，普光氣田高達15%，鉆井、作業及生產過程中高含硫天然氣一旦泄漏，復雜山地救援十分困難，必須攻克高含硫氣田安全控制難題。

5）國內不能生產高抗硫管材，國外公司實行壟斷，價格昂貴且供貨周期長，必須攻克抗硫管材國產化難題。

3 普光氣田安全高效開發技術創新實踐

為緩解我國能源緊張局面，有效利用高含硫天然氣資源，國家實施了以普光氣田為主供氣源的“川氣東送”工程，并將其列為“十一五”重大工程。中國石油化工集團公司針對普光超深高含硫氣田安全高效開發面臨的諸多世界性難題，按照“學習借鑒、攻關創新、集成應用”緊密銜接的科技創新路徑，組建產學研一體化技術攻關團隊，堅持面向工程建設一線、以解決工程建設現場實際難題為導向的工程科技管理模式，實現了科技攻關與現場先導試驗的良性互動，有效提高了科技攻關和技術成果的轉化應用效率。

3.1 尊重科學技術發展規律，按照“學習借鑒、攻關創新、集成應用”緊密銜接的科技創新路徑進行自主創新

1）積極學習借鑒國內外高含硫氣田安全高效開發的經驗。在人類發展歷史上，每一項技術創新取得的進步無不是建立在繼承前人成功經驗的基礎之上。我們邀請法國、加拿大等具有開發高含硫氣田經驗的國際知名公司參與普光氣田開發方案的設計審查、監督管理，組織一線技術人員遠赴加拿大高含硫氣田跟班培訓，最大限度地吸收、學習和借鑒國外企業開發高含硫氣田的經驗。

2）組建產學研一體化攻關團隊自主創新。針對普光氣田與國外已開發高含硫氣田的差異性，以及國外企業對核心技術的封鎖，組織大型國有企業、科研院所和大專院校近3 000人的研發團隊，創建了高含硫氣田儲層改造、腐蝕評價、泄漏模擬等實驗室，依托“高含硫氣藏安全高效開發技術”和“大型高含硫氣田開發示范工程”兩項國家科技重大專項，以普光氣田開發面臨的酸性氣田安全高效開發、硫化氫防護、特大酸性氣體凈化、安全保障、抗硫裝備管材國產化等世界性難題為攻關目標，堅持不懈地開展自主創新。

3）注重科技成果現場轉化應用，構建技術研發與現場應用良性互動的技術創新體系。在工程建設一線組建了建設單位、施工單位、第三方服務商技術力量組成的技術集成應用團隊，在工程建設現場組織實施了氣體鉆井、旋轉尾管固井、儲層改造等63個先導試驗項目，同時聘請系統內部實踐經驗豐富的專家和科研人員進駐現場指導新技術應用，實現了科技成果“攻關一批、集成轉化一批、現場應用一批”，極大地發揮了科技對工程建設的支撐和引領作用，促進了科技成果向現實生產力的轉化。

3.2 創新形成的主要技術成果

經過七年的攻關和應用，創新形成了高含硫氣田安全高效開發的五項核心技術，在國際上首次成功開發了年產1.05×1010m3的特大型超深復雜山地高含硫氣田，自主設計建成了世界第二大超百億立方米級的高含硫天然氣凈化廠。

3.2.1 創新形成了特大型超深高含硫氣田高產高效開發技術

建立了高含硫氣田氣—液—固（硫）三相滲流理論模型，首次揭示了高含硫氣藏單質硫析出、運移、沉積的特殊滲流規律，直接用于“少井高產”的開發設計。創新超深礁灘相氣藏開發精細描述技術，氣藏描述單元由三級提升到四級層序，建立的三維地質模型精確描述了超深儲層的含氣性和空間展布。創新高含硫長井段氣井射孔和酸壓增產工藝，實現了超深高含硫氣藏一次性安全射孔和非均質巨厚氣層的有效改造，大幅提高了氣井的生產能力。應用上述創新技術，提高了單井產量和氣田開發效益。設計的氣井均鉆遇優質氣層，成功率達100%；創造了氣井一次性射孔井段1 215 m的世界記錄；氣井酸壓后日產氣量由3×105m3提高到8×105m3；氣田開發內部收益率由12.9%提高到17.1%。

3.2.2 創新形成了特大型高含硫氣田腐蝕防護技術

建立了高含硫化氫、二氧化碳、單質硫、氯離子共存環境的腐蝕評價方法和選材標準，創新了高含硫氣田抗硫管材腐蝕評價與優選技術。建立了焊接接頭耐蝕性評定及消氫控制方法，攻關突破了高含硫天然氣集輸管道焊接工藝難題，提升了管道接口的抗硫化氫腐蝕性能。創新高含硫氣田濕氣集輸“緩蝕劑、腐蝕監測、智能檢測、陰極保護”綜合防腐工藝，提高了復雜山地集輸系統的抗腐蝕能力。上述技術創新，突破了抗硫管材選擇國際標準NACEMR-0175范圍，硫化氫分壓由3.5 MPa拓展到10 MPa；高含硫天然氣集輸管道一次焊接合格率達95.5%，超過國家優質工程標準（93%）；普光氣田腐蝕速度0.059 mm/a以下，實現了高含硫天然氣濕氣直接輸送。

3.2.3 創新形成了高含硫天然氣特大規模深度凈化技術

1）高含硫化氫及有機硫天然氣特大規模深度脫硫技術。研發了固定床低溫催化水解有機硫和兩級吸收、級間冷卻凈化工藝，實現了硫化氫和有機硫深度脫除。

2）特大規模硫磺高效回收技術。研發了特大型克勞斯爐和低溫加氫水解尾氣處理工藝，大幅度提高了總硫的回收率。

3）特大規模散裝硫磺儲運技術。研發了特大型散裝硫磺倉儲成套裝置和硫磺粉塵監測、抑制與消防系統，實現了安全環保儲運。

應用上述創新技術，高含硫天然氣凈化率99.99%，總硫回收率達99.9%；自主設計建成了年處理高含硫天然氣1.2×1010m3、生產硫磺2.1×106t的凈化廠。

3.2.4 創新形成了復雜山地高含硫氣田安全控制技術

首次開展了復雜山地氣體擴散風洞實驗，揭示了不同氣象條件下高含硫天然氣泄漏擴散規律，建立了人體動態毒性負荷理論模型，研發了泄漏監測、氣田聯鎖關斷、特種救援裝備，建成了國家級油氣田應急救援基地。建立了“技術設計無缺失、監測控制無缺位、培訓演練無缺員、應急救援無缺憾”的安全控制鏈，實現了氣田建設與生產全過程、全方位、全天候的安全監測與控制。首次建立了復雜山地高含硫氣田搬遷、疏散、預警的安全防范標準；泄漏監測系統硫化氫濃度報警值0.000 2%，準確率達100%；全氣田聯鎖關斷系統響應時間2～20 s，成功率達100%，實現了安全生產零事故。

3.2.5 自主研發了關鍵抗硫管材，實現了國產化

創新了超高純凈度冶煉技術，研制了P110SS抗硫套管、BG2250高鎳基合金油管和大口徑L360抗硫集輸管，打破了國外技術封鎖，性能指標達到國外同類產品先進水平，價格降低了35%～50%。

根據國內外相關文獻查新檢索結果，普光氣田安全高效開發五項核心創新技術中，特大型超深高含硫氣田高產高效開發技術、高含硫天然氣超大規模深度凈化技術、復雜山地高含硫氣田安全控制技術等三項達到國際領先，特大型高含硫氣田腐蝕防護技術、關鍵抗硫管材國產化兩項達到國際先進。

普光氣田從開發設計到投產運行，先后聘請三家國際知名公司跟蹤評估，均給予高度評價。國際著名質量健康安全環保管理體系（QHSE）評估機構法國國際檢驗局評價，普光氣田凈化廠總體設計具有很高的國際水平；國際知名工程設計管理公司加拿大IMV公司評價，普光高含硫氣田集輸系統設計具有世界一流水平；國際能源領域知名安全風險評估咨詢公司挪威斯堪伯奧評價，普光氣田鉆井、作業、集輸整體技術設計在國際油氣領域處于領先水平。

4 普光氣田安全高效開發技術產生的學術影響

1）首次揭示了高含硫氣藏單質硫析出、運移、沉積的特殊滲流規律，建立了高含硫氣田氣—液—固（硫）三相滲流理論模型；揭示了不同氣象條件下高含硫天然氣泄漏擴散規律，建立了人體動態毒性負荷理論模型，為復雜山地超深高含硫氣田安全高效開發奠定了理論基礎。

2）創建了高含硫氣田儲層改造、腐蝕評價、泄漏模擬等實驗室，使我國高含硫氣田開發研究水平邁入世界先進行列。

3）創新形成了高含硫氣田開發的五項核心技術，標志著我國已具備安全高效開發高含硫氣田的能力。

4）建立了高含硫氣田安全開發的整套（四類66項）技術標準，促進了我國天然氣開發領域技術的升級換代。

5 普光氣田安全高效開發技術工業化應用取得的經濟社會效益

1）普光氣田天然氣為“川氣東送”管道沿線六省兩市70多個城市提供了優質清潔能源，極大推動了產業結構調整和區域經濟社會發展，每年可減少二氧化碳排放量1.68×107t，減少二氧化硫、氮氧化物等有害物7×105t。

2）我國是世界上最大的硫磺需求國和進口國，其中80%硫磺用作生產磷肥的原料。普光氣田將天然氣中劇毒的硫化氫變害為利，年產2.1×106t硫磺，占我國硫磺產量的45%，為降低我國硫磺對外依存度做出了貢獻。

3）創新形成的理論、技術和標準極大推動了我國高含硫天然氣的開發步伐，預計“十二五”末和“十三五”末每年高含硫天然氣產量分別達到3×1010m3和5×1010m3，成為我國今后一個時期天然氣產量的重要增長點。

4）與我國毗鄰的中亞地區高含硫天然氣資源十分豐富，按照國家“走出去”的發展戰略，已與哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦國家石油公司進行了高含硫氣田合作開發的交流，將拓展我國開發利用海外油氣資源的新領域。

5）高抗硫套管、高鎳基合金油管、大口徑抗硫集輸管等關鍵抗硫管材已全面國產化，廣泛應用到我國高含硫氣田開發建設中，并出口美國、加拿大、中東、中亞等國家和地區，提升了大型國有企業高端管材制造的國際競爭力。

6）普光氣田安全高效開發推動了當地經濟社會發展。在普光氣田周邊建成了社會主義新農村示范區，1萬多人搬入新居，援建了一批道路、學校、醫院等基礎設施；支持當地政府建成了天然氣化工園區，進駐企業30余家，增加近2萬個就業崗位。

“普光氣田安全高效開發及工業化應用”項目，攻克了建國以來幾代石油人努力探索的高含硫氣田安全高效開發技術，成功開發了普光特大型高含硫氣田，對國家天然氣發展戰略產生了重要影響，使我國成為世界上少數幾個掌握開發特大型超深高含硫氣田核心技術的國家。

The secure and highly efficient development technology for Puguang Gas Field and its industrial application

Cao Yaofeng
（China Petrochemical Corporation，Beijing 100728，China）

To solve the multi-types of technical problem concerning with the development technology of Puguang Gas Field which is deeply reserved and abounds with hydrogen sulfide，we have organized a scientific innovation team of industry-teaching-research integration.So that，we have formed a technology innovation system，realized the general interaction of key science and technology program and site-testing，promoted the research and development of gas field with super-deep and high-sulfur，localization of key equipment，the construction of standard system and its industrial application，pushed China to be one of the few countries of holding the core technology for high-sulfur gas field development，and made important contribution to superdeep and high-sulfur gas field development of China and even the whole world.

Puguang Gas Field；super-deep and high-sulfur；technology innovation；industrial application

TE37

A

1009-1742（2013）11-0049-04

2013-09-02

曹耀峰（1953—），男，陜西渭南市人，教授級高級工程師，主要研究方向為石油天然氣工程技術開發與管理；E-mail：caoyf2011@126.com