油氣田硫化氫形成機理與安全防治分析

趙鑫 陳立海 陳剛

長慶油田分公司安全環保處 陜西西安 710018

前言

隨著社會經濟的不斷發展，我國對油氣能源的需求也呈日益增長趨勢。但在油氣田開采過程中常伴有一種劇毒氣體，即硫化氫（H2S）。該氣體的毒性較大，是一氧化碳的5倍以上，同時，它也是大氣污染物之一，對人體的安全和環境影響很大[1]。

一、油氣田硫化氫形成的機理

近年來，油氣田的開發技術有很大進步，并在硫化氫問題研究方面也取得了一定成果。根據目前的研究成果，認為油氣田在開發過程中出現的硫化氫，其形成機理主要包括以下幾個方面。

1.硫酸鹽還原菌的還原作用

油氣藏地層的深處溫度一般在40℃左右，且該處的地層中存在大量的硝酸根離子和銨根離子，這為硫酸鹽還原菌提供了良好的滋生環境和營養物質，因此，該處往往存在大量的硫酸鹽還原菌。有研究對含有硫化氫的油水混合物進行分析，取混合物破乳后的水樣放入有鐵釘的細菌瓶中進行培養。結果發現鐵釘遭到腐蝕，培養液的顏色明顯變黑，并有一股臭雞蛋氣味溢出，從而判定在硫酸鹽還原菌的代謝產物中存在大量的硫化氫。另外，進行油氣田開發時，為保持油層的壓力，常會通過注水井往油層注水。但注入的水很多是未經過殺菌處理的污水，這些水體中常含有大量的硫酸鹽還原菌。油田水中的硫酸根和地層中的鹽酸鹽處于厭氧條件下，然后在硫酸鹽還原菌的作用下，從而還原成硫化氫氣體。

2.硫酸鹽的熱化學還原反應作用

當溫度達到120-150℃時，烴類或有機物和硫酸鹽礦物會發生一定的化學反應，從而產生硫化氫[2]。分析熱化學的成因，主要是油氣藏地層中的硫礦物會在地質條件下與油氣產生化學反應，從而出現硫化氫。因為地層深處往往處于高壓和高溫的狀態，地層中含有的硫礦物會與烴類發生反應。而處于較高溫度下，含硫的有機物也可能會發生熱化學反應，從而產生硫化氫。總結發生熱化學反應形成硫化氫需要滿足以下幾個條件：一是含有硫礦物（或者硫酸根離子）；二是有比較豐富的烴類或者有機物；三是溫度在120～150℃溫度以上的情況[3]。

3.含硫有機化合物的熱分解

油氣田中硫化氫很多都是由于油氣藏中的含硫有機化合物，在一定條件下發生熱化學分解形成的。這些含硫有機化合物處于高溫的條件下，含硫雜環中的S-C鏈（活化能較低）會出現斷裂，從而形成硫化氫。如RCH2CH2SH→RCH=CH2+H2S↑。這種生成的過程也被稱為裂解型硫化氫。而當有更高溫度時，硫雜環會出現斷裂，進入深裂解作用的階段，從而生成更多的硫化氫。

二、油氣田硫化氫的安全防治對策

根據油氣田中硫化氫形成機理的不同，可采取相應的安全防治對策，比較常用的有生物法、化學法等，現主要介紹這兩種方法。

1.生物防治法

該辦法主要是對硫酸鹽還原菌還原硫酸鹽起到阻礙作用。硫化氫被認為是產生硫化氫的主要生物原因，廣泛存在于油田產出的水以及油田注入的水中。為阻止水中的硫酸鹽還原菌對硫酸鹽起到還原作用，可在水中加入生物殺菌劑，如氧化物、甲硝噠唑、二溴氮基丙氨酰、丙烯醛等，這些殺菌劑能有效控制細菌的生長。另外，咔唑烷基磺酸、芳基亞磺酸等磺酸類殺菌劑可兼做殺菌劑和除硫劑使用。但受到油藏壓力、溫度等因素的影響，很多殺菌劑的局限性明顯，兼容性有待提高。因此，今后的研發的重點是進一步提高殺菌劑的功效。

2.化學防治法

該方法的主要功能是將硫化氫轉變成腐蝕性小、毒性小的含硫物。近年來，經過大量的研究測試，科研工作者研制成功了很多硫化氫化學清除劑，例如胺-醛凝結物、丙烯醛、亞硝酸鹽等，這些清除劑能有效實現硫化氫的性能的轉化，使其危害性降低。而硫化氫含量隨著油田注水開發的深入呈現升高趨勢，科研工作者為此也研制出了一些有效的除硫劑，如堿式、海綿鐵等。總結去除硫化氫的化學措施主要有以下幾種：

⑴金屬堿去除法。先將氫氧化鈉溶液（或者濃氫氧化鉀）置于若干個通氣管連接好的球形設備中，然后將含硫化氫物質的氣體從球管中通過。在通過的過程中，硫化氫氣體會被吸收（根據的是二元弱酸堿離解原理）[4]。

⑵氧化消除法。比較常見的氧化劑有SO2、H2SO4（濃）等，這些氧化劑能氧化硫離子和硫化氫，而形成硫化物或者單質硫，達到去除硫化氫的效果。

⑶沉淀消除法。可在鉆井液中或者油井中加入一些氧化物或者金屬離子，如氧化鐵、鋅螯合物、碳酸亞銅醋酸鋅、氧化鋅等。這些物質會與硫化氫發成化學反應，從而生成一種難溶化合物，能起到去除硫化氫的效果。

⑷金屬氧化物的吸收去除法：要脫除油氣田中的硫化氫時，若在較低溫度下，則很難實現脫硫。而隨著溫度的升高，脫硫效果則會更加明顯。這主要依靠可再生硫吸收劑的研究成果。

3.其他安全防治對策

除了進行生物和化學防治措施之外，加強人員的教育培訓，提高人員對硫化氫的防范處置能力；強化設施的防腐防治措施，配備完善的防護設備、檢測器材；明確職責和完善告知、監測、警示等規章制度；建立健全硫化氨防護體系等都是防止硫化氫的有效舉措。

[1]李芒，劉建川，鄧利民.油氣田硫化氫形成機理與安全防治研究[J].廣州化工.2013,41(14):38-39+87.

[2]張吉東，俞英，黃海燕.油氣田硫化氫形成機理及影響因素研究[J].科技創新與應用.2014(23):143.

[3]宣延軍.油氣田硫化氫的危害與防范技術研究[J].中國石油和化工標準與質量.2012,32(03)：19.

[4]高淑華.淺談如何做好防硫化氫技術培訓[J].投資與創業.2012(03)：87.