稠油熱采中H2S生成反應實驗平臺建設

張克舫, 林日億, 韓超杰, 王新偉

(1.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580；2. 濰坊市政工程設計研究院有限公司, 山東 濰坊 261061)

20世紀80年代以來,注蒸汽開采稠油技術在遼河、新疆、勝利等稠油儲量豐富的油田得到推廣和應用,取得了顯著的經濟效益[1]。注蒸汽開采稠油是通過向油藏中注入高溫蒸汽加熱原油、降低稠油黏度,實現開采的目的[2-3]。“熱力采油技術”是我校能源與動力工程專業、石油工程專業學生的專業課程,作為一門應用性強的專業課程,還缺少相關的實驗教學項目。實驗教學對于培養學生的工程實踐能力、設備操作能力、科研創新能力具有不可替代的作用,是培養多元化創新型人才的有效途徑[4-6]。因此,亟需構建熱力采油課程的實驗教學平臺[7-8]。

1 H2S的生成實驗平臺建設方案

在稠油注蒸汽熱采過程中,高溫蒸汽為次生H2S的生成提供了有利條件。此外,高溫蒸汽會促使稠油、地層水以及地層礦物之間發生一系列復雜的化學反應,進而產生CO2、H2S等氣體[9-10]。調研和分析發現,油氣藏的天然氣中高濃度H2S(H2S>5%) 是由硫酸鹽熱化學還原反應生成的[11-12]。目前,大多數研究主要集中在天然氣藏條件下硫酸鹽熱化學還原反應的研究,對稠油熱采下H2S的生成機制研究鮮有報道。稠油熱采條件為伴生氣及原油與巖石礦物中硫酸鹽的反應提供了所需的熱量及環境,探究稠油熱采過程中H2S生成機制對H2S預測、治理工作及熱采油井生產安全有重要意義。稠油熱采H2S生成反應的實驗平臺,幫助學生更好地掌握在注蒸汽采油過程中H2S生成反應的過程、原理以及影響H2S生成的條件,為學生自行設計實驗、探索H2S生成反應的規律、方法以及為了安全生產而控制反應提供了良好的條件。這對培養學生綜合實驗能力、科研創新能力和工程實踐能力,培養學生熱力采油安全生產意識,促進對H2S生成反應的研究具有重要的意義。

1.1 實驗平臺的構成

油氣藏的天然氣中高濃度H2S是由硫酸鹽熱化學還原反應(TSR)生成的[11-12]。因此H2S的生成反應系統就是硫酸鹽熱化學還原反應系統,主要包含N2供給系統、H2S反應系統、H2S檢測系統以及產物分析系統。

其中H2S反應系統是TSR反應的場所。將稠油、硫酸鹽和去離子水,按照一定比例配備在石英管中,石英管放置在耐高溫的高壓反應釜中。實驗結果與反應器內的硫酸鹽種類、反應溫度以及反應進行的時間有關。H2S生成反應實驗平臺由載氣(N2)、管式加熱爐、耐高溫高壓反應釜、石英管、氣體流量計、H2S檢測儀、集氣袋等組成,可以使學生直觀地認識H2S產生的反應原理和過程,掌握相關儀器設備的操作,通過分析產物中的成分,更加深刻理解H2S產生的現象和規律。本H2S生成反應實驗平臺由反應物制備平臺和系統實驗臺兩部分組成。

1.2 反應物制備平臺

反應物:稠油(脫水原油)3.0 g；去離子水(分析純,美國NEXUS)10 mL；硫酸鹽(分析純)2.0 g，實驗中5種硫酸鹽包括無水硫酸鈉(分析純,深圳)、無水硫酸鎂(分析純,美國)、無水硫酸鈣(分析純,江蘇)、無水硫酸鐵(分析純,日本)、無水硫酸鋁(分析純,上海)[13]。

儀器:高精度電子天平(日本,型號為島津AUY220,精度0.0001g)[13]。

1.3 系統實驗臺

H2S產生的反應實驗系統流程圖見圖1,主要由氮噴射系統、H2S反應系統、H2S檢測系統及產物分析系統共4部分組成。

圖1 H2S產生的反應實驗系統流程圖

(1) N2供給系統。由鋼瓶氣供給N2,鋼瓶氣是濃度為99.999%的標準氣體,通過質量流量計對N2進行控制和調節。實驗前需要向反應釜內反復充入1.0 MPa的高純度N2,以便去除反應釜內的空氣并維持反應需要的高壓條件,并在流量計入口采用減壓裝置。

(2) 還原反應系統。實驗中采用耐高溫、高壓，抗腐蝕的不銹鋼反應釜和石英管作為H2S生成的還原反應器。在石英管中放入配比好的反應樣品,再將石英管放入耐高溫的反應釜中。采用管式加熱爐加熱反應器,由分度號為K的熱電偶(外徑1 mm)測量溫度,并由可編程溫度控制儀程序控制反應溫度,溫控儀的精度為±1 ℃。為了防止熱量散失導致溫度測量的不準確,管式加熱爐的上端采用了保溫罩將管式加熱爐遮蓋住。

(3) H2S檢測系統。H2S檢測裝置是深圳生產的型號為PN-2000的H2S在線式H2S濃度檢測儀,檢測儀的精度為±3%。在稠油油藏中,存在著多種硫酸鹽巖礦,當硫酸鹽溶解在地層水中,在油藏高溫條件下與稠油反應從而產生H2S。因此在H2S生成的還原反應中,H2S生成量反映了TSR的反應程度，也反映了稠油與不同種類的硫酸鹽的反應能力。

(4) 產物分析系統。H2S生成的化學還原反應的產物分為固相產物和氣相產物。采用傅里葉變換紅外光譜儀(美國NEXUS)和CHNS/O元素分析儀(德國Elementar公司)分析固相產物成分,采用紅外光譜儀及XRD分析儀對干燥后的固相物質進行檢測,通過分析TSR反應體系的產物以此驗證H2S生成反應的機理和規律。

采用FID/TCD氣相色譜儀(美國,型號為GC3800)分析氣體收集袋中尾氣的成分,該氣相色譜儀可以檢測烴類氣體如甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等,還可以檢測無機氣體如H2、CO2等。為了減少TSR反應后氣體產物中的水蒸汽對氣體分析儀中各測量數據的影響,TSR反應后氣體經過干燥劑以去除其中的水分后再進入收集袋。

2 教學實驗項目設計

針對石油類專業如石油工程、石油院校的安全工程、石油院校的能源與動力工程專業在熱力采油及安全檢測方面對多元化創新性人才的培養需求,從演示實驗、驗證性實驗和創新性實驗3個方面搭建了稠油熱采中H2S的生成反應實驗平臺。可以實現以下主要實驗：

(1) 稠油熱采中H2S的生成認識實驗。通過對稠油熱采中H2S的生成還原反應中各組件的組裝和管路的連接,熟悉H2S的生成還原反應的實驗過程,了解并能實際操作氣體流量計、溫度可編程控制儀、產物成分分析儀等儀器設備,對實驗中反應器的結構和使用有更直觀的認識,為以后的稠油開采及其安全生產打下基礎。

(2) 熱采中H2S的生成反應特性實驗。通過給定的反應條件,確定不同條件下的H2S生成量,研究反應物、硫酸鹽、反應溫度、反應時間對H2S生成量的影響。

①不同反應物對反應特性影響實驗。在相同反應溫度、相同反應時間下,通過反應物中是否有水,研究稠油熱裂解和水熱裂解對TSR反應的影響。

②不同硫酸鹽對反應特性影響實驗。在相同反應溫度、相同反應時間下,通過改變參與反應的硫酸鹽種類,研究不同種類的硫酸鹽參與TSR反應生成硫化氫的能力。

③不同反應溫度對反應特性影響實驗。在相同反應時間、相同反應物的條件下,通過改變反應過程中的溫度,研究不同溫度對H2S的生成反應的影響。

④不同反應時間對反應特性影響實驗。在相同反應溫度、相同反應物的條件下,通過改變反應時間,研究不同反應時間對H2S的生成反應的影響。

(3) 反應產物分析實驗。通過分析反應器的固相產物中的成分,判斷不同反應物對硫酸鹽熱化學還原反應的影響。還可以通過分析氣相產物中的成分來研究不同條件對H2S的生成反應性能的影響規律,了解H2S的生成反應機理。

3 實驗平臺功能的多元化

學生在H2S的生成反應實驗過程、反應物制備過程以及不同條件對H2S的生成反應的性能等多層次的綜合實驗訓練中,完成綜合應用技能的強化和研究方法的訓練。而且學生可以自主選擇實驗項目、自主設計實驗方案、自行開展實驗,觀察和研究H2S的生成反應的規律和現象,這樣,既保證理論教學演示性和驗證性實驗的開設,又滿足創新性、設計性和綜合性實驗的需求,對于學生的實踐能力、創新能力和綜合素質的提高具有重要的意義[14-15]。

本實驗平臺不僅為我校石油工程、能源與動力工程專業、安全工程的學生開設實驗課,還可以滿足本科生畢業設計和創新訓練的需要。結合目前我國各大稠油區塊采用注蒸汽熱力采油及其安全生產領域中遇到的問題,學生可利用本實驗平臺自主選擇或在教師的指導下選擇實驗項目,通過大學生自主實驗立項,自主查閱相關文獻,完成研究、設計和實驗。不僅培養了學生理論聯系實際的能力,也提高了學生的科研能力和創新精神。

本實驗平臺還可以滿足科學研究和科技創新的需要,實現教學與科研的緊密結合。本實驗平臺可為其他相關的反應實驗提供相關材料、設備和儀器,還可以鼓勵學生進行稠油熱裂解、水熱裂解等方面的創新性研究,不僅實現教學與科研的緊密結合。另外，還可以激發學生的科研興趣,培養學生的科研能力,實現實驗室資源的整合和高效利用[16]。

4 結語

H2S的生成反應實驗平臺的建設,既為我校石油工程、能源與動力工程、安全工程專業的學生開設理論教學演示性和驗證性實驗,又滿足了創新性、設計性和綜合性實驗需求,可以使學生加深對稠油開采過程中硫化氫生成的條件和規律的理解,有利于培養增強學生實踐動手能力和科研創新能力。

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