焚烧炉在普光气田高含硫气井试气中的应用_工程实践

摘要

摘要：目前高含硫气井试气通常采用燃烧筒燃烧，燃烧效率低、H2S燃烧不完全、SO2排放超标、试气时间短，难以准确评价气井产能。为此，介绍了引进加拿大专业公司设计生产的Q3000型焚

摘要：目前高含硫气井试气通常采用燃烧筒燃烧，燃烧效率低、H₂S燃烧不完全、SO₂排放超标、试气时间短，难以准确评价气井产能。为此，介绍了引进加拿大专业公司设计生产的Q3000型焚烧炉的工作原理、扩散模型计算方法及主要技术指标，指出该焚烧炉通过喷头排列方式设计、逻辑控制程序研究能使高含硫天然气产生高速涡流，炉腔温度范围从1090℃到1630℃，保证了高含硫天然气的完全燃烧，具备燃烧完全、SO₂扩散良好，可长时间、高效率、满负荷燃烧的性能，满足了试气毒全要求。同时，根据高含硫气井的试气要求，设计6台焚烧炉并联试气，设计处理量60×10⁴m³/d，累积试气燃烧时间240h，经环境监测可知各项监测指标满足环保要求，实现了高含硫天然气井的系统测试，为进一步落实气藏的产能提供了科学依据。

关键词：焚烧炉；高含硫；天然气；试气；应用

目前高含硫气井试气主要采用火炬燃烧方式，火炬燃烧的效率低、H₂S燃烧不完全、SO₂的扩散半径较小，易造成井场附近H₂S浓度较高、SO₂聚集，对人体和环境的危害较大，试气期间需要大量疏散群众，导致开井测试时间只有2～7h，试气时间短、泄气半径小，试气资料只能反映井筒附近储层特征，多解性较强，对气井产能评价有一定影响，给准确测试气藏产能带来很大困难。为了深入研究和认识高含硫气田的产能，在国内外技术调研的基础上，借鉴加拿大油气田测试经验，引进加拿大专业公司的焚烧炉，完善了地面试气流程及装备，对试气过程中的高含H₂S天然气进行高温燃烧处理，实现了高含硫气井的系统测试，取全取准了各项试气资料。

1 焚烧炉的工作原理、扩散模型计算及主要技术指标

1.1 焚烧炉的工作原理

焚烧炉的工作原理是将原料气引入燃烧器产生高速涡流，通过自然吸入空气，使燃料气和氧气在炉内充分混合、燃烧，炉膛排出气体以较高的速度冲高、向大气扩散，减少高含硫气井测试过程中对环境和人员的危害^[1～2]。图1为焚烧炉炉膛燃烧示意图。

1.2 焚烧炉的逻辑控制程序

焚烧炉的逻辑控制程序包括：

1) 点火监测报警及控制系统

2) 可燃气体爆炸极限监测系统

3) H₂S检测系统

4) 炉膛顶部温度监测系统

5) 超压保护系统

6) 流量分配控制系统

当焚烧炉2套点火系统点火失败、监测点可燃气体达到爆炸极限或者SO₂、H₂S浓度超标时，焚烧炉控制系统将向井场数据采集控制系统发出紧急关断报警信号，并关闭井口；当超温、超压或超气量时，焚烧炉控制系统将向井场数据采集控制系统发出紧急关断报警信号，并进行调节^[3～6]。具体逻辑控制流程见图2。

1.3 焚烧炉扩散模型计算

扩散模型计算的参数为原料气组分体积分数(CH₄70.6%、H₂S20.0%、CO₂8.93%)，原料气量(70×10⁴m³/d)，炉膛设计排出气体速度(21.23m/s)，排出温度(924℃)，气井所处地形、地貌及气象等数据；模型计算采用的试气井及周边10km范围10个浓度聚集点的地形位置参见图3。

模拟计算结果表明：测试期间绝大部分地区的环境空气1h SO₂平均浓度低于500μg/m³，但由于受地形、风向等因素的影响，量号点(Rec5)出现环境空气1h SO₂平均浓度高于500μg/m³的概率为9.87%。

1.4 焚烧炉的主要技术指标

所引进的焚烧炉是加拿大QTI(Questor Technology Inc.)公司根据山区现场运输条件以及扩散模型计算结果而改进的Q3000型焚烧炉，单台焚烧炉最大处理量为10×10⁴m₃/d，通过喷头排列方式产生气旋，炉腔温度范围从1090℃到1630℃。每台焚烧炉由进气口、燃烧器喷嘴系统、炉膛、燃烧控制系统、3套点火系统、炉膛顶部温度监测系统、入口压力传感器、太阳能电池板、可燃气体爆炸检测系统、内衬耐火材料、橇装系统等组成，分炉膛和基座2部分，2者用法兰连接，主要技术指标为：炉膛内径2.134m，单台焚烧炉重量为22.7t(炉膛13.6t，基座9.1t)，外形尺寸为16.0m×2.8m×3.0m，焚烧炉入口原料气压力为0.035～0.56MPa，焚烧炉入口原料气温度为-5～120℃，设计燃烧效率为99.99%。

2 焚烧炉现场应用及环境监测

2.1 焚烧炉现场应用

采用焚烧炉试气的地面流程为：井口→节流阀组→热交换器→分离器→分配管汇→焚烧炉。

由于预计储层产能较高，采用6台焚烧炉并联使用(设计处理气量60×10⁴m³/d)，测试采用修正等时试井方式，4个工作制度、等时距36h，稳定生产时间96h。试气期间取气样分析H₂S体积分数为12.81%～14.57%，CO₂体积分数为9.7%～10.1%。井口放喷与采用焚烧炉方式进行试气的情况对比见图4、5。

2.2 焚烧炉运行情况及认识

1) 采用焚烧炉试气，现场无黑烟，炉口无明显火焰，燃烧充分、完全。

2) 试气过程中焚烧炉最大进气量53×10⁴m³/d，进气压力0.41MPa左右，焚烧炉的实际处理量基本达到了设计处理能力，对原料气压力、温度的适应性较宽。

3) 进气量43×10⁴m³/d、出口温度980℃条件下，焚烧炉连续正常燃烧96h，具备长时间工作的性能。

4) 焚烧炉进气量越大，出口温度越高，最大出口温度达到了1150℃，但未超过设计值，有扩大实际处理量的空间。

5) 本次试气焚烧炉累计运行时间240h、燃烧天然气量498.9×10⁴m³，试气完毕后内衬耐火材料外形及颜色无明显变化，表明焚烧炉耐火材料性能能够抗高温酸性气流的长时间、大流速的腐蚀和冲蚀。

6) 焚烧炉经过了山区地形条件下的长途运输、吊装、运行、拆卸后，炉膛耐火材料仍然结构完整、无脱落，说明耐火材料的内衬及安装方式设计合理、牢固，能够满足山区特殊地形地貌的需要。

2.3 焚烧炉试气环境监测

环境监测工作分为试气前背景调查、试气期间实时监测及试气后污染调查3个阶段。在周围环境4km范围开展了大气、水质、土壤、生态等方面的环境监测及调查，共布设大气自动监测点位32个、大气人工监测点位6个，监测大气中二氧化硫和硫化氢浓度；设地表水监测断面3个，降雨监测点位16个，井场周围天然池塘3个，监测其pH值、化学需氧量、油分、硫化物等含量；设土壤监测点位4个。为保证监测全面性，还进行了井场周围生态调查和降水中硫酸盐等指标的测定。共获得数据1521184个，工作量汇总见表1，环境监测地形位置见图6，试气过程环境监测对照见表2。

表1 试气环境监测工作量汇总表

监测类型	监测天数	原始记录批次	样品个数	项目个数	监测数据(个)
大气自动监测	22			3	1520000
大气人工监测	13	13	663	3	663
河流水	5	5	9	13	351
雨水	4	4	50	2	114
天然水池	2	2	6	8	48
土壤	2	2	8	1	8
生态调查	2	2			120
合计					1521184

表2 试气环境监测数据对照表

监测对象	监测类别	主要监测因子	试气前背景值	试气中数值	试气后调查值	标准值
大气	自动监测	二氧化硫(mg/m³)	0.00	0.00～7.59
	自动监测	硫化氢(mg/m³)	0.00	0.00～1.01
	人工监测	二氧化硫(mg/m³)	0.004～0.004	0.007～0.465	0.007	≤0.50
	人工监测	硫化氢(mg/m³)	0.009～0.009	0.001～0.012	0.001	≤0.01
水质	河流水	pH值	7.06～8.48	7.76～8.15	7.71～8.14	6～9
		化学需氧量(mg/L)	5	5～6	5～6	≤20
		油分(mg/L)	0.01～0.02	0.01～0.03	0.01～0.03	≤0.05
		硫化物(mg/L)	0.005～0.011	0.005～0.052	0.012～0.041	≤0.2
	降水	pH值		4.03～5.94	4.49
	降水	化学需氧量(mg/L)		≤5	≤5
	天然水池	pH值		7.74～8.08	7.50～8.06
		化学需氧量(mg/L)		15～19	11～21
		油分(mg/L)		0.03～0.05	0.030～0.070
		硫化物(mg/L)		0.010～0.028	0.014～0.030

通过对试气前、后的监测结果进行分析比较可知：

1) 河流断面监测数据表明：监测时间、监测范围内试气作业对河流水质无影响。

2) 现场走访和对比调查表明：监测区域内植被未受到伤害，试气没有产生生态破坏。

3) 试气过程中有个别监测点浓度较高，其中1个自动监测点SO₂最高浓度达到7.59mg/m³、持续时间为7min；另1个自动监测点2次监测到SO₂最高浓度达5.69mg/m³和6.23mg/m³，但每次持续时间均很短。分析其原因，主要是受山形地貌及风向、风速等因素的影响，SO₂扩散的方向单一、相对集中所致。

4) 此次试气过程对局部大气环境质量在短时间内有一定影响，但未超过国家二级空气质量标准，没有造成大范围、高浓度的大气污染，与SO₂扩散模拟结果基本一致。

3 结论

1) 为适应山形地貌及高气量产能评价的需要，首次采用6台可拆装式焚烧炉并联试气，长时间、高负荷的现场应用表明：焚烧炉燃烧工艺成熟，安全可靠，达到了世界领先水平。

2) 通过焚烧炉的应用，在国内首次实现了高含硫气井的系统测试，为进一步落实气藏的产能提供了科学依据。

3) 焚烧炉现场应用环境监测表明：系统测试期间空气和水源质量各项监测指标满足环保要求。

4) 随着小型、高效脱硫装置技术的进步，在高含H₂S气藏进行高气量试气时，可先将部分H₂S脱除，降低进入焚烧炉天然气的H₂S含量，再采用焚烧炉燃烧，可减少SO₂排放量，对环境更为友好。

参考文献

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(本文作者：聂仕荣¹ 张文昌² 1中国石化股份公司油田事业部天然气处；2.中国石化中原油田采油工程技术研究院)