“智”引丨走进重点实验室⑥

  [中国石油新闻中心2020-06-24]
  国家能源高含硫气藏开采研发中心
  国家能源高含硫气藏开采研发中心（简称中心）2013年经国家能源局批准，以集团公司高含硫气藏开采先导试验基地为基础，依托西南油气田公司，联合川庆钻探工程有限公司和西南石油大学共同建设，担负着高含硫气藏开采工程技术创新源头的重任。
  中心设有7个研究所、两个现场试验基地和一个应急救援中心，从气藏储产量、钻完井技术、采气工艺及工具、腐蚀检测和控制、净化处理、安全环保等方向入手，通过自主创新与国际合作，开展重点项目科技攻关和综合研究。
  在国家能源局、集团公司的大力支持下，中心在装备建设和科研成果方面不断提升。在装备建设方面，紧密围绕高含硫气藏开发技术发展需求，先后引进646台/套国内外先进实验设备，自主研制6套国内领先试验装备或工具。在科技成果方面，创建195项实验和评价方法；制修订国际标准3项、国家标准6项、行业标准10项，授权国家发明专利242项，发表论文173篇，出版专著6部。
  中心建立了以中国工程院院士罗平亚、李鹤林为代表的国内外享有盛誉的高含硫气藏开采领域专家学者组成的研发中心理事会和技术委员会，拥有企业首席技术专家3人、企业技术专家7人、一级工程师49人，教授级高级工程师35人、高级工程师121人、工程师97人，形成了一支产学研一体、技术实力雄厚的专业化人才队伍。
  1天然气开采井场
  经过储层改造，地层中的高含硫天然气在井下节流降压后，配套防腐措施，通过井下油管被输送到地面。
  2天然气输送
  利用耐蚀钢、加注缓蚀剂、涂层、阴保等对管道腐蚀进行控制，利用探针对控制效果进行监测。
  3天然气净化厂
  天然气净化厂脱除采出天然气中的硫化氢、二氧化碳和水，使商品气和尾气达到环保要求。
  4净化后的天然气被输送到居民家中
  5净化后的天然气被输送到加气站
  6净化后的天然气可进入化工厂作为原料气
  绿色科技牵出高含硫气藏
  我国高含硫天然气资源丰富，开采潜力巨大，资源主要集中在四川盆地。随着经济社会不断发展，加快国内高含硫气藏的开发及利用，对促进国民经济发展、减少环境污染及保障国家能源安全具有重大战略意义。
  高含硫气藏开发难在超深、难在高含硫，开发风险高、难度大。上世纪50年代，四川盆地开始天然气规模化开采，高含硫气藏开发经历了从开发探索、技术集成到超高深大型高含硫气藏开发技术升级配套三个阶段。站在新的历史节点，如何安全清洁高效开发高含硫气藏，将有毒有害硫化物转化为工业原料硫黄，实现变废为宝，对高含硫气藏开发整体技术提出了更高要求。
  对标国际一流、瞄准制约开采的关键问题，国家能源高含硫气藏开采研发中心开展了重大项目攻关，建立起基本适应我国高含硫气藏开发配套的气藏工程、钻完井工程、采气工程、地面集输与腐蚀控制、天然气净化工程、安全环保工程六大技术系列36项特色技术，初步构建了5个层次242项高含硫气田开发HSE标准体系，为促进高含硫气藏储量转化为工业产能奠定要基础。
  这六大技术有效支撑了西南油气田增储上产。同时，高含硫气藏开采技术走出国门，成功应用于土库曼斯坦阿姆河气田，钻井成功率由40%提高到100%，建成了大型高含硫天然气净化厂。
  长期以来，国内高含硫气藏开采核心关键是安全生产问题。高含硫气井服役工况恶劣，井完整性面临较大挑战。国家能源高含硫气藏开采研发中心从气井完整性失效机理着手，开展大量实验评价和现场应用，攻关形成以设计、评价、检测、治理为核心的全生命周期井完整性管理技术体系，研发了中国石油首个井完整性管理与评价系统，实现西南油气田高温高压含硫气井完整性信息化管理全覆盖。
  这套技术支撑编制了我国首部高温高压高含硫井完整性指南、设计准则和管理规范，使我国成为继挪威、美国、英国后第四个建立井完整性标准体系的国家，保障了磨溪龙王庙、高石梯震旦系和川西双鱼石等高温、高压、含硫气藏的安全平稳生产。
  如何实现高含硫天然气中硫含量和尾气二氧化硫排放浓度的“史诗级瘦身”？国家能源高含硫气藏开采研发中心给出答案：针对不同“重量级”含硫天然气的“硫肥胖”问题，靶向攻关、精准出击，一方面技术产品升级，一方面“对症”优化工艺。
  紧扣这个思路，国家能源高含硫气藏开采研发中心创新开展高选吸性脱硫、硫黄回收尾气处理等系列技术攻关，并针对不同含硫天然气量体裁衣式优化工艺、技术升级，形成天然气净化技术和尾气深度减排技术，有效解决了产品天然气气质达标、现有天然气净化厂和炼厂含硫尾气超标的瓶颈技术问题。同时，配合技术研发制定了《天然气—硫化合物的测定—用紫外荧光法测定总硫含量》等3项国际标准和3项行业标准，整体技术水平达到国际领先。
  这套系列技术在中国石油、中国石化、神华集团、瑞兴集团等企业得到广泛应用，实现硫黄回收尾气二氧化硫排放浓度小于200毫克/立方米，减排二氧化硫近90万吨，有效提高了天然气气质，减少了环境污染。
  7年多来，国家能源高含硫气藏开采研发中心贯彻落实新发展理念，加大重要装备研发力度，加强新工艺、新技术、新产品等产业化推广，优化和完善了高含硫开采技术和标准规范体系，引领和推动着国家高含硫气藏安全、高效开发。（通讯员孔波杨亚宇特约记者彭刚）
  专家点评：持续开展技术攻关“三高”气井安全高效清洁开采
  我国高含硫天然气资源丰富，探明储量占全国天然气储量的1/4左右，开采高含硫气藏是保障国家能源安全的重要组成部分。
  高含硫气藏开采面临着地质特征复杂、地理和人居条件复杂、硫化氢含量高、腐蚀性强、安全与环境风险高、安全保障与成本控制难度大等一系列难题。
  国家能源高含硫气藏开采研发中心致力于解决这类气藏在安全、高效、清洁开采中面临的关键性、基础性和共性难题，推动新型材料与重大装备产业化。
  研发中心坚持自主创新，通过持续攻关，在气藏工程、钻完井工程、采气工程、腐蚀与防护、天然气净化工程、安全环保工程六大领域取得了一系列标志性成果：突破了“三高”油气井安全钻完井技术瓶颈，形成了特色鲜明的高含硫深井排水采气技术，建立了高含硫气田整体腐蚀控制技术体系，开发了高含硫天然气脱硫脱碳技术，构建了高含硫气田区域生态影响评价及应急保障技术体系，解决了制约高含硫气藏安全、高效、清洁开采的一个个难题，建立了高含硫天然气安全、高效、清洁开采工艺技术系列，为保障罗家寨气田、土库曼斯坦阿姆河气田、龙王庙气田等国内外有代表性的高压、高产、高含硫气藏的顺利建成与安全高效开采提供了必要的技术支撑，为我国高含硫气藏安全、高效、清洁开发提供了技术保证。
  今后，国家能源高含硫气藏开采研发中心应进一步加大基础理论研究，充分发挥国家平台的创新引领作用，坚持原始创新与自主创新，开展高含硫条件下的硫沉积机理与硫堵防治、商品天然气气质升级和尾气深度减排等关键核心技术攻关；进一步加强标志性装备建设和试验基地的功能提升，加大高含硫气藏开采实验新方法研究；创新人才建设模式，打造产、学、研深度融合的技术创新平台，确保我国的能源安全和在高含硫开采领域的技术领先优势。（中国工程院院士罗平亚）
  亮点技术
  1.高含硫气体中单质硫含量测定实验技术
  自主研发设计国内首台硫溶解度测定实验仪，形成了一套高含硫气藏流体中单质硫含量测定的实验方法和技术，为高含硫气藏合理开发、产能配产、方案制定及下游集输设计提供重要实验数据和理论基础。
  2.硫沉积评价技术
  采用物模与数模、基础研究与应用研究相结合，从物理模拟实验的源头入手，研制了具有自主知识产权的系列高含硫气藏渗流实验装置，建立了高含硫气藏实验新技术新方法。
  3.长效膜缓蚀剂防腐技术
  长效膜缓蚀剂设计含巯基和R基团的咪唑啉分子结构，增强了缓蚀剂抗硫化氢、抗二氧化碳及抗温能力，具有结构设计独特、原创性强、防腐效果好、膜持续时间长的优点。
  4.胺液复活技术
  具有自主知识产权的胺液深度复活技术，在国内外首次实现胺液中50余种致泡性杂质脱除，配方型醇胺溶液复活后活性添加剂损失率＜2%，同时热稳定盐脱除率＞96%。解决了胺液受污染导致天然气净化装置脱硫性能下降、运行不平稳等生产难题。
  5.高含硫气田区域应急保障技术
  国内首创高含硫气田开发风险量化评价技术，结合应用CFD（计算流体力学）技术，自主研发1套计算软件，有效提升川渝地区多山、人口稠密条件下的风险评估准确性。
  6.高含硫气井井下节流技术
  自主研发出耐温150摄氏度、节流压差105兆帕、抗硫化氢15%（225克/立方米）的井下节流工具系列，填补了国内含硫气井井下节流技术空白。从设备配套、施工设计、技术要求、施工参数等方面综合形成了高含硫气井井下节流施工安全控制技术，保障了施工作业的安全、顺利实施。该技术的应用使得气井地面流程得到简化，实现了无人值守和自动控制生产，达到了节能降耗的目的。
  7.“三高”油气井安全钻井技术
  形成“个性化PDC钻头+高效长寿命螺杆”钻井提速、精细控压安全钻井、深井大温差固井等特色钻井技术，研制了“三高”油气井溢流先兆在线监测与预警系统、自动化应急关井控制系统，为“三高”气井高效钻进和安全控制提供技术保障。
  技术应用
  硫沉积评价技术
  国际上首次建立高含硫双重介质气—液（水、硫）非线性渗流理论，开发出高含硫气藏开发系列软件，探索硫沉积形成机理和内在作用规律，提出硫沉积防治技术，高效指导了川东北高含硫气藏开发。
  长效膜缓蚀剂防腐技术
  广泛应用于以国内川渝气田和土库曼斯坦阿姆河气田为代表的高含硫气田管线和设备的腐蚀控制，可将腐蚀速率控制在0.1毫米/年以下，累计直接经济效益达5.8亿元，提升高含硫气田的完整性管理水平。
  胺液复活技术
  为多个天然气净化厂复活受污染胺液超过1000吨，复活后胺液性能恢复至与新鲜胺液接近程度，强有力地支撑了天然气净化装置长周期安全平稳运行。
  高含硫气田区域应急保障技术
  首次对川东北高含硫气田区域性应急管理与保障体系开展研究，提出区域应急资源优化配置建议和应急联动整合建议方案，为高含硫气田区域内的企业应急体系与政府的应急联动整合的建设提供了技术支撑。
  高含硫气井井下节流技术
  这项技术在石炭系、震旦系等气藏现场应用上百井次，最高硫化氢含量94.2克/立方米，最大节流压差达48兆帕，高含硫气井单井平均节约地面建设投资200万元，缩短施工周期15至20天，助推气藏安全清洁效益开发。
  创新感悟
  十年磨一剑
  高含硫气体中元素硫含量测定实验攻关团队
  与常规气藏相比，高含硫气藏中存在元素硫的溶解和沉积作用。沉积的元素硫不仅会堵塞地层，极大降低地层渗透率，严重影响气井产能，还会给气井的正常生产、运输和管理带来危害。但是，怎么才能在实验室中模拟出元素硫在地层中的形态变化？
  科学研究，不会一蹴而就，必须坚持不懈。2006年开始，实验攻关团队潜心研究，从元素硫溶解和沉积实验原理入手，结合高含硫气藏的特点不断修改和完善实验方案，解决了困扰高含硫实验的一系列难题和困难，用十年时间，形成了一套完整的实验装备设计方案，设计完成了一套成型的元素硫含量测定实验装置。该装置和方法已获国家实用新型专利1件，申请国家发明专利2件，并取得加拿大、美国和阿联酋的PCT国际专利申请号，整体技术达到国际先进水平，为建设国家能源高含硫气藏开采研发中心贡献力量。
  坚持问题导向
  精细控压压力平衡法固井技术攻关团队
  四川盆地高含硫气藏埋藏深，地质条件复杂，纵向上含油层系多，同一裸眼段不可避免地存在多个高、低压互存层系，固井作业安全密度窗口极窄，常规固井方式无法兼顾压稳防漏，易造成气窜等重大隐患。
  为解决这一复杂难题，研究团队提出固井全过程动态压力平衡理论，首创复杂超深井小井眼精细控压压力平衡法固井技术，确保了0.05克/立方厘米窄密度窗口下固井施工全过程压稳不漏。这项技术整体达到国际先进水平，并入选集团公司2019年十大科技进展。目前，已申请发明专利5件、软件著作权3项、技术秘密1项，发布企业标准1项，出版专著1部，发表论文5篇。应用这项技术，川西地区平均固井质量合格率同比提高134%。
  推进过程中，我们感受到，要坚持问题导向，深度剖析，精准施策，才能破解难题。这项技术就是在全面分析影响固井质量的各个因素的基础上，攻关形成的具有可复制性、施工安全可靠、固井质量可预期的应用技术，有效解决了复杂超深井窄安全密度窗口地层固井的世界级难题，为高含硫气藏高效开发奠定了坚实基础。
  技术要持续完善
  西南油气田环保技术攻关团队
  高含硫气藏开发过程中，产生大量钻井废弃物，成分复杂，处理难度大，是困扰油气田勘探开发的主要环保难题。
  西南油气田环保技术攻关团队分别针对不同的泥浆体系创新研发形成了水基钻井固体废弃物微生物—植物联合处理技术、油基钻井固体废弃物生物堆肥处理技术。生物处理后的水基和油基钻井固体废弃物可作为“腐殖土”，用于井场开发植被破坏区域的土地复垦及植被修复，真正实现钻井废弃物的无害化处理与资源化利用。
  研发过程中，团队体会到，任何一种技术都不是万能的，必须持续研发，大胆创新，不断完善。针对生物处理技术的不足，环保技术攻关团队将凝心聚力，持续研发，争做新时代生态环境保护的排头兵。