稠油热采中H2S生成反应实验平台建设

张克舫, 林日亿, 韩超杰, 王新伟

(1.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院, 山东 青岛 266580；2. 潍坊市政工程设计研究院有限公司, 山东 潍坊 261061)

20世纪80年代以来,注蒸汽开采稠油技术在辽河、新疆、胜利等稠油储量丰富的油田得到推广和应用,取得了显著的经济效益[1]。注蒸汽开采稠油是通过向油藏中注入高温蒸汽加热原油、降低稠油黏度,实现开采的目的[2-3]。“热力采油技术”是我校能源与动力工程专业、石油工程专业学生的专业课程,作为一门应用性强的专业课程,还缺少相关的实验教学项目。实验教学对于培养学生的工程实践能力、设备操作能力、科研创新能力具有不可替代的作用,是培养多元化创新型人才的有效途径[4-6]。因此,亟需构建热力采油课程的实验教学平台[7-8]。

1 H2S的生成实验平台建设方案

在稠油注蒸汽热采过程中,高温蒸汽为次生H2S的生成提供了有利条件。此外,高温蒸汽会促使稠油、地层水以及地层矿物之间发生一系列复杂的化学反应,进而产生CO2、H2S等气体[9-10]。调研和分析发现,油气藏的天然气中高浓度H2S(H2S>5%) 是由硫酸盐热化学还原反应生成的[11-12]。目前,大多数研究主要集中在天然气藏条件下硫酸盐热化学还原反应的研究,对稠油热采下H2S的生成机制研究鲜有报道。稠油热采条件为伴生气及原油与岩石矿物中硫酸盐的反应提供了所需的热量及环境,探究稠油热采过程中H2S生成机制对H2S预测、治理工作及热采油井生产安全有重要意义。稠油热采H2S生成反应的实验平台,帮助学生更好地掌握在注蒸汽采油过程中H2S生成反应的过程、原理以及影响H2S生成的条件,为学生自行设计实验、探索H2S生成反应的规律、方法以及为了安全生产而控制反应提供了良好的条件。这对培养学生综合实验能力、科研创新能力和工程实践能力,培养学生热力采油安全生产意识,促进对H2S生成反应的研究具有重要的意义。

1.1 实验平台的构成

油气藏的天然气中高浓度H2S是由硫酸盐热化学还原反应(TSR)生成的[11-12]。因此H2S的生成反应系统就是硫酸盐热化学还原反应系统,主要包含N2供给系统、H2S反应系统、H2S检测系统以及产物分析系统。

其中H2S反应系统是TSR反应的场所。将稠油、硫酸盐和去离子水,按照一定比例配备在石英管中,石英管放置在耐高温的高压反应釜中。实验结果与反应器内的硫酸盐种类、反应温度以及反应进行的时间有关。H2S生成反应实验平台由载气(N2)、管式加热炉、耐高温高压反应釜、石英管、气体流量计、H2S检测仪、集气袋等组成,可以使学生直观地认识H2S产生的反应原理和过程,掌握相关仪器设备的操作,通过分析产物中的成分,更加深刻理解H2S产生的现象和规律。本H2S生成反应实验平台由反应物制备平台和系统实验台两部分组成。

1.2 反应物制备平台

反应物:稠油(脱水原油)3.0 g；去离子水(分析纯,美国NEXUS)10 mL；硫酸盐(分析纯)2.0 g，实验中5种硫酸盐包括无水硫酸钠(分析纯,深圳)、无水硫酸镁(分析纯,美国)、无水硫酸钙(分析纯,江苏)、无水硫酸铁(分析纯,日本)、无水硫酸铝(分析纯,上海)[13]。

仪器:高精度电子天平(日本,型号为岛津AUY220,精度0.0001g)[13]。

1.3 系统实验台

H2S产生的反应实验系统流程图见图1,主要由氮喷射系统、H2S反应系统、H2S检测系统及产物分析系统共4部分组成。

图1 H2S产生的反应实验系统流程图

(1) N2供给系统。由钢瓶气供给N2,钢瓶气是浓度为99.999%的标准气体,通过质量流量计对N2进行控制和调节。实验前需要向反应釜内反复充入1.0 MPa的高纯度N2,以便去除反应釜内的空气并维持反应需要的高压条件,并在流量计入口采用减压装置。

(2) 还原反应系统。实验中采用耐高温、高压，抗腐蚀的不锈钢反应釜和石英管作为H2S生成的还原反应器。在石英管中放入配比好的反应样品,再将石英管放入耐高温的反应釜中。采用管式加热炉加热反应器,由分度号为K的热电偶(外径1 mm)测量温度,并由可编程温度控制仪程序控制反应温度,温控仪的精度为±1 ℃。为了防止热量散失导致温度测量的不准确,管式加热炉的上端采用了保温罩将管式加热炉遮盖住。

(3) H2S检测系统。H2S检测装置是深圳生产的型号为PN-2000的H2S在线式H2S浓度检测仪,检测仪的精度为±3%。在稠油油藏中,存在着多种硫酸盐岩矿,当硫酸盐溶解在地层水中,在油藏高温条件下与稠油反应从而产生H2S。因此在H2S生成的还原反应中,H2S生成量反映了TSR的反应程度，也反映了稠油与不同种类的硫酸盐的反应能力。

(4) 产物分析系统。H2S生成的化学还原反应的产物分为固相产物和气相产物。采用傅里叶变换红外光谱仪(美国NEXUS)和CHNS/O元素分析仪(德国Elementar公司)分析固相产物成分,采用红外光谱仪及XRD分析仪对干燥后的固相物质进行检测,通过分析TSR反应体系的产物以此验证H2S生成反应的机理和规律。

采用FID/TCD气相色谱仪(美国,型号为GC3800)分析气体收集袋中尾气的成分,该气相色谱仪可以检测烃类气体如甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等,还可以检测无机气体如H2、CO2等。为了减少TSR反应后气体产物中的水蒸汽对气体分析仪中各测量数据的影响,TSR反应后气体经过干燥剂以去除其中的水分后再进入收集袋。

2 教学实验项目设计

针对石油类专业如石油工程、石油院校的安全工程、石油院校的能源与动力工程专业在热力采油及安全检测方面对多元化创新性人才的培养需求,从演示实验、验证性实验和创新性实验3个方面搭建了稠油热采中H2S的生成反应实验平台。可以实现以下主要实验：

(1) 稠油热采中H2S的生成认识实验。通过对稠油热采中H2S的生成还原反应中各组件的组装和管路的连接,熟悉H2S的生成还原反应的实验过程,了解并能实际操作气体流量计、温度可编程控制仪、产物成分分析仪等仪器设备,对实验中反应器的结构和使用有更直观的认识,为以后的稠油开采及其安全生产打下基础。

(2) 热采中H2S的生成反应特性实验。通过给定的反应条件,确定不同条件下的H2S生成量,研究反应物、硫酸盐、反应温度、反应时间对H2S生成量的影响。

①不同反应物对反应特性影响实验。在相同反应温度、相同反应时间下,通过反应物中是否有水,研究稠油热裂解和水热裂解对TSR反应的影响。

②不同硫酸盐对反应特性影响实验。在相同反应温度、相同反应时间下,通过改变参与反应的硫酸盐种类,研究不同种类的硫酸盐参与TSR反应生成硫化氢的能力。

③不同反应温度对反应特性影响实验。在相同反应时间、相同反应物的条件下,通过改变反应过程中的温度,研究不同温度对H2S的生成反应的影响。

④不同反应时间对反应特性影响实验。在相同反应温度、相同反应物的条件下,通过改变反应时间,研究不同反应时间对H2S的生成反应的影响。

(3) 反应产物分析实验。通过分析反应器的固相产物中的成分,判断不同反应物对硫酸盐热化学还原反应的影响。还可以通过分析气相产物中的成分来研究不同条件对H2S的生成反应性能的影响规律,了解H2S的生成反应机理。

3 实验平台功能的多元化

学生在H2S的生成反应实验过程、反应物制备过程以及不同条件对H2S的生成反应的性能等多层次的综合实验训练中,完成综合应用技能的强化和研究方法的训练。而且学生可以自主选择实验项目、自主设计实验方案、自行开展实验,观察和研究H2S的生成反应的规律和现象,这样,既保证理论教学演示性和验证性实验的开设,又满足创新性、设计性和综合性实验的需求,对于学生的实践能力、创新能力和综合素质的提高具有重要的意义[14-15]。

本实验平台不仅为我校石油工程、能源与动力工程专业、安全工程的学生开设实验课,还可以满足本科生毕业设计和创新训练的需要。结合目前我国各大稠油区块采用注蒸汽热力采油及其安全生产领域中遇到的问题,学生可利用本实验平台自主选择或在教师的指导下选择实验项目,通过大学生自主实验立项,自主查阅相关文献,完成研究、设计和实验。不仅培养了学生理论联系实际的能力,也提高了学生的科研能力和创新精神。

本实验平台还可以满足科学研究和科技创新的需要,实现教学与科研的紧密结合。本实验平台可为其他相关的反应实验提供相关材料、设备和仪器,还可以鼓励学生进行稠油热裂解、水热裂解等方面的创新性研究,不仅实现教学与科研的紧密结合。另外，还可以激发学生的科研兴趣,培养学生的科研能力,实现实验室资源的整合和高效利用[16]。

4 结语

H2S的生成反应实验平台的建设,既为我校石油工程、能源与动力工程、安全工程专业的学生开设理论教学演示性和验证性实验,又满足了创新性、设计性和综合性实验需求,可以使学生加深对稠油开采过程中硫化氢生成的条件和规律的理解,有利于培养增强学生实践动手能力和科研创新能力。

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