天然气干法脱硫“一站式”模式的创新发展与实践

方 进 罗召钱

（中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川 江油 621700）

0 引言

伴随着四川盆地北部地区深层海相碳酸盐岩气藏取得重大勘探开发突破［1］，中低含硫天然气的安全高效开采成为实现气田高质量发展的攻坚方向之一。干法脱硫作为含硫气田开发初期小规模净化处理的主要手段，在工艺管理模式上的不断优化创新，不仅是为了满足日益增长的气田开发需要，更是为了满足“绿色矿山”的建设要求。

为此，针对传统管理模式中制约天然气干法脱硫高效运行中存在的一系列问题，摸索并建立了天然气干法脱硫“一站式”创新模式［2］。

1 天然气干法脱硫“一站式”模式的动因与内涵

1.1 天然气干法脱硫“一站式”模式的动因

随着全球能源消费持续回暖，消费结构进一步向清洁化发展，天然气已成为当今全球三大主力能源之一。作为世界上最早开发和利用天然气的区域，四川盆地常规和非常规两类天然气资源总量38×1012m3，累计探明4.1×1012m3。区块勘探开发逐步由陆相向海相、由浅层向深层、超深层探索发展，后续勘探开发任务将会更加复杂。尤其是深层、超深层海相气藏，气质组分更为复杂，多含硫化氢毒性气体，有较大的安全、环保风险，对天然气的处理能力也提出了更高的要求［3-5］。天然气的含硫量作为脱硫工艺选择的重要依据之一，通常用潜硫量表示。一般来说，潜硫量在10 t／d以上时，选择化学／物理溶剂吸收法脱硫H2S，如胺法脱硫（MDEA），常用于大规模脱硫；当潜硫量介于0.2～10 t／d时，常选择液相直接氧化还原工艺，如络合铁法；当潜硫量小于0.2 t／d时，常选用干法脱硫工艺。四川盆地北部地区中低含硫天然气井潜硫量通常小于0.2 t／d，结合干法脱硫工艺流程简单、投资低、占地面积小等优势，因此干法脱硫成为盆地含硫量较低气井的主流净化工艺［6］。

但在干法脱硫传统生产管理中存在一定弊端，一方面脱硫剂的使用、富剂的处置面临不同的承包商，多责任主体使得工作界面交叉复杂，管理难度大，脱硫质量难以把控。另一方面，传统模式以脱硫剂使用量为标准，对不同的生产环节、不同服务商和不同的施工人员进行分开结算，程序复杂、误差较大。实际使用的脱硫剂硫容高低由企业自行承担，脱硫服务商对服务质量的持续提升上显得动力不足。再者，脱硫剂的更换多采用现场人工掏填的方式，脱硫富剂不可避免的与人员和现场环境接触，安全管控风险大［7-10］。因此，为了优化脱硫管理流程、提升工艺效果、降低作业风险，天然气干法脱硫一站式模式成为加速含硫天然气高质量开采的内在需求与必然选择。

1.2 天然气干法脱硫“一站式”模式的内涵

在对传统脱硫模式与历史经验进行充分调研与总结研判后，从工艺流程设计、现场建设施工、生产运行管理三大过程管控入手，改革多责任主体、分步设计、分散施工的传统脱硫模式，重塑管理流程，整合服务商资源，同时对脱硫设备撬装化、一体化，从根本上杜绝脱硫剂与现场人员和环境的接触，消除作业安全隐患（图1）。其次，借鉴最新的天然气计价模式，以经济杠杆激励脱硫服务质量提升。再者，以信息化手段进行可视化协同设计和全过程安全管控，推动脱硫管理实现高效、安全、环保的目标。

图1 一站式脱硫管理总体框架示意图

2 天然气干法脱硫“一站式”模式创新

2.1 基于设计方案的管控流程重塑

在工艺流程设计方案上（图2），与技术服务方协同开展集成化流程与装置设计：整合传统原料气处置工艺，进行施工安装及运行管理的整体化与便捷化改造，要求脱硫设备能撬装化快速拆装，脱硫设备能整体拉运更换，能以脱硫塔为容器将脱硫富剂密闭运输直接返厂无害化统一处置，消除脱硫剂现场装卸，杜绝废剂自燃和粉尘污染等隐患，达到快速、安全、环保的目的。

图2 一站式脱硫施工运行流程示意图

在地面工程建设方案上，打破“建设初期分步设计、采购，建设后期分段施工、试运投产”的传统建设工程模式，推行设备设施“工厂化预制、一体化集成、橇装化安装”的施工方案，加速新井地面工程的快建投产。

在脱硫运行方案上，首先是改变脱硫剂的传统更换方式，由生产现场在脱硫塔内人工掏填脱硫剂，现场打包脱硫剂装车分散处置的方式优化为小单元整体替换，脱硫富剂连带旧塔一起整体拉运回厂处置。全程无脱硫富剂暴露，减轻员工操作强度，降低环境风险。其次是围绕脱硫服务更换重点环节，梳理一站式脱硫管理界面，明确交接内容，将传统模式的放空泄压、氮气置换、设备打开、装卸料、升压验漏、富剂处置等多个环节优化整合，消减人在工艺流程切换中的不安全行为。最后实施属地管理单位与脱硫服务单位合体同责的管理制度，实现双方监督管理与现场操作人员相对独立，保证最大发挥设备设施装置能效，提高固定资产使用率，推动脱硫服务、产品质量提升。

2.2 基于计价体系的脱硫服务质量把控

借鉴我国最新的天然气能量热值计价方式，合理利用经济杠杆，摸索出以天然气硫含量为基础，处理原料气量为标准的新型计价模式。该模式以一定时期在线监测硫化氢的平均值对比基准价气质条件的差值百分比进行折算，计算公式如下：

式中，F为结算价款，元；V0H2S为标准状况下处理气井原料气的体积，Nm3；V1H2S为标准状况下处理原料气的H2S体积百分数；V2H2S为标准状况下基准价的H2S体积百分数；F0为基准价，元／Nm3。

其中，基准价F0按不同气井的情况定制发布，主要由固定资产购置安装、脱硫服务生产现场管理操作人员配置、含硫原料气净化处置等费用综合折算得到。计算参数较传统模式更科学且易获取，一次脱硫整体结算，有效解决传统模式导致的计价难题，加深服务商参与度，提高服务商积极性，在科学结算的同时确保服务质量。

2.3 基于信息化技术的管理效率提升

在天然气干法脱硫“一站式”管理模式中，信息化手段辅助全过程管理效率的提升。

一是搭建属地管理方与服务商的实时交流平台，构建高效管控基础，将传统模式中较为低效的人对人当面交流，转变为线上的多线程高效实时交流，实现设计和建设等重要信息的高速无障碍传输和快速处理，辅助决策与及时响应。

二是通过电子设备和服务系统，加强属地管理方对服务商的可视化全过程监督，保障施工安全与服务质量。

三是通过多样化的培训手段，利用信息技术促进员工和服务商职业技能提升，同时加强服务商的能力评估与绩效考核，打造出与天然气干法脱硫“一站式”新模式相匹配的人才队伍。

3 天然气干法脱硫“一站式”模式实践

3.1 “一站式”模式实践概况

近年来，四川盆地北部地区深层海相碳酸盐岩气藏开发上取得重大突破，促进了天然气干法脱硫“一站式”脱硫的管理变革与提升。自2018年开始，针对川西北部中低含硫边远气井分布广、含硫量相对较低、脱硫集中处理难度大、脱硫成本高等特点，先后在区域内4口新投产井中成功应用了干法脱硫“一站式”模式，为该模式的优化、评估和推广使用积累了实践经验。

3.2 L016-H1井生产实例

L016-H1井是中国石油西南油气田公司川西北气矿部署在川西北部区域九龙山区块的一口滚动勘探开发井。该井日产气量约40×104m3／d、日产液量为2 m3，开井初期井口硫化氢含硫较低，无需特殊处理。随开发周期增加，天然气硫化氢含量上升至70 mg／m3，而区块内尚无其他净化设施可依托。

在“一站式”干法脱硫模式的指导下，L016-H1井现场采用服务商提供的5台撬装脱硫塔。脱硫塔均采用标准化设计和模块化连接，整体占地面积小，且可根据生产需要对模块灵活增减和组合。工艺单元采用先集散再整装的方式，各单元之间的连接也由传统焊接优化为可拆卸的法兰连接，可有效提高运输和现场安装调试等环节效率。

当脱硫塔吸附饱和时，流程上切换备用脱硫塔，吸附饱和塔则开始进行吊装更换工作，将装填有新脱硫剂的脱硫新塔直接替换吸附饱和塔。通过整体吊装更换实现脱硫富剂的全过程密闭输送，返厂无害化统一处置。传统模式中，此部分工作是由人工从塔内掏出脱硫富剂，打包成约50 kg的小包装后再车辆拉运回厂，脱硫新剂也由相同的方式反向装填。以A63型脱硫塔每塔装填脱硫剂4.35 t计算，单塔换剂需搬运174袋脱硫剂，劳动强度大的同时作业风险也大。相比之下，新模式整体单元吊装更换的方式不仅更加方便快捷，大幅减少了人力投入，更从根本上杜绝了脱硫剂对人员和环境的危害。

根据新型脱硫服务结算方式，首先通过L016-H1井固定资产和生产现场人员配置情况、传统模式同类型含硫原料气净化处置等费用进行综合折算，确定出L016-H1井的基准硫化氢含量及对应的基准价，再根据结算公式，结合实际处理气量及硫化氢含量波动计算最终结算价格。按L016-H1井产气硫化氢含量70 mg／m3计算，脱硫服务结算单价为0.016 4元／m3，较同类型传统模式脱硫服务折算单价降低约0.05元／m3，使脱硫服务运行成本大幅度下降。更重要的是，相比于传统模式下单纯的买卖脱硫剂，新的结算方式激励了服务商通过提高产品硫容来获得利益。L016-H1井使用过程中硫容最高达32%，相比于传统模式约13%的使用硫容有了质的飞跃，更是刷新了同条件下国内新纪录，为天然气行业的高质量发展发挥了积极作用。

L016-H1井在“一站式”模式在的实践过程中，还合理运用了各类信息化手段促进管理效率提升。依托三维协同设计程序，搭建了属地管理方与服务商的实时交流平台，依托中油系统ERP物资管理平台，整合传统模式多环节、多渠道物资采购程序为统一采购；在三维设计程序基础上搭建信息互通链接，实时更新物资使用、需求、库存和供应情况，实现物资全动态管理。同时充分利用电子摄像头，无人机实现远程监控，主动监测、识别作业人员资质、入场资格、违章行为，管理层和生产人员可以通过现场语音报警、无人机对讲等及时控制不安全行为、不安全状态，保障施工安全与服务质量。通过大量的网络培训课程、直播教学、新媒体推送等方式，以多元化的手段强化员工和服务商的培训与考核，有效促进了员工职业技能提升。

实践结果表明，与传统模式相比（表1），新模式在安全环保、提质增效、降低成本上均取得了显著的效果。

表1 L016-H1井“一站式”干法脱硫管理模式与传统模式运行效果对比表

4 结论与认识

天然气干法脱硫“一站式”模式的实践结果表明，该模式取得了环保、降本、增效全方面的提升。

1）环保效果提升。新模式通过以脱硫塔带脱硫剂整体吊装替代原有模式现场装卸脱硫剂的方式，减轻人员劳动强度的同时最大限度削减了脱硫剂的暴露，降低了人员和环境污染风险。

2）工作效率提升。通过模块化的设计，简化流程避免了交叉作业等问题，在单井产能建设过程中实现了快建快投；整体吊装更换带脱硫剂的脱硫塔，简化了运行环节，缩短了单次脱硫剂更换时间；新的结算方式激励服务商提升脱硫剂硫容，创下同类型硫容全国纪录，进一步降低脱硫剂更换频次。

3）运行成本降低。一是新模式减少了以脱硫塔为首的固定资产投入以及脱硫塔的检维修等成本；二是精简后的流程减少了人员投入；三是按新的脱硫服务结算方式，结算单价大幅降低，推动脱硫服务费用总体显著下降。