高含硫天然气田氦氮检漏技术设计研究与应用探索

罗 然* 潘向东 黄 斌 陈 航 任景伟

（1.中国石油天然气股份有限公司 西南油气田分公司 2.四川宝石花鑫盛油气运营服务有限公司）

0 引言

随着天然气资源被大量开采，各大油气田、天然气田的开采力度也不断加大，开采后，需对天然气进行进一步除水、净化处理，从而获得品质较优的天然气。在天然气开采、集输和净化的过程中，安全有效地提高天然气开发效率并保证作业过程的安全性，是当前行业内重点关注的问题[1]。以某高含硫天然气田生产作业区为例，该项目为国内大型石油企业与国际知名石油企业合作开发的高含硫天然气项目，在实际作业过程中，该气田的压力与H2S 含量均相对较高，上下游安全风险控制难度大，需通过专业的检修技术来执行氮气置换吹扫与氦气检漏任务，从而提高高含硫天然气田的作业安全性[2]。为此，结合高含硫天然气项目开采、集输、净化作业的实际特点，重点对井场、集气站及净化厂等区域的设备、管道系统氮气置换吹扫和氦气检漏的实施过程进行设计，从而保证法兰螺栓接头的可靠性；同时对施工过程中的关键风险因素进行分析并制定了对应的急救援措施，这对保证作业区域的安全性具有重要意义。

1 氮气置换吹扫与氦气检漏措施设计

1.1 氮气置换吹扫管线操作方式设计

（1）天然气主要置换流程采用连续流动法，可结合升压降压法开展置换。

（2）除主流程以外，设备及管线（脱硫单元胺液系统）采用升压降压稀释法，每次升压至0.4 MPa（压力监测设备为装置内现场压力表和制氮系统压力表），之后泄压至常压状态；反复进行，每升压降压三次后进行一次分析，由此分析数据判断置换和合格性及是否进行下一步工作[3]。

（3）管线吹扫时，采用液氮气化方式，根据需求情况确定氮气的供给方式，氮气供给流程如图1 所示。

图1 氮气供给流程示意图

（4）氮气置换吹扫阶段参数需严格按照设计的阶段参数进行控制，主要参数如表1 所示。在置换过程中，控制氮气流量来确保放空火炬不熄灭。

表1 置换吹扫阶段关键参数指标

（5）氮气置换吹扫合格时，管内气体具体技术指标要求如表2 所示。氮气置换吹扫气体通过放空管线进行放空，检验员依据甲方规定的取样点采用便携式H2S 检测仪进行H2S 含量检测，待H2S 含量检测合格后进行取样分析，以确定检测管道中氧、氮、甲烷等气体的含量。

表2 氮气置换合格技术要求

1.2 吹扫及氦气检漏仪器选型设计

1.2.1 硫化氢检测仪选型设计

硫化氢检测仪主要用于检测作业区域中泄漏的硫化氢气体，当检测到的硫化氢气体的质量浓度超过1.517 mg/m3时，则会发出相应的报警提示。因此，选用了市场上成熟的 CNG-03B1 硫化氢检测仪，该检测仪主要由气路系统、传感器、信号处理电路、单片机、电源系统、显示电路和按键等组成。传感器将被测样气中的特定气体含量转换为电信号，经信号处理电路放大整形后，送到单片机进行模拟量向数字量的转换。同时调取内部的校准数据进行运算处理，测得的结果由显示电路显示，该设备可保证8～10 h 的有效使用时间，能满足硫化氢气体的检测需求。

1.2.2 氦质谱检漏仪选型设计

氦质谱检漏仪主要对作业区域中泄漏的氦气进行实时检测，并发出相应的超标报警提示。本次实验选用了LX218 型氦质谱检漏仪。该仪器工作原理为：采集被检件中的气体样品并将其电离，根据不同种类的气体离子质荷比不同的特点，利用磁偏转分离原理将其区分开。仪器只对示漏气体氦气有响应信号，而对其他气体没有响应，属于唯一性检漏仪器。一旦出现信号响应，说明有氦气通过漏孔进入被检件，从而指示漏孔的位置和大小，仪器的检测原理如图2 所示。

图2 氦质谱检漏仪工作原理图

2 不同区域中氮气置换吹扫实施过程设计

2.1 天然气净化厂置换吹扫实施设计

天然气净化厂置换吹扫包括高压段氮气置换吹扫和中低压段氮气置换吹扫两个阶段。在高压段氮气置换吹扫过程中，选用高压段内每个容器的排污口作为取样分析点，以原料气进口管线甩头联锁阀阀门（PG-070641-3）作为最终取样点位，品分离器手动阀接临时氮气管线（DN50 mm）作为氮气接入点[4]，其脱硫脱水单元的氮气置换吹扫流程如图3 所示。

图3 脱硫脱水单元氮气置换吹扫流程图

中低压段氮气置换吹扫过程包括了脱硫单元富液、脱硫单元贫液及脱硫单元酸气三部分。其中，在脱硫单元富液流程中选取了4 个区域作为取样点，分别为：（1）富砜胺液能量回收透平进口过滤器后阀前甩头；（2）富砜胺液来自脱硫吸收塔至富砜胺液能量回收透平管线上阀后甩头；（3）闪蒸气吸收塔至高压放空总管的分析柜；（4）脱硫闪蒸气分析柜；而脱硫再生塔设备本体上吹扫接口阀 （DN 50 mm）作为氮气接入点。

2.2 集气站置换吹扫实施设计

集气站的氮气置换吹扫过程主要是对气站中的D-020304 型气液分离器和TEG 脱水装置进行置换吹扫作业。其中，D-020304 型气液分离器的置换吹扫过程为：氮气从分离器中进入，经过排污管线后，传输至F-0203 系列的过滤分离器进行过滤，经过气田水罐后，通过泄放口排出[5]，其流程如图4 所示。另外，选取了气液分离器D-020305 顶部压力表口和气液分离器D-020304 顶部压力表口作为取样点， A 井场进入B 集气站的原料气管线接口（DN 50 mm）作为氮气接入点。

图4 集气站置换吹扫实施流程图

2.3 井场置换吹扫实施设计

对作业区域中的井场进行了置换吹扫作业，该区域的氮气通过原料气从井场进入，经过水套加热炉进行混合反应后，传输至测试分离器再排出，其流程如图5 所示。其中，取样点主要包括：水套加热炉上压力表接口、去水套加热炉上压力表接口、测试分离器来气压力表接口、测试分离器上压力表接口、出分离器压力表接口；氮气接入点则选取去水套加热炉管线前甩头。

图5 井场氮气吹扫流程图

3 作业区中氦气检漏实施过程设计

3.1 氦示踪气体浓度检漏要求

（1）氦气的最大允许泄漏率为4.5×10-6Pa·m3·s-1。检出泄漏率不超过最大允许泄漏率则为合格；若超过最大允许泄漏率，则判定该点位泄漏，并在泄漏的位置悬挂标牌。

（2）氦质谱检漏仪应该严格按照其操作规程进行操作。

（3）氦质谱检漏仪需吊装到操作平台对高位的点位进行检测。

（4）先用毛巾和毛刷处理干净检测表面，扫查时吸枪与检测表面的距离应保持在3 mm 以内，扫查速率应不超过2.5 cm/s ；扫查应从检测表面的下部开始。在检查每一个位置时，吸枪应在测量位置上停留至少15 s。

（5）确认关键检测点位表面的塑料薄膜包覆符合要求。

3.2 不同区域氦气检漏实施

3.2.1 天然气净化厂氦气泄漏检测

对净化厂氦气泄漏情况进行检测时，需要注意如下几点：

（1）系统注氮点为酸气分离器、系统氮气入点、主燃烧器系统氮气入点、低压氮气总管等注氮口。

（2）备用临时注氮点为酸气分离器甩头，当系统注氮点注氮量不足时，可改用临时注氮点。

（3）将整个系统升压至0.07～0.08 MPa 后，对低压系统进行气泡检漏。

（4）检漏合格后，连通再生塔酸气流程，经回流罐手动放空手阀泄压放空系统，系统保微正压。

3.2.2 集气站氦气泄漏检测

集气站开工前的试压与检漏作业，分为气液分离器（D-020303/D-020304/D-020305）、原料气过滤分离器与脱水装置高压段，需注意如下几点：

（1）在注氮气升压口注入氮气后进行缓慢升压，压力达到2.2 MPa 时，缓慢持续注入氦气，开展第一次气泡检漏。

（2）试压压力达到4.4 MPa 时，对系统内的氦气进行第一次取样检测，确保系统内的氦含量大于1%，再开展第二次气泡检漏。

（3）试压压力达到6.6 MPa 时，开展第三次气泡检漏，并用薄膜缠绕人孔、法兰、阀门等管件。

（4）试压压力达到8.8 MPa 时，开展氦气检漏。

（5）系统升压过程中发现任何泄漏情况，必须立即停止升压，对泄漏点进行处理。待处理完漏点后，继续升压。若系统在有压状态下不能完成漏点处理，则需通过经批准的排放口完全泄放至大气压后，再进行处理。

3.2.3 井场氦气泄漏检测

井场开工前的试压检漏作业，对井场的测试分离器按照压力等级（9.6 MPa）开展试压检漏作业；

（1）在注氦气/氮气升压口注入氮气缓慢升压，压力达到2.4 MPa 时，缓慢持续注入氦气，开展第一次气泡检漏。

（2）试压压力达到4.8 MPa 时，对系统内的氦气进行第一次取样检测，确保系统内的氦含量大于1 %，开展第二次气泡检漏。

（3）试压压力达到7.2 MPa，开展第三次气泡检漏，同时对人孔、法兰、阀门等管件缠绕薄膜。

（4）试压压力达到9.6 MPa 时，开展氦气检漏，并填写记录和标注漏点。

（5）系统升压过程中发现任何泄漏情况，必须立即停止升压，对漏点进行处理。待处理完泄漏点后，继续升压。

4 主要风险因素识别及应急措施设计

结合现场施工作业特点，确定了施工过程中存在的主要风险因素，制定了相应的应急救援措施，具体如表3 所示。

表3 主要风险因素分析及控制措施表

5 结论

确保高含硫天然气田的安全及高效开发是当前企业应重点考虑方向。作业区域一旦出现严重的硫化氢、二氧化硫、一氧化碳等气体泄漏情况，将会给油田的高效开采性及安全性产生严重的影响。为了保证高含硫天然气田设备和管道系统完整性，开展了系统性的氦氮检漏技术研究，提高了整个检漏过程的可拆卸性和可靠性，为高效开发高含硫天然气田提供了技术保障。