姜春河 張慶生 張文昌 葉瑛 耿安然

中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院

國(guó)產(chǎn)SGI-10型高含硫天然氣焚燒爐在普光D401-1井試氣中的應(yīng)用

姜春河 張慶生 張文昌 葉瑛 耿安然

中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院

目前,國(guó)外的焚燒爐已很好地解決了高含硫氣井試氣燃燒效率低、H2S燃燒不充分、有害氣體排放超標(biāo)、試氣時(shí)間短而難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣井產(chǎn)能等問題,但設(shè)備價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、維修保養(yǎng)困難。鑒于此,介紹了國(guó)內(nèi)最新研制的SGI-10型焚燒爐的工作原理及主要技術(shù)指標(biāo),指出該焚燒爐因噴嘴的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和導(dǎo)風(fēng)器成功研制,使得高含硫天然氣與空氣產(chǎn)生正反氣旋并能充分混合,保證了高含硫天然氣的完全燃燒及SO2排放達(dá)標(biāo)。同時(shí),根據(jù)高含硫氣井的試氣要求對(duì)普光D401-1井進(jìn)行了試氣,設(shè)計(jì)處理量為10×104m3/d,累積試氣燃燒時(shí)間8 h,設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。經(jīng)環(huán)境監(jiān)測(cè),各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)達(dá)到環(huán)保要求,其中部分指標(biāo)還優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。實(shí)踐證明,該焚燒爐性能可靠,能滿足高含硫氣井長(zhǎng)時(shí)間安全環(huán)保試氣的要求。

國(guó)產(chǎn) 焚燒爐 高含硫化氫 天然氣 試氣 導(dǎo)風(fēng)器 普光氣田

目前高含硫氣井試氣主要采用放噴點(diǎn)火方式,燃燒效率低、H2S燃燒不完全、燃燒形成的SO2擴(kuò)散效果差,易造成局部地區(qū)環(huán)境污染,導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間短、探測(cè)半徑小,測(cè)取的資料只能反映井筒附近儲(chǔ)層特征,氣井產(chǎn)能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度較低。針對(duì)這一問題,普光氣田借鑒國(guó)外高含硫氣田測(cè)試經(jīng)驗(yàn),引進(jìn)國(guó)外的焚燒爐進(jìn)行試氣[1-2]。但該設(shè)備價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、維修保養(yǎng)困難,鑒于此,中原油田分公司與北京航天動(dòng)力研究所合作,研制出首臺(tái)國(guó)產(chǎn)高含硫天然氣焚燒爐,并完善了相應(yīng)的測(cè)試工藝流程,對(duì)高含H2S氣井進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,有效獲取了各項(xiàng)試氣資料。

1 SGI-10型焚燒爐工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 焚燒爐組成

SGI-10型焚燒爐主要由焚燒爐爐體和控制系統(tǒng)兩大部分組成。

1.1.1 焚燒爐爐體

該焚燒爐爐體由兩部分組成:上部是爐膛,下部是底座及進(jìn)氣部分,兩者用法蘭連接,焚燒爐外設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)框架。焚燒爐殼體整體材質(zhì)選用耐硫酸鋼,爐膛內(nèi)用耐火材料做襯里,滿足了爐膛內(nèi)壁承受高溫氣流的沖刷、酸氣腐蝕及外部高頻率運(yùn)輸?shù)跹b等惡劣工況條件。

1.1.2 焚燒爐控制系統(tǒng)

焚燒爐控制系統(tǒng)由點(diǎn)火系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、火焰監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、超量預(yù)警系統(tǒng)、超壓保護(hù)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)、H2S監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、PLC監(jiān)控系統(tǒng)組成。工作時(shí)實(shí)現(xiàn)整臺(tái)焚燒爐信號(hào)的采集、點(diǎn)火邏輯控制、安保聯(lián)鎖等功能。當(dāng)3套點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火失敗、H2S或SO2超標(biāo)、可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸極限或者超量、超壓、超溫等緊急情況發(fā)生時(shí),該系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)緊急情況的預(yù)警及聯(lián)鎖,以保證焚燒爐及其他設(shè)備運(yùn)行的安全。

1.2 工作原理

以燃料氣(LPG)為點(diǎn)火源,將原料氣引入燃燒器,利用特殊設(shè)計(jì)的噴嘴和配風(fēng)結(jié)構(gòu),使?fàn)t內(nèi)空氣和燃料氣以逆向旋流的方式充分混合,在較小空間、較高容積熱負(fù)荷的狀況下實(shí)現(xiàn)完全燃燒,使高毒性 H2S變?yōu)镾O2(見圖1);焚燒爐出來(lái)的高溫高速煙氣噴入高空,使煙氣在大氣湍流混合作用下,由旋渦不斷把煙氣推向周圍空氣中,同時(shí)又將周圍的空氣卷入煙氣,使煙氣在更廣闊的區(qū)域中擴(kuò)散、稀釋、混合,從而降低SO2在近地面空氣中的濃度,減少高含硫氣井測(cè)試過程對(duì)環(huán)境的污染和人員的危害。

圖1 焚燒爐工作示意圖

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

規(guī)格尺寸:焚燒爐制造尺寸`2.6 m×18.0 m(直徑×長(zhǎng),長(zhǎng)度為上、下爐體各9 m),底座尺寸2.8 m× 3.0 m×0.25 m(長(zhǎng)×寬×高),重量約25 t(下爐體15 t+上爐體10 t)。

性能指標(biāo):單臺(tái)焚燒爐最大處理能力為10×104m3/d,入口原料氣操作壓力為0.04～0.55 M Pa,入口管匯設(shè)計(jì)工作壓力為5 M Pa,進(jìn)爐的高含硫天然氣帶液體量不得超過5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),原料氣溫度介于-5～120℃,焚燒爐外殼溫度小于等于120℃,熱輻射強(qiáng)度在25 m直徑范圍外小于等于1.5 kW/m2,燃燒效率為99.99%。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及環(huán)境監(jiān)測(cè)

2.1 D401-1井基本情況

D401-1井位于四川省宣漢縣普光鎮(zhèn)銅坎村六組,構(gòu)造位于四川盆地川東斷褶帶大灣—雷音鋪背斜帶大灣構(gòu)造中部。目的層位:下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組三段—一段、上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組。2011年1月25日酸壓施工后取樣分析,硫化氫質(zhì)量濃度為39.243 g/m3,體積分?jǐn)?shù)為2.74%。

2.2 焚燒爐現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

SGI-10型焚燒爐于 2011年 3月 12日在普光D401-1井進(jìn)行試氣,試氣時(shí)采取4個(gè)工作制度,分別以4×104m3/d、6×104m3/d、8×104m3/d、10×104m3/d氣量試氣,每個(gè)工作制度試氣時(shí)間為1 h,穩(wěn)定試氣8 h。焚燒爐試氣地面流程見圖2。

2.3 性能監(jiān)測(cè)情況

在試驗(yàn)過程中,根據(jù)要求對(duì)反映焚燒爐性能的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果見表1。通過調(diào)節(jié)焚燒爐的進(jìn)氣量監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)的變化,對(duì)焚燒爐性能進(jìn)行全面驗(yàn)證和評(píng)估,小氣量時(shí)30 min監(jiān)測(cè)一次,大氣量時(shí)20 min監(jiān)測(cè)一次。

通過性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論:

1)焚燒爐試驗(yàn)日焚燒氣量最高達(dá)到10.5×104m3/d,超過其設(shè)計(jì)能力(10×104m3/d),并平穩(wěn)運(yùn)行30 m in。該焚燒爐在超負(fù)荷情況下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn),表明該焚燒爐性能可靠。

2)在進(jìn)氣量不同的狀況下,燃料氣工作壓力一直穩(wěn)定在0.05～0.1 M Pa范圍內(nèi),符合設(shè)計(jì)要求,表明點(diǎn)火系統(tǒng)穩(wěn)定。

3)在不同進(jìn)氣量情況下,點(diǎn)火頭周圍爐壁的溫度隨著進(jìn)氣量增加而升高,其最高溫度為46.5℃(在允許范圍內(nèi)),說(shuō)明焚燒爐內(nèi)部耐火模塊隔熱效果較好。

圖2 焚燒爐試氣地面流程圖

4)在不同進(jìn)氣量情況下,焚燒爐在25～35 m直徑范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度均小于1 kW/m2,且隨著進(jìn)氣量的增加,熱輻射強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),完全滿足設(shè)計(jì)要求,說(shuō)明熱污染小。

表1 SGI-10型焚燒爐主要性能指標(biāo)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

5)爐膛和爐頂溫度隨著燃燒時(shí)間和進(jìn)氣量的增加緩慢上升,當(dāng)氣量達(dá)到10.5×104m3/d時(shí),其溫度低于設(shè)計(jì)極限(1 300℃),說(shuō)明焚燒爐溫控設(shè)計(jì)合理,近距離散熱較快。

2.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)情況

氣象資料分析表明,本地區(qū)冬季出現(xiàn)東北風(fēng)和北風(fēng)較多。根據(jù)D401-1井平臺(tái)周邊地形特點(diǎn),西南面較為空曠,進(jìn)入平臺(tái)地面風(fēng)向有可能從北面沿河道進(jìn)入,即煙氣將被吹向井場(chǎng)南和西南面方向,因此在西南方向和南面重點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

本次監(jiān)測(cè)以D401-1井平臺(tái)周圍1.0 km范圍內(nèi)布點(diǎn)監(jiān)測(cè),其中以西南、正南方向和近距離住戶為布設(shè)重點(diǎn)。在焚燒爐下風(fēng)向100 m處加密2個(gè)點(diǎn)位,500 m處加密3個(gè)點(diǎn)位,共布設(shè)大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè),主要監(jiān)測(cè)SO2和H2S濃度,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 D401-1井焚燒爐試驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

本次試氣前6個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的SO2和 H2S背景濃度值均為0,試氣時(shí)監(jiān)測(cè)間隔20 s,監(jiān)測(cè)歷時(shí)8 h。試氣過程中6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)H2S濃度全為0 mg/m3; SO2濃度在部分點(diǎn)偶爾出現(xiàn)0.1 m g/m3,但持續(xù)時(shí)間較短,一般持續(xù)幾十秒,其主要原因?yàn)樯叫蔚孛灿绊?風(fēng)速、風(fēng)向不定導(dǎo)致SO2擴(kuò)散方向單一,擴(kuò)散較慢。

通過環(huán)境監(jiān)測(cè)分析得出以下結(jié)果:此次試氣燃燒效率高、擴(kuò)散效果好、無(wú)污染,SO2在近地面空氣中達(dá)到國(guó)家空氣質(zhì)量二類標(biāo)準(zhǔn)要求(SO2濃度小于0.5 mg/m3)。

3 結(jié)論與建議

1)本次試氣首次運(yùn)用國(guó)產(chǎn)化焚燒爐,試氣過程中,點(diǎn)火一次成功,最大燃燒量為10.5×104m3/d,焚燒爐累積燃燒時(shí)間為8 h,最高燃燒溫度為1 191℃,燃燒效率高達(dá)99.99%,SO2在近地面空氣中的濃度小于0.1 mg/m3,保證了試氣時(shí)井場(chǎng)附近的空氣質(zhì)量達(dá)到國(guó)家二類標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)從國(guó)外引進(jìn)的焚燒爐在高氣量時(shí)爐口易見明火、爐體震動(dòng)大、爐壁溫度較高,而該焚燒爐在這些方面優(yōu)于引進(jìn)的焚燒爐,且最大焚燒量、熱輻射強(qiáng)度等部分指標(biāo)也優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。

3)通過在普光D401-1井的應(yīng)用,充分說(shuō)明該焚燒爐性能可靠,完全滿足高含硫氣井長(zhǎng)時(shí)間安全環(huán)保試氣的要求,標(biāo)志著我國(guó)在高含硫氣體焚燒處理技術(shù)方面取得重大突破,為高含硫氣井長(zhǎng)時(shí)間安全環(huán)保試氣作業(yè)提供了關(guān)鍵技術(shù)裝備。

[1]聶仕榮,張文昌.焚燒爐在普光氣田高含硫氣井試氣中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2009,29(6):113-116.

[2]李明志,聶仕榮,張文昌,等.普光氣田 P302-2井焚燒爐試氣技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2010(10):61-64.

Application of the China-made SGI-10 incinerator to the gas production test of the well D401-1 in the Puguang Gas Field

Jiang Chunhe,Zhang Qingsheng,Zhang Wenchang,Ye Ying,Gen Anran
(Research Institute of Oil Production Engineering &Technologies,Sinopec Zhongyuan Oilfield Com pany, Puyang,Henan 457001,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 7,pp.87-89,7/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

The current fo reign incinerators are good enough to solve many p roblem s in high sour gas well tests such as low combustion efficiency,incomp lete combustion of H2S,emission of harmful gases beyond standards,and difficulty in the evaluation of gas well deliverability w ithin a short test time,but they are very high in p rice,need a long supply cycle,and havemuch trouble inmaintenance and repair.In view of this,this paper introduces the wo rking p rincip les and main technical parameters of the new ly developed SGI-10 incinerator made in China.With a special structural design of nozzle and w ind guide vanes(turbo)successfully developed,this type of incineratormakes the high sour gases fully mixed w ith air through cyclone and anticyclone,ensuring the complete combustion of high sour gases and reaching the standard of SO2emission.Meanw hile,this incinerato r was app lied to the Puguang D401-1 well test w ith the designed dealing capacity of 10×104m3/d and was under smooth operation for 8 hours as the total burning time of gas p roduction test.As a result,each monitoring index after detection meets the requirement of environmental p rotection, and from some indexes this domestic-made incinerato r show s better perfo rmance than the foreign one.Field p ractices demonstrate that this incinerato r is reliable in perfo rmance and can meet the HSE needsof a long-time gas p roduction test in a high sour gas well in fields.

China-made,incinerato r,high sour gas,gas test,w ind guide vane,Puguang Gas Field

姜春河等.國(guó)產(chǎn)SGI-10型高含硫天然氣焚燒爐在普光D401-1井試氣中的應(yīng)用.天然氣工業(yè),2011,31(7):87-89.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.021

國(guó)家“十一五”科技重大專項(xiàng)“高含硫氣藏安全高效開發(fā)技術(shù)”(編號(hào):2008ZX05017)。

姜春河,1955年生,高級(jí)工程師,學(xué)士;現(xiàn)任中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院正處級(jí)調(diào)研員,主要從事采油工程技術(shù)方面的研究及技術(shù)管理工作。地址:(457001)河南省濮陽(yáng)市中原路109號(hào)采油工程技術(shù)研究院。電話:(0393) 4890172。E-mail:cyyjch@163.com

2011-04-11 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.021

Jiang Chunhe,senio r engineer,bo rn in 1955,is mainly engaged in research of oil p roduction techniques and the related technical management.

Add:No.109,Zhongyuan Rd.,Puyang,Henan 457001,P.R.China

Tel:+86-393-4890 172 E-mail:cyyjch@163.com