高含硫天然气一般知识

高含硫天然气一般知识

含硫天然气对钢材的影响

在酸性环境中使用的碳钢通常碳含量低于0.25%，还含有微量的其它元素。低合金钢由铁和下面这些微量的元素组成：C、Si、Mn、P、S、Ni、Cu、Cr、Mo、V、Al、Nb、B、Sn、Sb和Co。这些元素有一些是用于使钢材具有某些性质，而其它则是杂质，在钢材的生产过程中没有完全除去。所有这些元素，除了铁以外，其总含量通常低于4%重量，然而当含硫天然气在一定压力下与钢材直接接触时，这些杂质中有些却对钢材的性质不利，尽管其含量很低。

在下面的讨论中，碳钢和低合金钢都简称钢，因为酸性环境中应用时它们的一般要求是类似的。有含硫原油或含硫天然气而无自由水的钢管或钢质容器中，H2S会和铁发生反应在钢表面生成一层硫化铁（FeS）薄膜。这层FeS薄膜会阻止铁和H2S的进一步反应，这样H2S 对金属的进一步作用几乎可以免除。然而，在有自由水存在的情况下，H2S与金属间的化学反应就会被阳极反应和阴极反应所促进，如下所示：

阳极：Fe←→Fe+++2e

H2S+H2O←→H++ HS-+H2O

HS-+H2O←→H++ S=+H2O

阴极：2e+2H++ Fe+++ S=→2H+ FeS

总反应：Fe+ H2S→H2O→FeS+2H

上述反应的产物之一是氢原子（H），它能够穿透钢，并能沿着晶界迁移。上述反应的总结果会在下面这些有害的影响时表现出来：-普遍的金属失重腐蚀

-腐蚀斑点（点蚀）

-氢致开裂（HIC）和起泡

-氢脆和硫化物应力开裂(SSC〉

普通的金属失重腐蚀

在有水存在的情况下，H2S和有限的管壁或容器壁之间的反应会导致金属失重，并能导致它们失效。水和一些处理剂的水溶液(如乙二醇、甲醇或胺)能促进前面所述的电化学反应。

所有的原生含硫天然气也含有二氧化碳(CO2)，溶于水后呈酸性,在有水的情况下会腐蚀铁。工业经验表明，含硫天然气中H2S和CO2之比低于1:1时，在潮湿环境下其腐蚀性比H2S含量大于CO2含量时要高[13]。这是由于生成的碳酸铁垢层在金属表面的吸附没有FeS膜强。故任何能干扰FeS膜形成的条件都会导致对管壁或容器壁的腐蚀。

点蚀

腐蚀只不过是由于形成了阳极电池而导致在管子或容器的局部点或区域的集中腐蚀和金属失重。通常出现在流体静止或几乎静止的环境下，最初可以是由管子的缺陷或金属表面的一小块垢或其它沉降物引起的。一旦形成后，金属失重反应就能在适当的时候导致针孔式泄漏，一般不会影响邻近的管子。

氢致开裂（HIC）和起泡

H2S和铁在水溶液中反应产生的氢原子能够扩散进金属中并能沿着晶界迁移[l4]，然后它们试图积聚在金属结构中有缺陷的地方，例如夹渣、空隙、不连续点、和分层处。在一定压力下，这些部位的氢原子结合成氢分子后占据了更大的空间，不能轻易穿过金属结构进行迁移，结果，在这些内部气压越来越高，最终导致金属开裂，或金属分离引起金属起泡。

氢脆和硫化物应力开裂

钢的氢脆是氢原子迁移进钢的晶格里后引起的[16]，这样导致的结果是降低了钢的韧性和强度，在外加应力作用下，也能在所用应力下导致钢报废，通常认为该应力大大低于钢的特定最小强度值。这种由氢诱发的，脆性延迟失效通常称为硫化物应力开裂(SSC)[17]。没有消除应力的焊接很容易引起氢脆和失效。影响SSC的因素有：-钢的硬度

-微观结构、化学成分和热处理

-H2S浓度和系统压力

-与钢和H2S接触的液体的PH值

-温度

-外加应力等级

-残余内应力

-时间

清除含硫堵塞物

一些含硫天然气中含有单质硫，与H2S结合形成多硫化物。随气流接近井口时温度和压力的降低，或含硫天然气在井口设备中冷却时，多硫化物颗粒就会沉积下来，这种现象发生时,油管中硫就会堆积导致油管堵塞，这与天然气水化物很相似。在设计油管时可以采取预防措施，如连续向井中注入一种能溶解硫的溶剂，把硫带出来，这个方法费用很高，在加拿大至今也没人使用。人们发现用硫溶剂周期分批处理油管柱可以解决这个问题。

在阿尔伯达常用的硫溶剂是二甲基二硫化物(DMDS)和二芳基二硫化物(DADS)。要除掉油管中的硫堵塞物，必须关井，然后泵入300— 400升的纯化学溶剂。关井3~5小时后，井就可以恢复生产，使气流经过分离器，回收含硫溶剂。尽管这些含硫溶剂可以再生，但在大多数情况下，只把这些溶剂同生产废水一起注入废水处理井。人们发现由硫引起油管堵塞问题是暂时的，生产几个月之后，这个问题就会消失。

含硫天然气气井的冷启动

在关闭了一段时期之后，启动一口含硫井，井口和下游管线将是冷的。无论设计和安装哪种防水化的设备，向接近井口处的管子中注入甲醇都是有必要的。这往往在带入井前要注入几分钟。除了流量调节阀外，确认到加工厂的整个流程，都是通畅的是非常重要的。当井准备好要输气时，所有人工操作阀必须打开，最后打开流量调节阀，该阀门现在已经由SCADA系统来控制。流量调节阀应该慢慢打开,但

一旦气流形成后，其速度应该增加，以便使井场的油管和输送管线尽可能快地热起来。一旦流量控制阀的上游的温度增加并高于水化温度，流体速度会减小，假如在井场中使用到管线加热器在压力减小并通过流量调节阀前加热气体。流量调节阀上游温度必须保持高于水化温度几度，否则就需要不停地注入甲醇。一旦达到所期望的温度,整个系统的温度就高于水化温度了，便可以停止注入甲醇。冷启动注入甲醇的持续时间取决于在上游流体温度的增长速度，也取决于在井场是否安装了管线加热器。

当井内流体内开始流动时，在没有热流体循环到环空之中的情况下，为了使油管热起来，流体以相当高的速度流动是有必要的，常常要花几分钟来升高温度使之在冷启动中超过水化温度。水化物可以在油管中形成，但在低于水化温度的情况下，需要花相当长时间才能在油管中形成水化物堵塞。流体一旦出了油管，就在井口附近的气流中注入甲醇，或向井中流体交汇处的一个侧面注入甲醇都可以避免形成水化物。

如果一口井短时间关闭，重新启动也可能需要注入甲醇，这取决于关闭时间持续的长短。始终要记住的一点是：水化物是在操作压力下温度低于水化温度而形成，在水化物有可能在流动过程中形成块状物导致堵塞管线前，需要短时间的流体流动。

流速考虑

从井中出来的气体最大流速取决于储层特征和地表设备的设计，如果有强的水驱，在很多情况下，限制生产压差是有必要的，因此而