“火山口”上的天然氣戰役

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中石化“特大型超深高含硫氣田安全高效開發技術及工業化應用”項目背後

川氣東送工程是國家“十一五”重大工程，與三峽工程、青藏鐵路、南水北調等特大型工程具有同等重要的地位。作為川氣東送工程氣源的普光氣田，是世界第二個百億立方米級的特大型高含硫氣田，具有超深、高酸、高壓等特點，其勘探開發被稱為“世界級難題”。有人形象地比喻：“在普光氣田施工，就像天天坐在火山口上。”


位於四川宣漢縣的普光鎮，因發現中國最大海相整裝氣田而舉世聞名。

然而，經過7年的不懈攻關，中石化硬是打贏了這場“火山口”上的天然氣戰役，每年將105億立方米天然氣輸送到“川氣東送”沿線六省二市的70多個城市，為其提供了優質清潔的能源。同時，其研發的高含硫天然氣特大規模深度凈化技術，可年處理高含硫天然氣120億立方米，生產硫磺210萬噸，讓我國的硫磺生產能力翻了一番。

1月18日，國家科學技術獎勵大會在北京舉行。中石化在普光氣田項目上的努力獲得了國家的認可，其“特大型超深高含硫氣田安全高效開發技術及工業化應用”項目榮獲了2012年度國家科學技術進步獎特等獎。這是中石化迄今為止獲得的國家科技進步最高獎項。當天，該項目第一完成人，中國石化集團公司黨組成員、副總經理曹耀峰作為特等獎項目代表，接受了黨和國家領導人頒獎。

在接受《中國科學報》記者采訪時，曹耀峰等項目核心成員向記者解讀了這場驚心動魄的戰役背後的挑戰。

地下的“毒蛇猛獸”

硫化氫是普光氣田令人望而生畏的最關鍵理由。

人們常形容硫化氫是地下的“毒蛇猛獸”，一旦控制不了，就會噴出傷人。而普光氣田實現了氣井超深、山地復雜、人口密集條件下高含硫氣田的成功開發。這在全世界屬於首例。

曹耀峰告訴《中國科學報》記者，硫化氫濃度達1000ppm就會致人瞬間死亡，而普光氣田的天然氣中硫化氫濃度高達15萬ppm。如果鉆井、作業及生產過程中出現高含硫天然氣泄漏，復雜山地救援將十分困難，很容易發生人員傷亡等特大事故。

2003年12月23日22時，中石油的川東北氣礦羅家16H井發生井噴，噴出的硫化氫氣體使243人中毒身亡。有這樣的教訓在前，中石化開采普光氣田時可謂是如履薄冰。

“我們的口號是，時刻準備著漏露。”中石化中原油田分公司總經理、普光分公司經理孔凡群告訴《中國科學報》記者。

要想防範硫化氫所帶來的威脅，中石化發現，其中有幾個關鍵的環節。一是高含硫化氫天然氣腐蝕性極強，普通鋼材幾小時就會發生應力腐蝕開裂，必須攻克腐蝕防護技術難題；二是天然氣高含硫化氫和有機硫，必須攻克高含硫天然氣特大規模深度凈化和硫磺安全儲運的難題；三是必須攻克高含硫氣田安全控制難題。

為了解決上述難題，中石化經過近7年的技術攻關與工業化應用，實現了普光氣田的安全高效開發，創新形成了“特大型超深高含硫氣田安全高效開發技術及工業化應用”。

據介紹，該項目主要包括五個創新點：一是自主創新了特大型超深高含硫氣田高產高效開發技術，建成了105億方/年的普光氣田。二是自主創新了特大型高含硫氣田腐蝕防護技術，國內首次實現了年產百億方高含硫濕氣的直接輸送，節約了土地、減少了汙染源，並降低了投資20%。三是自主創新了高含硫天然氣特大規模深度凈化技術，高含硫天然氣處理能力達到120億立方米/年，生產硫磺210萬噸/年。四是自主創新了特大型高含硫氣田安全控制技術，建立了國內首座復雜山地油氣田應急救援基地，確保了生產安全。五是自主研制了三種高含硫氣田關鍵管材，打破了國外技術壟斷實現了國產化，產品性能達到了國外同類產品先進水平，價格降低了35%~50%。

中國科學院院士和中國工程院院士對普光氣田的安全高效開發給予了高度評價。戴金星、郭尚平、劉光鼎、羅平亞、李鶴林、徐承恩、範維澄等7位業內院士一致評價認為：普光高含硫氣田開發處於國際一流水平。埃克森美孚、挪威斯堪伯奧、加拿大IMV、法國國際檢驗局等4家國際知名公司對普光氣田也進行了評價，認為技術達到國際一流水平。

據悉，這一項目研究成果共獲得國家專利41項，中石化專有技術23項，登記軟件著作權2項，出版專著3部、發表論文85篇，制定了63項企業標準、3項行業標準，獲省部級科技進步獎一等獎5項。

作戰前夜的遺書

高含硫氣田的開發是世界天然氣開發行業的一大難題，目前世界上只有俄羅斯、加拿大等少數國家掌握這一技術。與同類型的法國拉克氣田、俄羅斯阿斯特拉罕氣田相比，普光氣田的特點在於不僅規模大，而且鉆井超深。

業內將鉆井深度達4500米以上的氣田定位為超深氣田，而與拉克氣田3500米、阿斯特拉罕氣田3700米的井深形成鮮明對比的是，普光氣田的井深達到了5974米。

普光氣田的氣藏中硫化氫和二氧化碳平均含量分別高達15.16%和8.64%。而井深越大，則意味著硫化氫的腐蝕性越強，開采難度更大。“正因如此，安全成了主要問題。”曹耀峰說。

此前，高含硫氣田工程建設在我國沒有先例，潛在安全風險很大。以管材標準為例，國際上並沒有如此高含硫、井深的標準可以借鑒。為了保障安全，中石化通過一次次實驗，建立了高H2S/CO2分壓的腐蝕預測模型和高含硫氣田選材標準，硫化氫分壓拓展到10兆帕。同時，根據實際情況，研發了抗硫管材焊接工藝，集輸管道一次焊接合格率達95.5%；創新了高含硫氣田濕氣輸送“四要素”綜合防腐方法，形成了特大型高含硫氣田腐蝕防護技術，腐蝕速度降低到0.059毫米/年以下。這些創新努力形成了酸氣技術設計施工技術標準和工藝規範，為同類氣田的集輸工程建設提供了借鑒。

“除了技術上的創新，管理的嚴謹與科學也非常重要。” 曹耀峰說，“在普光氣田項目中，科技和管理是相輔相成的。”

據了解，在項目進行過程中，把硫化氫控制在地下、控制在管線中，防止硫化氫泄漏，一直是貫穿該工程安全工作的主線。而這其中的關鍵環節是對天然氣開發井的管理。

2006年9月，川氣東送指揮部正式成立。曹耀峰擔任了總指揮。他回憶說，當時他們一邊制定項目的規劃、戰略，一邊請國家安監總局的專家為指揮部的十幾個核心成員作硫化氫防護等方面的培訓。“做領導的，以其昏昏使人昭昭是不行的。我們的五大核心技術創新無一不是圍繞安全問題而來的。” 曹耀峰說。

在實際工作中，中石化團隊樹立了“零缺陷、零容忍”的理念，首次開展了復雜山地氣體擴散風洞實驗，建立了氣體泄漏擴散理論和安全防範標準，研發了泄漏監測、氣田聯鎖關斷、特種救援裝備，形成了復雜山地高含硫氣田安全控制技術。

鑒於高含硫天然氣會令人“一吸斃命”的危險，全氣田共設置硫化氫檢測點1466個、可燃氣檢測點509個，實現了站場、管道、凈化廠實時泄漏監測與報警，硫化氫濃度在2ppm即發出報警信號，報警時間小於1秒鐘，泄漏監測準確率100%，成為“世界上報警儀最密集的地方”。

即便如此，當2008年7月30日普光氣田第一口井普光氣田普302-2開始試氣作業之前，現場的領導、技術和管理人員還是事先寫下了個人的遺書，作好了“壯士一去兮不復還”的準備。此情此景，當時身處現場的中石化中原油田分公司副總經理、普光分公司副經理王壽平至今想起，仍舊不免心懷激蕩。

要安全，也要效益

對於普光氣田項目來說，安全是頭等大事。然而，沒有了效益，安全開發也會成為無源之水、無本之木。

“我們鉆一口井的平均成本是2億元人民幣，如果加上地面集輸設備的成本，一共是3億元左右。如果單井產量不高，油田的效益就沒有了保障，這對氣田的精細油藏描述提出了要求。”曹耀峰說。

從原計劃的52口井優化到了最終的40口井，基礎研究的貢獻功不可沒。據介紹，在該項目中，中石化首次建立了高含硫氣田滲流理論模型，創新了超深礁灘相儲層精細描述技術，並在此基礎上研發了氣井射孔和酸壓增產技術，形成了特大型超深高含硫氣田高產高效開發技術，開發井成功率達100%，采收率由67.3%提高到70%。

此外，為了最大限度地動用氣田儲量，普光氣田開發方案還要求一次射開所有氣層。對於高含硫化氫的井來說，射孔技術難度和安全風險極大，射孔井段長，井身安全受到的威脅更大。此前，某國際知名的射孔技術服務公司在分析情況後，知難而退、無功而返。中石化川氣東送指揮部工程技術部門與內部專業技術隊伍一道，通過自主攻關，成功解決了普光地區安全射孔的技術難題，創造了射孔1215米的世界紀錄，形成了超深高酸性氣井長井段分段延時起爆射孔技術。這項技術填補了國內石油行業多項空白，形成4項專利技術，整體技術居國際領先水平。

氣田建設初期，由於國內缺乏相關的自主產品，關鍵抗硫管材和裝備主要依賴進口，不僅設備價格昂貴，供貨周期長，而且部分設備故障頻發。“當時，國外的‘雙抗’（抗硫化氫，抗二氧化碳）鎳基合金管每噸44萬~48萬元人民幣。”曹耀峰說。

為此，中石化大力實施國產化戰略，依托普光氣田這個最苛刻的“試驗場”，以“普光氣田開發技術重大專項”、“普光氣田開發示範工程”等為平臺，攜手西南石油大學、中國安全生產科學研究院、寶山鋼鐵股份有限公司、天津鋼管集團股份有限公司等全國知名科研院所和制造企業投入關鍵裝備國產化攻關中，研發了一系列具有自主知識產權的新產品和新技術，不僅使大灣區塊60%以上的關鍵裝備實現了國產化，而且在部分關鍵裝備上打破了國外壟斷，打上了“中國制造”的烙印。

立竿見影的效果是，國產化的管材生產出來後，還沒拉到現場，國外鎳基合金管每噸的價格就已從44萬~48萬元人民幣降到了24萬元人民幣。之後國內同類的氣田開發已完全可以使用國產化的管材，擺脫了受外企制約的局面。

看不見的戰爭

在普光氣田幹了五年後，負責普光天然氣凈化廠工作的中石化工程建設公司副總經理孫麗麗最感欣慰的一點是，“普光氣田的山還是那麽綠，水還是那麽清”。

川氣東送工程有三大標誌性工程，分別是普光氣田、集輸管道工程和普光天然氣凈化廠。其中，普光天然氣凈化廠被稱為整個川氣東送工程的“咽喉”。就是它，把硫化氫含量高達15萬ppm、一吸足以致命的天然氣，變成了安全、清潔、高效的綠色能源。

與普光氣田的驚心動魄不同，凈化廠每天上演的是看不見的戰爭。孫麗麗將其特點作了如此的總結：“凈化廠的特點是本質環保，本質安全。”

據介紹，為了節約土地、減少汙染源，普光氣田在國內首次實現了年產百億方高含硫濕氣的直接輸送。普光氣田產出的天然氣因為高含硫化氫，有劇毒，不經凈化處理，絕對不能進入長輸管線，普光天然氣凈化廠就承擔著凈化處理天然氣的重要使命。

普光天然氣凈化廠建成之前，國內天然氣凈化廠規模小於30億立方米/年，天然氣含硫量低於10%。而普光氣田產出的天然氣，硫化氫含量高達15.16%，二氧化碳含量高達8.64%，集劇毒與強腐蝕性於一體。這種大型系列脫硫裝置建設，在我國沒有先例。

普光天然氣凈化廠主要引進美國B＆V公司成熟可靠的工藝技術，確立合理的工藝路線，總硫回收率在99.8%以上。針對普光天然氣高含硫化氫和二氧化碳的“脾性”，中石化組織系統內的南京化學工業公司、北京化工研究院與華東理工大學合作，研究新型脫硫劑、控制二氧化碳吸收技術、新穎的脫硫技術，完成了我國第一套大型天然氣凈化裝置的工程設計，使我國大型高酸脫硫凈化工藝設計水平達到世界先進水平。

經過凈化廠的脫硫環節，天然氣中劇毒的硫化氫變害為寶。普光天然氣凈化廠年產硫磺210萬噸，占到我國硫磺產量的45%，使我國硫磺產量翻番，並由此減少了進口、降低了價格，緩解了我國化肥原料緊張局面，支持了我國的農業生產。

記者手記

輝煌背後是低調的堅持

隨著中石化“特大型超深高含硫氣田安全高效開發技術及工業化應用”項目榮獲2012年度國家科學技術進步獎特等獎的消息傳出後，這兩天項目各主要完成人都忙碌了起來，不得不面對各大媒體的“圍追堵截”。

此前，這樣一個投資規模達627億元、相當於一個千萬噸級大油田的項目為何一直默默無聞，鮮少宣傳？該項目第一完成人，中國石化集團公司黨組成員、副總經理曹耀峰的一句話可謂一語中的：“這是一個時刻處於危險之中的項目。”

實際上，即使是已經獲得了很高榮譽的現在，曹耀峰和他的團隊仍舊保持著謹慎、謹慎，再謹慎的心態。他告訴記者，對於這個項目而言，安全問題是重中之重。“之前我們是擔心大家麻木，現在我們是擔心麻痹。”

如果說技術上的創新是解決問題的鑰匙，而長久的成功則需要持之以恒的耐心。對於這樣一個“七年磨一劍”的項目，記者更加佩服與尊重的，是整個團隊低調的堅持，以及在日常工作中沒有磨滅的激情。這也將成為他們未來迎接一個又一個勝利的“秘密法寶”。

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獲獎係應該{:cool:}