酸气回注技术是一种气体处理工艺过程，将所需处理的酸性气体压缩到足够高的压力，再通过管道输送到处理井，然后通过井筒注入所预先选定的储藏地层[1]。酸气的主要成分为H2S和CO2，与上世纪70年代就开始应用的CO2回注驱油和封存技术相比，在含有HS的情况下，酸气回注的风险性和难度要远远高于CO2的回注封存。
酸气回注的应用始于北美地区，第一个项目于1989年在加拿大的Alberta省的埃德蒙顿地区(Edmonton)投入运行。酸气回注技术运用成熟后，在北美获得了较快的发展，到2002年，阿尔伯达省(Alberta)已有38套回注装置[2]，British Columbia也有6~8套[2]。截止目前，加拿大西部已有250×104 t CO2和200×104 t H2S成功回注地层[3]，仅在Alberta盆地，就有42个天然气加工厂的共计48个回注项目已得到批准，其中41个已经启用，其回注操作条件见表 1。
酸气回注的整体流程主要包括：脱水、加压、输送和注入地层。由于H2S和CO2混合气的相态变化不同于单独的H2S和CO2，造成酸气的回注工艺，特别是增压输送和回注工艺参数的选择，与CO2和天然气有很大的不同。
酸气回注涉及酸气的性质、相态、酸气回注的地层选择、工艺设备、材料的选型等。高含H2S的酸气具有毒性，在加压、管道输送、井口注入、地下封存等工艺过程中应防止酸气的泄漏，制定有效的预警预报和控制方案。
图 1是一个典型的酸气回注工艺过程图，增压设备为4级往复式压缩机。酸气压力在压缩机中逐级升高，压缩机内设有级间冷却，因此气体压力—温度曲线呈折线。酸气在管道输送过程中存在压力损失，由于井口节流，压力下降，从井口注入，经井筒进入储层中。酸气为混合气体，泡露点线为包络线。由图 1可知，在压缩机出口处进入管道时，酸气处于液相。
酸气回注流体的密度范围在500 kg/m3~900 kg/m3(主要取决于实际的酸气组分和注入条件)。
酸气回注排量较小，压力高，适宜选用往复式压缩机。压缩机选型之前，先应确定井口压力、管道压降和酸气含水情况。酸气回注的难点在于防腐，其次是防止水合物的形成导致堵塞。防腐措施主要包括脱去游离水、加缓蚀剂、采用耐蚀合金或内衬防腐材料。防止水合物形成主要是添加抑制剂和加热。
除去游离水的方法一般是压缩，有时也会设脱水单元，最终使得酸气排出时含水量低于饱和。图 2中的含水量曲线出现陡变则说明发生了相变。图中饱和含水量越低说明游离水数越多。虚线包围的部分为三相区域，三相混合物的携水能力远高于混合物完全液化之后。根据酸气的这一性质，可将酸气压缩至超过含水量最低的压力某一范围，此时饱和含水量大于实际含水量，相当于自然脱水。也可增加脱水单元：酸气进入压缩机前设置气液分离器，除去游离水；压缩机级间也可设有脱水器，将冷却产生的游离水除去。在实际操作中，是否设置脱水单元与气体的组成及压力有关。雪佛龙公司1994年11月启动的West Pembina项目中，由于实际排出压力为8 044 kPa，携水能力较大，不用脱水单元。但在1989年启动的Acheson酸气回注工程，实际排出压力不高于3 894 kPa[1]，在第三级和第四级(压缩机为四级)之间设置了TEG(三甘醇)脱水装置。
绝大多数酸气回注项目均为脱水后干气输送回注，仅有个别项目由于回注管道很短，酸气未经脱水直接回注，在采用湿气回注时，若未采用高耐蚀合金，就必需加注缓蚀剂。
压缩机的选材主要从防腐考虑。第一级吸入段和汽缸可用碳钢制造，活塞环用聚四氟乙烯，活塞杆用不锈钢(镀钨)，活塞杆密封用特氟龙。压缩机级间，由于温度压力高，酸气远未饱和，连接冷却器的管线可用碳钢。但冷却器中水易冷凝出现腐蚀，因此需用不锈钢制造。冷却器下游的单元(如分离器)最好用不锈钢，但也可用符合NACE规范的碳钢制造。阀门、仪表等用不锈钢为宜。
关于酸气水合物，其生成曲线如图 3。由图可知，H2S含量越高则生成水合物的最高温度越高，即越容易生成水合物，将度控制在35 ℃以上则可以避免其形成。另外，气体中混有一定量甲醇可以降低水合物形成温度。最后，脱水本身也能防止水合物的形成。
酸气加注压缩机出口压力多在6 MPa~9 MPa，DCP Midstream LLC公司在美国新墨西哥州阿蒂西亚(Artesia)气体处理厂的回注项目，其出口压力则达到了13 790 kPa[4]。压缩机一般选择3到6级往复式压缩机。考虑到冷凝器、管线的压力损失，压缩比还应适当提高。
实际操作中，酸气供给并不稳定，面对流速变化、级间温度变化等，压缩机应该具备一定的自我调节能力。工程案例中的酸气回注压缩机见表 2。
酸气回注的选址，应考虑地层位置、深度和注入区域的面积, 盖层的厚度和大小，注入流速及该区域的应力承受能力和地震风险[7]。地层应满足：①尽量靠近天然气处理厂以保证安全性和经济性；②不能使酸气泄漏到地表；③不能使酸气流入临近地层。酸气回注一般选择在含水层、废弃储层及开采中的储层。
含水层：含水层容易就近寻找，以降低输送管道的建设等费用。酸气一般注入较深的水层，浅水层含盐量少、工农业利用价值高，不适宜注入，但深度增加成本也较高。酸气回注至大的储水层后不能再采出，避免了酸气注入天然气储层后再随天然气的开采而再度采出的情况。West Pembina建造的酸气回注设施，由于没有废弃储层，在注水试验成功后，选择了2 800 m深处的Wabamun含水层。
废弃储层：是酸气回注较好的选择，储存能力等各项参数都已知。对于高含H2S的酸气，在Atheson回注工程中，雪佛龙选择了废弃储层，即离净化厂仅800 m的一个可用的废弃气井[5]。
生产中的储层：找不到前两种储层时，可选择天然气生产中的储层作为酸气回注储层。虽然酸气会随着天然气重新被采出，但酸气只占开采量的一小部分。对生产储层的要求是气层本身含一定酸气，开采设备应能满足较高浓度H2S和CO2的要求。
表 3为加拿大西部酸气回注用含水层和油或气层特征。
进行酸气管道输送，存在腐蚀和泄漏的风险。出于安全考虑，管道要尽量短，回注点一般在净化厂5 km以内就近寻找。如阿尔伯达省的Wayne-Rosedale回注项目管道长度仅为100 m[1]。
管道材料多选择符合NACE MR-01-75规范的碳钢或304/316L不锈钢。若酸气没有专门脱水环节和压缩机级间除水，长度较短时可用316L不锈钢[7]，如West Pembina项目。不锈钢成本高，距离较长可使用碳钢。如美国犹他州的Lisbon回注工程，管长4 025 m[1]。
对于气候寒冷地区，管道应埋入冻土层以下。可采用阴极保护和外壁加防腐涂层，防止管道腐蚀。管道起点和井口处要对压力、温度、密度等进行监控。管道的起点和终点须设置紧急截断阀。此外，井底应安装止回阀，避免酸气回流。由于管道内温度压力变化饱和含水量下降，可考虑保温。酸气若经脱水处理，则无需保温；若未脱水，压缩终了压力在携水能力最低的范围内且倒数第二级压缩后气体被冷却至稍微低于露点时，也可不用保温。
输送管道的直径取决于管中的流体状态，管径在48 mm~168 mm，壁厚在3.2 mm~11 mm[3]。
管道的压降可采用Darcy-Weisbach公式估算，利用酸气的流速、密度，估算粘度和管道尺寸。
地面安全问题主要是酸气泄漏，包括设备、管道和井口的泄漏。
压缩机区及井口周围要建立紧急计划区(Emergency Planning Zone)应对酸气泄漏。针对泄漏建立一套完备的紧急预案，该区要拥有完备的急救设施、遥控关闭设备及H2S检测报警系统。同时，作业人员要定期进行演练。
酸气输送管道应采用焊接连接，并用X射线进行无损检测。管道的内腐蚀会造成管道强度降低而引起管道爆裂，腐蚀穿孔会造成酸气泄漏。因此，对碳钢管道，应将酸气的含水量降到最低。对高含H2S的酸气输送管道，出于安全考虑，建议采用不锈钢管材。
酸气输送管道沿线应设置明显的警示标志，防止所有建设活动危及管道。
根据酸气组分，选择井口装置材料。井底安装止回阀，以防注入压力不足时，酸气回流。
酸气回注的环保问题包括地下水和其他矿藏的保护。
要对回注地点进行区域地质学和水文地质学的研究。回注点的地震几率应极小，即使有一定程度的地震也要能保证酸气不泄漏。
储层应具有良好的封闭性，以免酸气流入其他地质结构，污染地下水等。储层应与其他地质结构处于相对隔离的状态，且没有缝隙。
评估盖层的破裂压力。确定井口井底最大压力，确定日最大注入速率和体积，底部压力不高于破裂压力的90%[8]。
酸气回注应根据酸气组分，选择合适的井筒材料，以应对酸气腐蚀和出现材料硫化物应力开裂。
考虑酸气和地层、井筒固井水泥的化学反应。酸气注入地层后，因溶于地层水储层中的水而生成弱酸，与岩层和井筒固井水泥反应，引起岩石的溶解和地层的沉降，影响岩石的孔性和渗透性。酸气的溶解也会引发一系列化学反应，使得黄铁矿/磁黄铁矿沉淀[9]。此外，岩石的溶解使得短期内注入压力下降[9]。
在现有酸气回注技术的基础上，国外提出了一些最新设想，包括：将含硫天然气直接燃烧，之后把CO2及SO2的混合物(而非CO2和H2S)注入地层；燃烧硫磺，以限制或避免硫磺输出或储存，适用于已建有硫磺回收装置的净化厂[10]；类似于CO2驱油(EOR)和驱气(EGR)，利用酸气回注提高油气的采收率，目前荷兰正在进行该方案的试验[10]。
目前我国正在开发的国内外天然气气田多为酸性天然气田，而且地处偏远，如新疆塔里木和中亚等地，回收处理硫磺需外运数千公里销售，经济上亏损，排放又受限制。开发酸气回注技术已经成为当务之急。目前国内相关工程技术方面还存在较大的空白，急需进行技术开发和引进。与北美地区相比，我国地层渗透性普遍偏低，非均匀性较强，断层节理比较发育，泄露风险较大、容易发生突进现象，从许多工程的经验来看，不能完全照搬国外经验。因此，酸气回注的安全、经济实施需要科学地研究和解决技术问题，要在充分借鉴国外经验的基础上，摸索出适合我国和中亚地区特点的工程技术体系，开发出具有自主知识产权和适用的酸气回注技术。
2011, Vol. 40 Issue (6): 610-613
2011, Vol. 40 Issue (6): 610-613