CN107913648A - 一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器及其处理方法 - Google Patents

一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器及其处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于安全生产和环境保护领域，具体涉及一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器及其处理方法，所述的反应器由供气单元、溶气混合反应单元和自动控制单元组成；供气单元与溶气混合反应单元相连接，并为溶气混合反应单元提供所需的氧气，自动控制单元检测溶气混合反应单元中各节点硫化氢含量和溶解氧含量，同时控制溶气混合单元各节点的氧气的供给量。本发明采用管道式反应器，设备紧凑，占地面积小；自动化程度高，维护方便；在高压下进行处理，无硫化氢气体的减压释放和增压外输过程，能耗低；采用多级供气，气体分布均匀，溶气效率高，气体利用率高，处理效果好，硫化氢去除率达99.5％以上。因此，可广泛地应用于油井硫化氢处理工艺中。

Description

一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器及其处理 方法
技术领域
本发明涉及一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器及其处理方法，属于安全生产和环境保护领域。
背景技术
随着稠油热采的不断进行，胜利、中原、辽河等油田都出现了大量高含硫化氢油井，个别油井硫化氢含量高达2000mg/L，对油井设备和集输系统沿程人员及设备的安全存在重大威胁。目前对油井伴生硫化氢的处理主要是采用以羟基铁类为主的固体脱硫剂和以醇胺类为主的液体脱硫剂。脱硫剂用量大，制备和再生成本高。脱硫反应主要采用常压塔式脱硫装置，处理的对象为经减压后释放出的常压气体中的硫化氢，脱硫反应属于气液或气固两相反应，由于反应是在常压下进行，气体的传质是脱硫反应的控制步骤，为实现高的脱硫率，通常需要进行多级的气液或气固反应，造成设备庞大，管理维护复杂等问题。且该设备也仅能处理气相中硫化氢，无法实现液相中硫化氢的处理，另外由于脱硫设备为常压容器，若用于井口，需要进行减压释放和增压外输，能耗高，适用性差。目前，针对高压多相体系中硫化氢的处理，尚无经济有效的方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足而提出了一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器及其处理方法，该反应器是在油井产出液高压管道中安装具有溶气和混合双重作用的设备，通过多级供气，并利用管道的高压环境，使供给空气中的氧气以溶解状态进入产出液中，将气液反应转化为液液反应，大幅度提高硫化氢处理的速度，解决了现有油井硫化氢处理方法传质效率低、停留时间长、设备庞大和处理成本高的问题。
本发明公开了一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于，所述的反应器由供气单元1、溶气混合反应单元2和自动控制单元3组成；供气单元1与溶气混合反应单元2相连接，并为溶气混合反应单元2提供所需的氧气，自动控制单元3检测溶气混合反应单元2中各节点硫化氢和溶解氧的含量，同时控制溶气混合反应单元2中各节点的氧气供给量。
其中，供气单元1由高压空气源11、减压阀12、气体质量流量控制器13、单向阀14和供气管路组成。高压空气源11出口通过高压管线依次连接减压阀12、气体质量流量控制器13和单向阀14。气体质量流量控制器13由第1气体质量流量控制器131、第2气体质量流量控制器132、……、第n气体质量流量控制器13n组成；单向阀14由第1单向阀141、第2单向阀142、……、第n单向阀14n组成。
溶气混合反应单元2由高压管道21和溶气混合器22组成。溶气混合器22由第1溶气混合器221、第2溶气混合器222、……、第n溶气混合器22n组成。第1溶气混合器221、第2溶气混合器222、……、第n溶气混合器22n均匀分布于高压管道21的内部。
自动控制单元3由硫化氢检测仪31、溶解氧检测仪32、出口硫化氢检测仪33和控制器34组成。其中硫化氢检测仪31和溶解氧检测仪32均位于高压管道21内，距管道内壁的距离为高压管道21直径的1/4。硫化氢检测仪31和溶解氧检测仪32检测到的硫化氢和溶解氧的含量通过有线或无线的方式传输给控制器34，经控制器34处理后将处理后的信号传输给气体质量流量控制器13，由其控制溶气混合器22的氧气供给量。出口硫化氢检测仪33位于高压管道反应器出口处，距管道内壁的距离为高压管道21直径的1/4。
所述的硫化氢检测仪31由第1硫化氢检测仪311、第2硫化氢检测仪312、……、第n硫化氢检测仪31n组成。溶解氧检测仪32由第1溶解氧检测仪321、第2溶解氧检测仪322、……、第n溶解氧检测仪32n组成。第1硫化氢检测仪311和溶解氧检测仪321位于第1溶气混合器221前端的距离为200-300mm，以此类推，第n硫化氢检测仪31n和溶解氧检测仪32n位于第n溶气混合器221前端的距离为200-300mm。
所述的出口硫化氢检测仪33位于高压管道21内部的出口端，且与第n溶气混合器22n的距离为0.5-1.0m。
所述的n取值与油井产出液中硫化氢的含量有关，当硫化氢含量大于1000mg/L时，n＝8-12；当硫化氢含量大于500mg/L且小于1000mg/L时，n＝6-8；当硫化氢含量小于500mg/L时，n＝3-6。
所述的第1、2、……、第n溶气混合器中相邻混合器的间距为1-2m；所述的第1、2、……、第n溶气混合器的形状均为轴对称的纺锤体、中空圆柱体和圆锥体中的一种，长度均为100～150mm，高度均为40～70mm；所述的第1、2、……、第n溶气混合器的下游表面上均匀分布着间距为1-2mm、直径为3～5μm的气体释放孔。
所述的溶气混合反应单元2中的高压管道21的内径65～103mm。
另外，本发明公开了一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器的处理方法，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：
(1)打开自动控制单元3，由第一硫化氢检测仪311和第一溶解氧检测仪321分别检测油井产出液中的硫化氢含量和溶解氧含量，并将检测的数据传输给控制器34，由控制器34计算出所需供给第1溶气混合器221的空气量Q1，并将该信号传输给第1气体质量流量控制器131。
(2)打开供气单元1中的高压空气源11，由高压空气源11产生的高压压缩空气经减压阀12减压后输送至第1气体质量流量控制器131，然后经过第1单向阀141进入第1溶气混合器221，第1气体质量流量控制器131控制第1溶气混合器221的空气供给量，供给量为Q1。
(3)压缩空气经过第1溶气混合器221的释放孔释放并溶解于流经第1溶气混合器1表面的含硫化氢油井产出液，并与之发生强烈的混合反应，将其中的硫化氢转化为硫磺。
(4)油井产出液经过第1溶气混合器221处理后，再进入第2溶气混合器222，由第2硫化氢检测仪312和第2溶解氧检测仪322分别检测经第1溶气混合器221处理后的油井产出液中剩余的硫化氢和溶解氧的含量，并将检测的数据传输给控制器34，由控制器34计算出第2溶气混合器222所需的空气量Q2，并将该信号传输给第2气体质量流量控制器132，由其控制第2溶气混合器222的空气供给量Q2，经过第2溶气混合器222处理后将产出液中的硫化氢转化为硫磺。
(5)经过第2溶气混合器222处理后的油井产出液然后再经过第3、……、第n溶气混合器处理，经过n个溶气混合器处理后，油井产出液中硫化氢的去除率达到99.5％以上。
本发明在高压环境下(0.5～2MPa)进行反应，使氧气的溶解度提高至常压环境的5～20倍，将气液反应转为液液反应，反应速度提高10倍以上，大大缩短了停留时间。此外，设计成纺锤形、中空圆柱体、圆锥体等特殊结构的溶气混合器具有流动阻力小、溶气和混合效果好的特点。同时设置多级反应单元具有气体分布均匀、溶气效率高、气体利用率高和脱硫效果彻底的特点。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
(1)采用廉价的空气作为脱硫介质，不使用化学脱硫剂，安全环保，成本低；
(2)采用管道式反应器，设备紧凑，占地面积小；自动化程度高，管理维护方便；
(3)在高压下进行处理，无硫化氢气体的减压释放和增压外输过程，能耗低；
(4)采用多级供气，气体分布均匀，溶气效率高，气体利用率高，处理效果好，硫化氢的去除率达99.5％以上。
附图说明
附图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
如附图1所示，一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，该反应器由供气单元1、溶气混合反应单元2和自动控制单元3组成；供气单元1与溶气混合反应单元2相连接，并为溶气混合反应单元2提供所需的氧气，自动控制单元3检测溶气混合反应单元2中各节点硫化氢和溶解氧的含量，同时控制溶气混合反应单元2中各节点的氧气供给量。
其中，供气单元1由高压空气源11、减压阀12、气体质量流量控制器13、单向阀14和供气管路组成。高压空气源11出口通过高压管线依次连接减压阀12、气体质量流量控制器13和单向阀14。气体质量流量控制器13由第1气体质量流量控制器131、第2气体质量流量控制器132、……、第n气体质量流量控制器13n组成；单向阀14由第1单向阀141、第2单向阀142、……、第n单向阀14n组成。
溶气混合反应单元2由高压管道21和溶气混合器22组成。溶气混合器22由第1溶气混合器221、第2溶气混合器222、……、第n溶气混合器22n组成。第1溶气混合器221、第2溶气混合器222、……、第n溶气混合器22n均匀分布于高压管道21内。
自动控制单元3由硫化氢检测仪31、溶解氧检测仪32、出口硫化氢检测仪33和控制器34组成。其中硫化氢检测仪31和溶解氧检测仪32均位于高压管道21内，距管道内壁的距离为高压管道21直径的1/4。硫化氢检测仪31和溶解氧检测仪32检测到的硫化氢和溶解氧的含量通过有线或无线的方式传输给控制器34，经控制器34处理后将处理后的信号传输给气体质量流量控制器13，由其控制溶气混合器22的氧气供给量。出口硫化氢检测仪33位于高压管道反应器出口处，距管道内壁的距离为高压管道21直径的1/4。
所述的硫化氢检测仪31由第1硫化氢检测仪311、第2硫化氢检测仪312、……、第n硫化氢检测仪31n组成。溶解氧检测仪32由第1溶解氧检测仪321、第2溶解氧检测仪322、……、第n溶解氧检测仪32n组成。第1硫化氢检测仪311和溶解氧检测仪321位于第1溶气混合器221前端的距离为200-300mm，以此类推，第n硫化氢检测仪31n和溶解氧检测仪32n位于第n溶气混合器221前端的距离为200-300mm。
所述的出口硫化氢检测仪33位于高压管道21内部的出口端，且与第n溶气混合器22n的距离为0.5-1.0m。
所述的n取值与油井产出液中硫化氢的含量有关，当硫化氢含量大于1000mg/L时，n＝8-12；当硫化氢含量大于500mg/L且小于1000mg/L时，n＝6-8；当硫化氢含量小于500mg/L时，n＝3-6。
所述的第1、2、……、第n溶气混合器中相邻混合器的间距为1-2m；所述的第1、2、……、第n溶气混合器的形状均为轴对称的纺锤体、中空圆柱体和圆锥体中的一种，长度均为100～150mm，高度均为40～70mm；所述的第1、2、……、第n溶气混合器的下游表面上均匀分布着间距为1-2mm、直径为3～5μm的气体释放孔。
所述的溶气混合反应单元2中的高压管道21的内径65～103mm。
另外，一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器的处理方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)打开自动控制单元3，由第一硫化氢检测仪311和第一溶解氧检测仪321分别检测油井产出液中的硫化氢含量和溶解氧含量，并将检测的数据传输给控制器34，由控制器34计算出所需供给第1溶气混合器221的空气量Q1，并将该信号传输给第1气体质量流量控制器131。
(2)打开供气单元1中的高压空气源11，由高压空气源11产生的高压压缩空气经减压阀12减压后输送至第1气体质量流量控制器131，然后经过第1单向阀141进入第1溶气混合器221，第1气体质量流量控制器131控制第1溶气混合器221的空气供给量，供给量为Q1。
(3)压缩空气经过第1溶气混合器221的释放孔释放并溶解于流经第1溶气混合器1表面的含硫化氢油井产出液，并与之发生强烈的混合反应，将其中的硫化氢转化为硫磺。
(4)油井产出液经过第1溶气混合器221处理后，再进入第2溶气混合器222，由第2硫化氢检测仪312和第2溶解氧检测仪322分别检测经第1溶气混合器221处理后的油井产出液中剩余的硫化氢和溶解氧的含量，并将检测的数据传输给控制器34，由控制器34计算出第2溶气混合器222所需的空气量Q2，并将该信号传输给第2气体质量流量控制器132，由其控制第2溶气混合器222的空气供给量Q2，经过第2溶气混合器222处理后将产出液中的硫化氢转化为硫磺。
(5)经过第2溶气混合器222处理后的油井产出液然后再经过第3、……、第n溶气混合器处理，经过n个溶气混合器处理后，油井产出液中硫化氢的去除率达到99.5％以上。
本发明在高压环境下(0.5～2MPa)进行反应，使氧气的溶解度提高至常压环境的5～20倍，将气液反应转为液液反应，反应速度提高10倍以上，大大缩短了停留时间。此外，设计成纺锤形、中空圆柱体、圆锥体等特殊结构的溶气混合器具有流动阻力小、溶气和混合效果好的特点。同时设置多级反应单元具有气体分布均匀、溶气效率高、气体利用率高和脱硫效果彻底的特点。
因此本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：采用廉价的空气作为脱硫介质，不使用化学脱硫剂，安全环保，成本低；采用管道式反应器，设备紧凑，占地面积小；自动化程度高，管理维护方便；在高压下进行处理，无硫化氢气体的减压释放和增压外输过程，能耗低；采用多级供气，气体分布均匀，溶气效率高，气体利用率高，处理效果好，硫化氢去除率达99.5％以上。
实施例1
胜利油田某区块油井A12，油井产液量为16m3/d，产出液中硫化氢含量为200mg/L，该井为高含硫化氢的油井。利用本发明对该井产出液中的硫化氢进行在线处理。
高压管道气液反应器的管道内径为65mm；溶气混合器形状为纺锤体、长度为100mm、高度为40mm，纺锤体上气体释放孔直径为3μm、孔间距为2mm；溶气混合器的间距为1m，n的取值为4，产出液中各节点硫化氢和溶解氧的量以及空气供给量结果见表1。
表1油井A12产出液各节点硫化氢和溶解氧的量以及空气供给量
混合器 硫化氢，mg/L 溶解氧，mg/L 空气量，L/min
第1溶气混合器 200 0 6.97
第2溶气混合器 60 0.5 2.05
第3溶气混合器 20 0.6 0.65
第4溶气混合器 5 0.5 0.14
出口 0 / /
由表1可以看出：第1硫化氢检测仪检测到的硫化氢含量为200mg/L，第1溶解氧检测仪检测到溶解氧的含量为0mg/L，计算出第1溶气混合器空气供给量为6.97L/min；经过第1溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至60mg/L，溶解氧含量为0.5mg/L，从而计算出第2溶气混合器空气供给量为2.05L/min；经过第2溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至20mg/L，溶解氧含量为0.6mg/L，从而计算出第3溶气混合器空气供给量为0.65L/min；经过第3溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至5mg/L，溶解氧含量为0.5mg/L，从而计算出第4溶气混合器空气供给量为0.14L/min；经过第4溶气混合器处理后，在出口检测到油井产出液中硫化氢含量为0mg/L。本发明的现场试验效果良好。
实施例2
胜利油田某区块油井A15，油井产液量为30m3/d，产出液中硫化氢含量为750mg/L，该井为高含硫化氢的油井。利用本发明对该井产出液中的硫化氢进行在线处理。
高压管道气液反应器的管道内径为80mm；溶气混合器形状为中空圆柱体、长度为120mm、高度为60mm，中空圆柱体上气体释放孔直径为4μm、孔间距为1mm；溶气混合器的间距为1.5m，n的取值为7，产出液中各节点硫化氢和溶解氧的量以及空气供给量结果见表2。
表2油井A15产出液各节点硫化氢和溶解氧的量以及空气供给量
混合器 硫化氢，mg/L 溶解氧，mg/L 空气量，L/min
第1溶气混合器 750 0 49
第2溶气混合器 420 0.5 23.37
第3溶气混合器 210 0.5 13.65
第4溶气混合器 100 0.6 6.45
第5溶气混合器 40 0.5 2.55
第6溶气混合器 22 0.5 1.37
第7溶气混合器 8 0.5 0.46
出口 0 - -
由表2可以看出：第1硫化氢检测仪检测到的硫化氢含量为750mg/L，第1溶解氧检测仪检测到溶解氧的含量为0mg/L，计算出第1溶气混合器空气供给量为49.0L/min；经过第1溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至420mg/L，溶解氧含量为0.5mg/L，从而计算出第2溶气混合器空气供给量为23.37L/min；经过第2溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至210mg/L，溶解氧含量为0.5mg/L，从而计算出第3溶气混合器空气供给量为13.65L/min；经过第3溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至100mg/L，溶解氧含量为0.6mg/L，从而计算出第4溶气混合器空气供给量为6.45L/min；经过第4溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至40mg/L，溶解氧含量为0.5mg/L，从而计算出第5溶气混合器空气供给量为2.55L/min；经过第5溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至22mg/L，溶解氧含量为0.5mg/L，从而计算出第6溶气混合器空气供给量为1.37L/min；经过第6溶气混合器处理后油井产出液中硫化氢含量下降至8mg/L，溶解氧含量为0.5mg/L，从而计算出第7溶气混合器空气供给量为0.46L/min；经过第7溶气混合器处理后，在出口检测到油井产出液中硫化氢含量为0mg/L。本发明的现场试验效果良好。

Claims (9)

1.一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于，所述的反应器由供气单元、溶气混合反应单元和自动控制单元组成；供气单元与溶气混合反应单元相连接，并为溶气混合反应单元提供所需的氧气，自动控制单元检测溶气混合反应单元中各节点硫化氢和溶解氧的含量，同时控制溶气混合反应单元中各节点的氧气供给量。
2.根据权利要求1所述的用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于所述的供气单元由高压空气源、减压阀、气体质量流量控制器、单向阀和供气管路组成；高压空气源出口通过高压管线依次连接减压阀、气体质量流量控制器和单向阀；气体质量流量控制器由第1气体质量流量控制器、第2气体质量流量控制器、……、第n气体质量流量控制器组成；单向阀由第1单向阀、第2单向阀、……、第n单向阀组成。
3.根据权利要求2所述的用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于所述的溶气混合反应单元由高压管道和溶气混合器组成；溶气混合器由第1溶气混合器、第2溶气混合器、……、第n溶气混合器组成，其中，第1溶气混合器、第2溶气混合器、……、第n溶气混合器均匀分布于高压管道的内部。
4.根据权利要求3所述的用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于所述的自动控制单元由硫化氢检测仪、溶解氧检测仪、出口硫化氢检测仪和控制器组成；其中，硫化氢检测仪和溶解氧检测仪均位于高压管道内，距管道内壁的距离为高压管道直径的1/4；硫化氢检测仪和溶解氧检测仪检测到的硫化氢和溶解氧的含量通过有线或无线的方式传输给控制器，经控制器处理后将处理后的信号传输给气体质量流量控制器，由其控制溶气混合器的氧气供给量；出口硫化氢检测仪位于高压管道反应器出口处，距管道内壁的距离为高压管道直径的1/4。
5.根据权利要求4所述的用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于所述的硫化氢检测仪由第1硫化氢检测仪、第2硫化氢检测仪、……、第n硫化氢检测仪组成，溶解氧检测仪由第1溶解氧检测仪、第2溶解氧检测仪、……、第n溶解氧检测仪组成；第1硫化氢检测仪和溶解氧检测仪位于第1溶气混合器前端的距离为200-300mm，以此类推，第n硫化氢检测仪和溶解氧检测仪位于第n溶气混合器前端的距离为200-300mm。
6.根据权利要求2、3、4或5中任一项权利要求所述的用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于所述的n取值与油井产出液中硫化氢的含量有关，当硫化氢含量大于1000mg/L时，n＝8-12；当硫化氢含量大于500mg/L且小于1000mg/L时，n＝6-8；当硫化氢含量小于500mg/L时，n＝3-6。
7.根据权利要求3所述的用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于所述的第1、2、……、第n溶气混合器的形状均为轴对称的纺锤体、中空圆柱体和圆锥体中的一种，长度均为100～150mm，高度均为40～70mm。
8.根据权利要求7所述的用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器，其特征在于所述的第1、2、……、第n溶气混合器的下游表面上均匀分布着间距为1-2mm、直径为3～5μm的气体释放孔。
9.一种用于油井硫化氢处理的高压管道气液反应器的处理方法，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：
(1)打开自动控制单元，由第一硫化氢检测仪和第一溶解氧检测仪分别检测油井产出液中的硫化氢含量和溶解氧含量，并将检测的数据传输给控制器，由控制器计算出所需供给第1溶气混合器的空气量Q1，并将该信号传输给第1气体质量流量控制器；
(2)打开供气单元中的高压空气源，由高压空气源产生的高压压缩空气经减压阀减压后输送至第1气体质量流量控制器，然后经过第1单向阀进入第1溶气混合器，第1气体质量流量控制器控制第1溶气混合器的空气供给量，供给量为Q1；
(3)压缩空气经过第1溶气混合器的释放孔释放并溶解于流经第1溶气混合器1表面的含硫化氢油井产出液，并与之发生强烈的混合反应，将其中的硫化氢转化为硫磺；
(4)油井产出液经过第1溶气混合器处理后，再进入第2溶气混合器，由第2硫化氢检测仪和第2溶解氧检测仪分别检测经第1溶气混合器处理后的油井产出液中剩余的硫化氢和溶解氧的含量，并将检测的数据传输给控制器，由控制器计算出第2溶气混合器所需的空气量Q2，并将该信号传输给第2气体质量流量控制器，由其控制第2溶气混合器的空气供给量Q2，经过第2溶气混合器处理后将产出液中的硫化氢转化为硫磺；
(5)经过第2溶气混合器处理后的油井产出液然后再经过第3、……、第n溶气混合器处理，经过n个溶气混合器处理后，油井产出液中硫化氢的去除率达到99.5％以上。
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