ISO 248332026 天然气 上游地区 饱和溶解法测定元素硫溶解度标准立项发展报告

天然气上游地区饱和溶解法测定元素硫溶解度标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Naturalgas—Upstreamarea—Determinationofelementalsulfursolubilitybysaturateddissolutionmethod摘要随着高含硫天然气田的大规模开发，元素硫在天然气中的溶解与沉积问题已成为制约上游生产安全与效率的关键技术瓶颈。元素硫在高压、高温条件下溶解于天然气中，在输运过程中因温度、压力降低而析出沉积，导致管道堵塞、设备腐蚀和产量衰减，严重威胁气田的安全生产和长期稳产。然而，长期以来国内外缺乏统一的元素硫溶解度测定方法标准，不同研究机构采用各异实验装置与操作流程，所得数据可比性差，难以支撑工程设计与工艺优化的实际需求。为填补这一国际标准空白，国际标准化组织（ISO）制定并发布了ISO24833:2026《天然气上游地区饱和溶解法测定元素硫溶解度》。本报告系统阐述了该标准的立项背景、编制原则、核心技术内容及其预期应用价值。标准确立了基于饱和溶解法的统一实验测定流程，涵盖实验装置设计、平衡判定、取样分析、数据处理及不确定度评定等关键技术环节，为高含硫天然气的元素硫溶解度测定提供了规范性技术依据。该标准的发布实施，将显著提升全球范围内元素硫溶解度数据的可比性与可靠性，对高含硫气田开发方案设计、硫沉积预测与防治、集输工艺优化及安全生产管理具有重要的指导意义和推动作用。关键词：天然气；上游地区；元素硫；溶解度；饱和溶解法；标准；ISO24833AbstractWiththelarge-scaledevelopmentofhigh-sulfurnaturalgasfields,thedissolutionanddepositionofelementalsulfurinnaturalgashasbecomeacriticaltechnicalbottleneckconstrainingthesafetyandefficiencyofupstreamproduction.Elementalsulfurdissolvesinnaturalgasunderhighpressureandhightemperatureconditions,andprecipitatesduringtransportationduetodecreasesintemperatureandpressure,leadingtopipelineblockage,equipmentcorrosion,andproductiondecline.However,foralongtime,therehasbeenalackofunifiedinternationalstandardsfordeterminingelementalsulfursolubility,resultinginpoorcomparabilityofdataobtainedbydifferentresearchinstitutionsusingvariousexperimentalapparatusesandprocedures.Tofillthisgap,theInternationalOrganizationforStandardization(ISO)developedandpublishedISO24833:2026,"Naturalgas—Upstreamarea—Determinationofelementalsulfursolubilitybysaturateddissolutionmethod."Thisreportsystematicallyelaboratestheprojectbackground,compilationprinciples,coretechnicalcontents,andanticipatedapplicationvalueofthestandard.Thestandardestablishesaunifiedexperimentaldeterminationprocedurebasedonthesaturateddissolutionmethod,coveringkeytechnicalaspectssuchasexperimentalapparatusdesign,equilibriumdetermination,samplingandanalysis,dataprocessing,anduncertaintyevaluation,providinganormativetechnicalbasisfordeterminingelementalsulfursolubilityinhigh-sulfurnaturalgas.Thepublicationandimplementationofthisstandardwillsignificantlyenhancethecomparabilityandreliabilityofelementalsulfursolubilitydataworldwide,andwillplayanimportantguidingroleindevelopmentschemedesign,sulfurdepositionpredictionandprevention,gatheringandtransportationprocessoptimization,andsafetyproductionmanagementofhigh-sulfurgasfields.Keywords:Naturalgas;Upstreamarea;Elementalsulfur;Solubility;Saturateddissolutionmethod;Standard;ISO24833一、引言1.1研究背景近年来，随着全球能源需求持续增长和常规天然气资源逐渐枯竭，高含硫天然气藏的开发日益受到重视。据统计，全球已探明的天然气储量中约40%含有不同浓度的硫化氢和元素硫，其中我国四川盆地、加拿大阿尔伯塔省、美国墨西哥湾沿岸以及中东地区均分布有大量高含硫气田。以我国为例，普光气田、元坝气田、高含硫龙王庙组气藏等的相继投产，标志着高含硫天然气开发已进入规模化阶段。在高含硫气田开发过程中，元素硫的溶解与沉积是一个贯穿勘探、钻井、完井、采气、集输全流程的关键技术难题。在储层高温高压条件下，元素硫以气态或溶解态存在于天然气中；当气体沿井筒上升或流经地面集输管线时，随着温度和压力的逐渐降低，元素硫在天然气中的溶解度随之减小，过饱和析出的硫单质便会在管壁和设备表面沉积。硫沉积一旦发生，轻则减小管道有效流通面积、降低输气效率，重则完全堵塞管线和井筒，引发设备腐蚀和重大安全事故。国内外多个高含硫气田均曾因硫沉积问题被迫关井或减产，造成了巨大的经济损失。准确测定元素硫在天然气中的溶解度，是开展硫沉积机理研究、建立沉积预测模型、制定防治措施的基础和前提。然而，元素硫溶解度的实验测定涉及高压、有毒（含H₂S）气体环境、微量硫的准确分析、相平衡状态的判定等一系列复杂技术问题，实验难度大、测试周期长、数据分散性大。更为突出的是，由于缺乏统一的国际标准，国内外各研究机构在实验装置设计、操作条件、分析方法等方面各行其是，所得实验结果差异明显，可对比性和可重复性难以保证。因此，制定一项统一的、可操作性强、适用性广的国际标准，已成为高含硫天然气领域亟待解决的基础性任务。1.2标准制定背景与工作历程针对上述行业迫切需求，国际标准化组织天然气技术委员会（ISO/TC193）于2019年正式提出制定天然气上游领域元素硫溶解度测定标准的提案。该提案由中国、加拿大、美国、法国等国家的专家联合推动，历经充分讨论与论证，于2021年通过立项投票正式成立工作组。工作组由来自中国石油西南油气田公司天然气研究院、加拿大C-FERTechnologies、美国西南研究院（SwRI）、法国石油研究院（IFPEN）等多家国际知名科研机构的专家组成。工作组在系统梳理国内外现有研究成果和实验方法的基础上，广泛征集各成员国意见和建议，经过多轮草案讨论、实验室间比对试验验证和严格的技术审查，最终于2026年1月由国际标准化组织正式发布ISO24833:2026。该标准自提案至发布历经近七年，充分反映了国际社会对该标准的高度重视以及对技术内容的严谨审慎态度。二、标准的编制原则与技术路线2.1编制原则ISO24833:2026的编制遵循了以下基本原则：（1）科学性。标准所确立的饱和溶解法基于扎实的相平衡热力学理论基础，实验方案经过严格的科学论证和实验室间比对验证，确保方法本身的合理性、可靠性和准确性。（2）可操作性。在保证方法科学性的前提下，充分考虑各实验室的实际装备条件和技术能力差异，在装置设计要求、操作步骤细化、分析手段选择等方面留有必要弹性，确保标准具有广泛的适用性和可操作性。（3）统一性。对实验条件、操作步骤、数据处理等关键环节做出明确规定，最大限度地减少人为因素和实验条件差异带来的系统误差，保证不同实验室测定结果的可比性。（4）安全性。充分考虑高含硫天然气实验的危险性，对实验装置的气密性要求、尾气处理、安全防护、应急处置等方面提出了明确要求，确保实验操作人员安全和环境友好。2.2技术路线标准的编制遵循“理论分析—方法比选—实验验证—文本编制”的技术路线。工作组首先系统总结了国内外关于元素硫在高压天然气中溶解度的研究成果，对比分析了静态法、动态法、饱和溶解法等不同实验方法的技术特点和适用范围。在此基础上，综合权衡各方法的优缺点，确定以饱和溶解法作为标准方法。随后，组织多个参与实验室开展了比对试验，对实验装置设计、平衡时间确定、取样方式、硫含量分析等关键技术参数进行了系统优化。最后，根据验证实验结果和各方意见，完成了标准文本的编制和修改完善。三、标准主要内容3.1范围与适用领域ISO24833:2026适用于天然气上游地区（包括气井井筒、采气管线、集输管网及处理厂入口等环节）含硫天然气中元素硫溶解度的测定。标准规定了采用饱和溶解法测定元素硫在天然气中溶解度的原理、装置、试剂与材料、试验步骤、结果计算与数据处理方法以及试验报告要求。该标准适用于温度范围为20℃～180℃、压力范围为0.1MPa～70MPa条件下的元素硫溶解度测定，涵盖了绝大多数高含硫气田的实际工况范围。对于超出上述范围的特殊条件，标准建议参照其基本原则进行适当拓展并开展方法验证。3.2规范性引用文件标准规范性引用了多项ISO和ASTM标准，包括气体分析、天然气组分测定、微量硫化物分析及压力测量等方面的标准文件，保证了标准的配套性和协调性。3.3术语与定义标准对以下关键术语进行了明确定义：-元素硫溶解度：在指定温度和压力条件下，元素硫在天然气中达到溶解平衡时的最大浓度，以单位体积天然气中所含硫的质量表示（mg/m³），或以硫在气相中的摩尔分数表示。-饱和溶解法：使天然气在恒定温度和压力条件下与过量固体元素硫充分接触，直至达到溶解平衡，通过测定气相中硫含量的方法。-平衡时间：从实验开始至体系中硫浓度不再随时间发生可检测变化所需的时间。-硫沉积：因温度、压力变化导致元素硫溶解度下降而发生的硫从气相中析出的现象。3.4方法原理饱和溶解法的基本原理为：在恒定温度和压力条件下，将含硫天然气或模拟天然气持续通过装有过量高纯元素硫的饱和器，使气流与固体硫充分接触并达到溶解平衡。天然气中元素硫的溶解为物理溶解过程，遵循亨利定律和相平衡规律。当气-固两相达到热力学平衡时，出口气流中的元素硫浓度即代表该温度压力条件下元素硫在该气体中的溶解度。通过捕集装置定量捕集气流中的元素硫，采用适当分析方法测定其含量，即可计算获得溶解度数据。3.5实验装置标准对实验装置的设计和组成做出了系统性规定。核心装置包括：-供气系统：由高压气源、减压阀、质量流量控制器和压力稳定装置组成，确保实验过程中气体的流量和压力稳定可控。供气系统应具备多通道切换功能，可适应不同组成气体的实验需要。-饱和系统：饱和器是核心部件，采用耐高温高压的哈氏合金或不锈钢材质制成，内部装填高纯元素硫颗粒（纯度≥99.9%）。饱和器设计需保证气体与固体硫有足够的接触面积和接触时间，可采用多层筛板结构或填充柱结构以增强气-固传质效率。饱和器置于恒温浴中，温度控制精度应达到±0.5℃。-恒温系统：根据实验温度要求，采用油浴、盐浴或空气浴等方式，保证饱和器和管路系统温度恒定均匀。-取样与分析系统：包括捕集管、冷阱、吸收瓶等取样装置，以及气相色谱仪、分光光度计等分析仪器。捕集系统应保证定量回收气流中的痕量元素硫。3.6实验程序标准对实验程序进行了详细规定，包括以下主要步骤：（1）实验准备。检查装置气密性，采用高纯氮气进行系统试压和检漏。将高纯元素硫颗粒填充至饱和器中，填充量应保证在整个实验期间有充足的固体硫供应。设定实验温度和压力至目标值。（2）饱和平衡。将实验气体以一定流量通入饱和系统，维持恒温恒压条件。定期在出口处取样分析硫含量，当连续多次（不少于3次）取样测定结果的相对偏差不超过规定限值时，判定体系达到溶解平衡。标准同时建议了初始估算平衡时间的参考范围，并鼓励操作者根据实际情况通过试验确定。（3）取样分析。在确认达到平衡后，将出口气流切换至取样系统，通过捕集管中的有机溶剂（如二硫化碳、甲苯等）吸收或冷阱冷冻方式捕集气流中的元素硫。记录取样气体体积、温度、压力等参数。取样完成后，对捕集液进行适当稀释定容，采用气相色谱法（GC-FPD或GC-SCD）或分光光度法测定硫含量。标准就不同浓度范围的样品推荐了相应的分析方法和检测条件。（4）空白试验。在不装填元素硫的条件下，按照相同实验程序进行空白试验，以扣除系统残留硫和溶剂本底的影响。3.7数据处理与结果表示元素硫溶解度按下式计算：$$S=\frac{m-m_0}{V_0}\times\frac{p_0\cdotT}{p\cdotT_0}\times10^3$$式中：S——元素硫溶解度，mg/m³；m——捕集到的硫质量，mg；m₀——空白试验硫质量，mg；V₀——取样体积（标准状态），m³；p₀、T₀——标准状态压力和温度（101.325kPa，273.15K）；p、T——实验压力和温度。标准规定，每个实验条件下应至少进行3次平行测定，以算术平均值作为最终测定结果，并计算相对标准偏差。标准要求实验结果应同时报告实验温度、压力、气体组成、硫磺纯度等必要信息，以保证数据的完整性和可追溯性。3.8不确定度评定标准引入了测量不确定度评定要求，采用GUM法（《测量不确定度表示指南》）对测定结果的各不确定度分量进行系统分析和合成。主要不确定度来源包括：温度测量的不确定度、压力测量的不确定度、气体体积计量的不确定度、硫含量分析的不确定度、平衡判定引入的不确定度以及样品处理过程中的损失等。标准建议给出了各分量的典型数值范围，为使用者提供了参考。3.9安全要求与质量保证鉴于含硫天然气具有剧毒、易燃易爆等危险性，标准设专章对实验安全提出了明确要求。主要包括：实验装置必须设置在通风良好的场所，配备H₂S和可燃气体检测报警仪；系统尾气必须经碱液吸收处理后方可排放；操作人员应配备防毒面具等个人防护装备；仪器设备的安装、使用和维护应符合相关规定。标准同时规定了质量保证与质量控制措施，要求定期使用标准物质进行校准，定期参加能力验证活动，以确保测定结果的持续可靠。四、标准制定的技术难点与创新点4.1技术难点（1）平衡判定的客观化。气-固两相达到溶解平衡的判定直接影响测定结果的准确性。不同体系达到平衡所需的时间差异较大。标准通过规定连续多次取样结果的一致性判据，使平衡判定从经验判断走向客观量化。（2）微量硫的定量分析。在较低温度和压力条件下，元素硫溶解度可能低至mg/m³甚至更低水平，对分析方法的灵敏度、精密度和抗干扰能力提出了很高要求。此外，气流中可能共存的其他含硫化合物（如H₂S、硫醇、硫醚等）会对元素硫的测定产生干扰，需通过色谱分离等手段加以消除。（3）高温高压条件下的实验操作。在70MPa、180℃的极端条件下，实验装置对材质强度、密封性能、耐腐蚀性能都有很高要求。硫在高温下化学活性增强，可能与装置材料发生反应，影响测定结果的准确性和装置的使用寿命。4.2标准的主要创新点（1）首次建立了天然气上游领域元素硫溶解度测定的国际统一方法。ISO24833:2026填补了该领域的国际标准空白，为全球范围内相关研究和技术应用提供了统一的规范性依据。（2）采用饱和溶解法作为标准方法。相比动态法，饱和溶解法在装置设计上具有传质效率高、平衡时间短的优点。（3）提供了宽范围的条件适用性。温度20℃～180℃、压力0.1MPa～70MPa的适用范围覆盖了从井口到处理厂的实际工况，大大增强了标准的实用性。（4）引入了不确定度评定要求。不确定度评定使得测定结果不仅给出数值，还能给出数值的置信区间，大大提升了数据的科学性和使用价值。五、标准主要参编单位介绍本标准的制定凝聚了多国专家的智慧和努力，其中中国石油西南油气田公司天然气研究院作为核心参编单位，发挥了不可替代的重要作用。中国石油西南油气田公司天然气研究院（以下简称“天研院”）始建于1958年，是中国最早从事天然气分析测试技术研究的专业机构之一，也是全国天然气标准化技术委员会（SAC/TC244）秘书处挂靠单位、国际标准化组织天然气技术委员会（ISO/TC193