塔中高含硫碳酸鹽巖儲層密閉循環(huán)安全鉆井技術(shù)

劉繪新查磊王書琪康延軍劉會良

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石油塔里木油田公司

塔中高含硫碳酸鹽巖儲層密閉循環(huán)安全鉆井技術(shù)

劉繪新1查磊1王書琪2康延軍2劉會良2

1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石油塔里木油田公司

劉繪新等.塔中高含硫碳酸鹽巖儲層密閉循環(huán)安全鉆井技術(shù).天然氣工業(yè),2010,30(8):45-47.

塔里木盆地塔中高含硫碳酸鹽巖儲層鉆井主要難點為:儲層壓力敏感、H2S含量高,導(dǎo)致采用常規(guī)欠平衡鉆井技術(shù)風(fēng)險很大,而利用密閉循環(huán)鉆井技術(shù)則可以有效降低鉆井風(fēng)險。通過分析國外密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成,針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的特點,充分考慮國內(nèi)現(xiàn)有裝備水平,提出了使用氣液二相分離器加密閉振動篩替代四相分離器的實用化密閉循環(huán)系統(tǒng)方案。在此基礎(chǔ)上,完成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的密閉振動篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計,進(jìn)行了高含硫天然氣燃燒排放對大氣環(huán)境的影響實驗和氨洗脫硫效果實驗,對實用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案進(jìn)行了充分的論證。研究表明:破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲層面臨的鉆井難題最合適的技術(shù)就是密閉循環(huán)鉆井技術(shù);實用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)是密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的關(guān)鍵裝備。實驗結(jié)果也證明了實用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案具有很好的針對性和適用性。該成果對于高效勘探開發(fā)塔中高含硫碳酸鹽巖儲層有著重要的意義。

深井 超深井 碳酸鹽巖 儲層 高含硫天然氣 密閉循環(huán) 塔里木盆地

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.08.012

1 問題分析

塔里木盆地塔中碳酸鹽巖儲層為奧陶系生屑石灰?guī)r段,巖性以石灰?guī)r、顆粒石灰?guī)r為主,鉆井過程中的主要難點為:裂縫、孔洞型儲層,地層壓力敏感,井筒壓力難以控制,溢流、漏失往往同時發(fā)生,再加上 H2S含量高,安全形勢十分嚴(yán)峻。在塔中1號坡折帶的已鉆井,如塔中 823井、塔中 821井、塔中 83井、塔中 72井、塔中721井等,下奧陶統(tǒng)縫洞發(fā)育,在地震剖面上存在串珠狀反射,在鉆進(jìn)過程中都出現(xiàn)過又噴又漏,H2S含量高的情況。為了規(guī)避 H2S的危害,只能采取過平衡鉆進(jìn),造成鉆井液的大量漏失,不但加大了鉆井成本,同時也對儲層造成了很大的傷害。如何破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲層面臨的鉆井難題,需要在技術(shù)層面上進(jìn)行創(chuàng)新。

要根本解決塔中高含硫碳酸鹽巖儲層鉆井的難題,比較合適的技術(shù)是欠平衡鉆井,但由于 H2S含量高,常規(guī)欠平衡鉆井技術(shù)風(fēng)險很大。據(jù)初步調(diào)研,國外在高含硫油氣田開展欠平衡鉆井已有先例,如加拿大在含 H2S 20%的條件下采用密閉循環(huán)鉆井技術(shù),取得了很好的效果[126]。

密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是采用了密閉循環(huán)系統(tǒng)。密閉循環(huán)系統(tǒng)的主要功能有:①循環(huán)系統(tǒng)全部密閉,防止高含硫氣體泄漏;②進(jìn)行氨洗脫硫處理,將高含硫氣體脫硫后燃燒排放。因此,密閉循環(huán)系統(tǒng)能保證人員安全和達(dá)到環(huán)保要求(圖1)。

四相分離器是密閉循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。四相分離器的作用是:將井內(nèi)返出的巖屑、鉆井液、原油以及氣體進(jìn)行分離。由于分離過程處于密閉狀態(tài),可以避免發(fā)生 H2S泄漏等意外事故的發(fā)生。性能可靠的四相分離器是保證整套密閉循環(huán)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。由于國內(nèi)目前還未完全掌握四相分離器制造的關(guān)鍵技術(shù),因而嚴(yán)重制約了密閉循環(huán)鉆井技術(shù)裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程。

圖1 密閉循環(huán)系統(tǒng)示意圖

氨洗脫硫裝置也是密閉循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。由于氨洗脫硫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,價格昂貴,使用、維護(hù)成本高等原因,也嚴(yán)重制約了密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用。

對于上述問題,需要針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的具體情況,采用如下的技術(shù)思路加以解決:設(shè)計一種密閉振動篩,用于替代四相分離器;進(jìn)行高含硫氣體的氨洗脫硫、燃燒排放實驗,為決定是否使用氨洗脫硫裝置進(jìn)行評價。

2 密閉振動篩

根據(jù)上述方案,完成了密閉振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用的技術(shù)方案是:將振動篩置入一個密閉的金屬殼體內(nèi),殼體置于橇座上,不但能防止 H2S外泄,同時也便于吊裝和運輸;殼體內(nèi)設(shè)置巖屑收集槽和螺旋排屑機(jī)構(gòu)、集液槽和液位檢測儀,便于及時排屑、排液;排屑電機(jī)和排液鉆井液泵、電控箱安裝在殼體外,避免在高濃度H2S氣體環(huán)境下發(fā)生燃爆;殼體上部設(shè)置通氣法蘭,便于連接抽氣設(shè)備排出殼體內(nèi)高濃度的 H2S氣體。

密閉振動篩可以在高含硫油氣田鉆井作業(yè)中替代常規(guī)振動篩,能有效地防止 H2S外泄,確保人員的安全,避免環(huán)境污染。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 燃燒排放實驗

圖2 密閉振動篩結(jié)構(gòu)圖

從分離器分離出來的高含硫氣體,如果直接排放到大氣中會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,需要進(jìn)行燃燒排放處理。但是現(xiàn)有的資料和現(xiàn)場情況表明,燃燒排放處理難以保證實現(xiàn)有毒有害氣體的零排放,對環(huán)境仍會造成污染。為了搞清楚高含硫天然氣燃燒排放后的大氣環(huán)境情況,分別在羅家X井和羅家XX井利用試井過程進(jìn)行了燃燒排放實驗。其中,羅家XX井(H2S含量為133.37 g/m3)燃燒排放時環(huán)境空氣中 SO2和H2S測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 羅家XX井燃燒排放測定結(jié)果圖

實驗結(jié)果表明:①根據(jù) GB 3095—1996中的2級標(biāo)準(zhǔn),在居住區(qū)大氣環(huán)境中,有害物質(zhì)最高允許濃度值:H2S為0.01 mg/m3;SO2為0.5mg/m3。顯然,對于高含硫天然氣,通過燃燒排放,SO2和 H2S對居住區(qū)大氣環(huán)境的影響超過國家標(biāo)準(zhǔn)。②根據(jù) SY/T 6137—2005中的規(guī)定,在施工作業(yè)區(qū)大氣環(huán)境中,有害物質(zhì)最高允許濃度值:H2S為15 mg/m3;SO2為5.4 mg/m3。顯然,對于高含硫天然氣,通過燃燒排放,SO2和H2S對施工作業(yè)區(qū)大氣環(huán)境的影響遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。③如果鉆井作業(yè)靠近居住區(qū),則在燃燒排放前需要進(jìn)行氨洗脫硫處理;如果鉆井作業(yè)遠(yuǎn)離居住區(qū),則可以直接燃燒排放。

4 氨洗脫硫?qū)嶒?/h2>

通過實驗測試氨洗脫硫前后高含硫天然氣中硫化氫濃度的變化,可以評價高含硫天然氣氨洗脫硫效果。表1為幾種脫硫溶劑對高含硫天然氣的脫硫?qū)嶒炐Ч?/p>

表1 天然氣脫硫?qū)嶒灲Y(jié)果表

實驗結(jié)果表明:①氨洗脫硫能夠大幅度地降低高含硫氣體中的 H2S含量;②溶劑中,A 3脫硫效果最好;③氨洗脫硫裝置過于復(fù)雜,適合在對環(huán)境要求較高的地區(qū)使用。

5 實用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案

針對塔中碳酸鹽巖儲層主要為氣藏,沒有油相分離需求;氣田地處荒漠地區(qū),含硫天然氣通過燃燒排放后對大氣環(huán)境的影響不大的特點,可以考慮如下實用化方案:使用氣液二相分離器加密閉振動篩替代四相分離器。先利用氣液二相分離器將高含硫氣體分離出來,直接進(jìn)行燃燒排放;然后利用密閉振動篩將巖屑分離出來,鉆井液可重新循環(huán)使用。

實用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案見圖4。

圖4 實用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案圖

在實用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案中,所有設(shè)備采用密閉式,避免了含硫氣體與大氣相通。無需進(jìn)行氨洗脫硫處理,減少了氨洗脫硫設(shè)備,直接將分離器分離出的含硫氣體點火處理,并使用風(fēng)扇將殘余的含微量的有害氣體強制吹散。這樣,使系統(tǒng)得以簡化,還能保證人員安全和達(dá)到環(huán)保的要求。

6 結(jié)論

1)針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的具體情況,破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲層面臨的鉆井難題,最合適的技術(shù)可能是密閉循環(huán)鉆井技術(shù)。

2)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的密閉振動篩可以在高含硫油氣田鉆井作業(yè)中替代常規(guī)振動篩,能有效地防止H2S外泄,確保人員安全,避免環(huán)境污染。

3)如果鉆井作業(yè)靠近居住區(qū),則在燃燒排放前需要進(jìn)行氨洗脫硫處理;如果鉆井作業(yè)遠(yuǎn)離居住區(qū),則可以直接燃燒排放。

4)實驗結(jié)果表明:氨洗脫硫能夠大幅度地降低高含硫氣體中的 H2S含量。氨洗脫硫裝置過于復(fù)雜,適合在對環(huán)境要求較高的地區(qū)使用。

5)針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的具體情況,可以考慮使用氣液二相分離器加密閉振動篩替代四相分離器的實用化方案。

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2010205207 編輯 鐘水清)

國家科技重大專項“塔里木盆地塔中碳酸鹽巖油氣勘探開發(fā)示范工程”中的“碳酸鹽巖礁灘型凝析氣藏高效勘探開發(fā)應(yīng)用技術(shù)”項目(編號:2008ZX050492006)。

劉繪新,1954年生,教授,碩士;1977年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院石油工程專業(yè);從事石油工程的教學(xué)與科研工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)。電話:(028)83033920。E-mail:liuhuixin@swpu.edu.cn