深井硫化氫微量溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

張景田++王瑛

摘 要：針對(duì)鉆井過(guò)程中常規(guī)硫化氫地面監(jiān)測(cè)技術(shù)并不能及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)深井早期的硫化氫侵入鉆井液的問(wèn)題，在充分考察國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有硫化氫監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)鉆井過(guò)程中井底附近、鉆臺(tái)面附近、循環(huán)系統(tǒng)附近3個(gè)不同位置及時(shí)間節(jié)點(diǎn)處，制定了深井早期硫化氫微量監(jiān)測(cè)方案，形成了深井早期硫化氫微量溢流監(jiān)測(cè)技術(shù)。該技術(shù)由井底硫化氫監(jiān)測(cè)方法、鉆臺(tái)面硫化氫監(jiān)測(cè)方法和循環(huán)系統(tǒng)硫化氫實(shí)時(shí)取樣監(jiān)測(cè)方法3部分組成，具有很好的針對(duì)性和適用性，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)硫化氫，以便于為硫化氫的控制及含硫化氫鉆井液的處理贏得更多時(shí)間，從而確保井控的安全及鉆井液處理的及時(shí)性。

關(guān)鍵詞：H2S 溢流 監(jiān)測(cè) 微量 深井

中圖分類號(hào)：TE242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（a）-0060-05

Abstract：During the drilling process，conventional hydrogen sulfide surface monitoring technology can not timely and accurately monitor the early deep well hydrogen sulfide gas into the drilling fluid. To solve this problem，in the full study of the existing hydrogen sulfide monitoring technology at home and abroad，we established the deep trace hydrogen sulfide early monitoring scheme for near bottom hole drilling process，drilling near the surface and near the circulatory system，the 3 different locations and time nodes，forming a deep early trace hydrogen sulfide overflow monitoring technology. The technique consists of 3 parts，namely： the bottom of hydrogen sulfide monitoring method，drilling platform of hydrogen sulfide monitoring methods and the circulation system of hydrogen sulfide real-time sampling monitoring method，this method has good pertinence and applicability，which can forecast the hydrogen sulfide timely and accurately，so as to control the hydrogen sulfide treatment of hydrogen sulfide and drilling fluid to win more the time，in order to ensure the safety of drilling well control and timely processing.

Key Words：H2S； Overflow； Monitoring； Micro； Deep well

隨著油氣地質(zhì)學(xué)理論的進(jìn)展和勘探技術(shù)水平的不斷提高，碳酸鹽巖儲(chǔ)層勘探開(kāi)發(fā)聚焦了世界的目光。世界碳酸鹽巖儲(chǔ)層的油氣產(chǎn)量約占油氣總產(chǎn)量的60%，碳酸鹽巖儲(chǔ)層中普遍含有H2S，而且我國(guó)高含硫化氫天然氣資源豐富[1-2]。但是，H2S具有較強(qiáng)腐蝕性，在含硫儲(chǔ)層的鉆探過(guò)程中，鉆具易受H2S的腐蝕損壞，“氫脆”和硫化物應(yīng)力腐蝕破裂等對(duì)鉆具的腐蝕作用強(qiáng)烈，我國(guó)各地油氣田每年也至少發(fā)生鉆柱疲勞斷裂事故500起，總共直接經(jīng)濟(jì)損失在4 000萬(wàn)元以上[3-5]。此外，由于硫化氫是酸性氣體，常用的鉆井液呈堿性，在硫化氫侵入早期，將發(fā)生酸堿中和反應(yīng)和物理溶解過(guò)程而不會(huì)溢出，在鉆井液出口槽面也檢測(cè)不到硫化氫，具有較大的“隱蔽性”，容易給井控帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，控制不好容易造成人員傷亡。

但是，目前井場(chǎng)常用的硫化氫傳感器有固定式和便攜式兩大類，均采取在空氣中檢測(cè)硫化氫[6]，這些傳感器被重點(diǎn)安裝在井口、振動(dòng)篩以及循環(huán)罐附近，這種方法可以檢測(cè)到逸出鉆井液的硫化氫。當(dāng)大量氣侵時(shí)，過(guò)量的硫化氫將以氣體形式裹在鉆井液中迅速竄至地面，并被硫化氫傳感器檢測(cè)到。因此，這種常規(guī)的監(jiān)測(cè)方式存在報(bào)警滯后問(wèn)題。

1 鉆井時(shí)硫化氫來(lái)源與特點(diǎn)

硫化氫主要來(lái)自產(chǎn)層，在鉆井過(guò)程中，隨井筒工作流體或產(chǎn)出流體進(jìn)入地面。鉆井過(guò)程中，含硫天然氣以巖屑?xì)狻⒅亓χ脫Q氣、擴(kuò)散氣侵或壓差氣侵的方式進(jìn)入鉆井液，隨鉆井液在防噴器上喇叭口、振動(dòng)篩、泥漿循環(huán)罐區(qū)域，以較小速度連續(xù)逸散至空氣中。硫化氫是酸性氣體，硫化氫侵入鉆井液初期，由于目前鉆井常用的鉆井液呈堿性而出現(xiàn)酸堿中和，所以硫化氫在堿性鉆井液中溶解度大，在酸性鉆井液中溶解度小，表1是華北油田所做的硫化氫在不同pH值堿性鉆井液中的溶解飽和度[7]。如果浸入鉆井液中的硫化氫少，不超過(guò)溶解飽和度，因此，地面常規(guī)的檢測(cè)手段檢測(cè)不出硫化氫。隨著硫化氫的侵入，硫化氫溶于水形成弱酸，它與鉆具表面的鐵發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)，釋放出原子氫滲入到鋼的晶格中，原子氫在結(jié)合成氫分子時(shí)體積增大，致使鉆具發(fā)生氫鼓泡產(chǎn)生裂紋，使鋼材變脆，得不到及時(shí)控制會(huì)造成嚴(yán)重的事故。

2 組合式硫化氫微量監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

針對(duì)鉆井過(guò)程中硫化氫的特點(diǎn)以及鉆井過(guò)程中常規(guī)硫化氫監(jiān)測(cè)技術(shù)并不能及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)早期硫化氫侵入鉆井液的問(wèn)題，組合式硫化氫微量監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅要提高監(jiān)測(cè)的精度，而且還應(yīng)該更加全面具體地對(duì)硫化氫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，據(jù)此，制定了組合式硫化氫微量監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，如圖1所示，分別針對(duì)鉆井過(guò)程中井底附近、鉆臺(tái)面附近、循環(huán)系統(tǒng)附近3個(gè)不同位置及時(shí)間節(jié)點(diǎn)處，制定了系統(tǒng)的硫化氫微量監(jiān)測(cè)方案。在此方案中，井下硫化氫監(jiān)測(cè)方法通過(guò)對(duì)井下H2S隨鉆監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下對(duì)H2S的早期監(jiān)測(cè)，消除了地面監(jiān)測(cè)法的滯后性和潛在危害性；鉆臺(tái)面附近的監(jiān)測(cè)方法對(duì)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)硫化氫的監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確；循環(huán)系統(tǒng)附近的監(jiān)測(cè)方法通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆井液中H2S、HS-和S2+的含量來(lái)判斷地層硫化氫侵入鉆井液情況。

組合式硫化氫微量監(jiān)測(cè)技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）井下H2S識(shí)別與監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下H2S隨鉆監(jiān)測(cè)和控制，能夠在井下對(duì)H2S進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)，消除了地面監(jiān)測(cè)法的滯后性和潛在危害性。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前井底狀況的等效地面H2S濃度超過(guò)一定程度時(shí)，可以提前采取相應(yīng)的措施，極大地提高了H2S監(jiān)測(cè)精度和處理效率。

（2）對(duì)鉆臺(tái)面附近的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，有利于更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)溢漏到空氣中的H2S的溢流量、溢散速度及溢散位置。

（3）形成了配套的硫化氫微量監(jiān)測(cè)方法。地面循環(huán)系統(tǒng)附近的監(jiān)測(cè)裝置具有鉆井液連續(xù)定量提取、鉆井液酸化處理、硫化氫脫氣、硫化氫檢測(cè)、檢測(cè)電信號(hào)傳輸及記錄等功能，通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆井液中H2S、HS-和S2+的含量來(lái)判斷地層硫化氫侵入鉆井液情況，解決傳統(tǒng)硫化氫監(jiān)測(cè)中對(duì)于硫化氫侵入早期在鉆井液出口不易被檢出的難題，與井下H2S的監(jiān)測(cè)與識(shí)別相互配合，提高了監(jiān)測(cè)精度。

3 井底硫化氫監(jiān)測(cè)方法

3.1 監(jiān)測(cè)思路

通過(guò)測(cè)量計(jì)算井底條件下總硫的量，根據(jù)硫元素守恒，從而可以轉(zhuǎn)化為地面條件下可能產(chǎn)生的H2S的總量。如果監(jiān)測(cè)到井底鉆井液與H2S反應(yīng)后仍為非酸性（pH≥7），則通過(guò)監(jiān)測(cè)H+或OH-、S2-濃度與該溫度壓力下S2-的電離平衡關(guān)系；反之（即pH<7），則通過(guò)監(jiān)測(cè)H+、S2-濃度與該溫度壓力下H2S的電離平衡關(guān)系。

3.2 電化學(xué)監(jiān)測(cè)方法

采用電化學(xué)的方法，根據(jù)溶液的電化學(xué)性質(zhì)與被測(cè)物質(zhì)的化學(xué)或物理性質(zhì)之間的關(guān)系，將被測(cè)定物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)化為一種電學(xué)參量加以測(cè)量，通過(guò)電離度和溶解度可以計(jì)算 H2S、HS-的濃度[8]，采用的計(jì)算公式如下：

弱電解質(zhì)電離常數(shù)的計(jì)算公式：4 鉆臺(tái)面附近監(jiān)測(cè)方法

采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)常規(guī)的井場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化[9]，優(yōu)化過(guò)程中不僅是為了發(fā)現(xiàn)硫化氫溢出位置，還考慮到要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其濃度變化，并推算其溢出量和溢散速度，為后續(xù)報(bào)警和處理提供依據(jù)。根據(jù)毒氣擴(kuò)散規(guī)律分析，推薦鉆井階段監(jiān)測(cè)儀安放位置如圖2所示。

考慮了如下因素：空間限制、工作方便性、風(fēng)向風(fēng)力、風(fēng)險(xiǎn)性、其他工序等，推薦鉆井階段監(jiān)測(cè)傳感器布點(diǎn)方案如表2。

5 循環(huán)系統(tǒng)處硫化氫實(shí)時(shí)取樣監(jiān)測(cè)方法

5.1 監(jiān)測(cè)原理

在硫化氫侵入早期，鉆井液通常呈堿性，發(fā)生酸堿中和反應(yīng)和物理溶解過(guò)程而不會(huì)溢出，若硫化氫氣體連續(xù)侵入并溶入鉆井液，pH值逐漸降低，直至降至7以下時(shí)，硫化氫氣體就會(huì)逸出鉆井液。根據(jù)這一原理，在鉆井液地面循環(huán)系統(tǒng)出口處，對(duì)鉆井液進(jìn)行取樣，當(dāng)在鉆井液中加入一定量的強(qiáng)酸，如HCl，pH值低于7時(shí)，鉆井液中的硫化物離子（HS-和S2+）會(huì)與H+結(jié)合，這樣使鉆井液中溶解的H2S濃度升高，同時(shí)使得鉆井液的硫化氫溶解飽和度降低，從而逸出鉆井液可以被檢測(cè)到。

5.2 檢測(cè)工藝流程

鉆井液泵以恒定流速連續(xù)抽取從井下返出的鉆井液，同時(shí)酸性液體（如鹽酸）被酸性液體泵以恒定流速泵入，鉆井液和酸性液體在管道中混合或在混合罐中混合，并經(jīng)混合液排出管和混合液排出口排出，載氣（如空氣）以恒定流速泵入混合罐底部，脫出的硫化氫氣體由載氣攜帶至被硫化氫傳感器檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)處理后被存儲(chǔ)或傳輸?shù)竭h(yuǎn)程記錄儀（如計(jì)算機(jī)），從而實(shí)現(xiàn)鉆井液中硫化氫氣體的在線監(jiān)測(cè)[10]（如圖3）。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）鉆井過(guò)程中常規(guī)硫化氫地面監(jiān)測(cè)技術(shù)并不能及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)早期的硫化氫侵入鉆井液，從而給井控安全造成了隱患。

（2）該課題針對(duì)鉆井過(guò)程中井底附近、鉆臺(tái)面附近、循環(huán)系統(tǒng)附近3個(gè)不同位置及時(shí)間節(jié)點(diǎn)處，制定了深井早期硫化氫微量監(jiān)測(cè)方案，形成了組合式的早期硫化氫監(jiān)測(cè)技術(shù)。

（3）該技術(shù)由井底硫化氫監(jiān)測(cè)方法、鉆臺(tái)面硫化氫監(jiān)測(cè)方法和循環(huán)系統(tǒng)硫化氫實(shí)時(shí)取樣監(jiān)測(cè)方法3個(gè)部分組成，具有很好針對(duì)性和適用性。

（4）組合式硫化氫微量監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)硫化氫，以便于為硫化氫的控制及含硫化氫鉆井液的處理贏得更多時(shí)間，從而確保井控的安全及鉆井液處理的及時(shí)性。

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