井底H2S監測技術研究

駱笑飛，陳穎杰，黃 迪

1.中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都610051；2.中國石油西南油氣田公司勘探事業部，四川成都610041；3.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢618300）

井底H2S監測技術研究

駱笑飛*1，陳穎杰2，黃 迪3

1.中國石油川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川成都610051；2.中國石油西南油氣田公司勘探事業部，四川成都610041；3.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢618300）

H2S含量超過1%的氣田約占全國四分之一，其中以四川盆地最為廣泛。雖然對于H2S的檢測技術已有了長足的發展，但至今仍無法實現對井下H2S的第一時間預警。為此，通過研究H2S在井底環境下的物理狀態和特性，建立了井下H2S識別與監測方法。該方法在井口監測方法研究的基礎上，形成一種井底H2S監測與預警技術，能夠在井下對H2S進行早期監測，消除了地面監測法的滯后性和潛在危害性。通過測量數據分析，當發現當前井底狀況的等效地面H2S濃度超過一定程度時，可以提前采取相應的措施，保證井下鉆具與人員安全，極大地提高了H2S預警處理效率。

井底；H2S；監測；預警

H2S含量超過1%的氣田約占全國1/4，其中以四川盆地最為廣泛。高含硫氣田單井產量總體都比較高，具有極高的開發價值及潛力。但是H2S所帶來的重大人身傷害及重大經濟損失事故風險也是巨大的。雖然對于H2S的檢測技術已有了長足的發展，但至今仍無法實現對井下H2S泄露的第一時間預警，特別是當鉆遇高含硫氣層或對高壓高含硫氣層試油作業時，地面H2S監測存在嚴重的滯后性，當地面檢測出H2S時，井筒中已存在有大量的H2S，對井筒強度及鉆具安全造成了的風險。此外，由于地面監測方式通常是在地面聚集了一定濃度的H2S后才會觸發報警儀器響應，聚集H2S易對人員健康造成影響。

1 油氣井勘探中H2S監測方式

1.1 地面檢測方式

（1）間接檢測法。通過現場進行取樣[1]，然后回化驗室進行檢測的方法：這種檢測方法在油氣儲運中運用較為廣泛，其檢測精度高，但得到結果存在明顯的滯后性，不能運用于油氣勘探過程中。

（2）直接檢測法：

① 便攜式H2S檢測法：通過如各種電子檢測儀器，對H2S超過設定值能夠實現報警和濃度顯示的功能。儀器靈敏度較高、重量輕、體積小，方便現場施工人員隨身攜帶。

② 固定式H2S檢測法[2]：運用H2S與醋酸鉛試紙反應變色的機理讓發生了反應的試紙與電路結合在一起，通過檢測出的H2S的體積分數變化值進行自動報警，其具有能夠不間斷檢測和記錄功能。該方法已大范圍配備并使用。一般為一個井場裝1～2個傳感器，一個裝在小方罐的脫氣器上，而另一個裝在井口。通過綜合錄井進行24h不間斷監測和報警。

③ 井場H2S綜合檢測法：通過對現場如井口、振動篩、除氣器、緩沖罐、泥漿池等重要位置安裝上高靈敏度的H2S檢測儀實現對H2S的實時檢測，以保護現場施工人員安全及環境安全。

1.2 井下檢測方式

目前國內外均沒有針對井下H2S直接檢測的方式，只能通過間接測量的方式來進行判斷和預警。如在已知哪些地層含硫的情況下，通過隨鉆環空壓力、環空溫度、聲波及阻抗等參數的測量[3]，以實現對該地層是否發生益流的正確、及時判斷，以便及時采取井控措施，從而避免可能會產生的H2S事故。

（1）基于隨鉆環空壓力測量的H2S預測法。在含硫氣層勘探中通過隨鉆環空壓力測量的方法對早期溢流的監測來進行對H2S預測。隨鉆環空壓力測量儀所測得的數據能實現對早期井涌的發現，當油氣侵入環空時，流體溫度升高、壓力降低，從而提高鉆進安全性，避免一些嚴重的井控及H2S事故的發生。

（2）基于環空溫度快速測量的H2S預測法。Weatherford環空溫度快速(Rapid Annular Temperature，RAT)測量傳感器能監測溫度的快速變化，通過溫度變化監測溢流。PAT傳感器安裝在鉆鋌外側的通信通道上直接監測環空溫度，通過監測到的值與相對靜態的工具溫度進行對比來預測溢流或井涌，從而避免井控及H2S事故的發生。

（3）基于網絡傳感器系統的H2S預測法。通過在井下鉆柱安放多組壓力、溫度傳感器，實時地通過鉆桿網絡系統進行傳感器通信(井下寬帶通信，雙向傳輸)。該傳感器能夠檢測與計算地層孔隙壓力、破裂壓力梯度、實現對安全窗口的識別；對非均質的泥漿進行獨立測量，可進行早期溢流監測，并區分出充氣鉆井液，分析并識別溢流；在起下鉆這種容易發生溢流的時候能非常好地監測到溢流的發生，從而避免井控及H2S事故的發生。

（4）基于井下超聲波含氣量檢測的H2S預測法。超聲波表面波發射換能單元設置于鉆鋌上，超聲波表面波接收換能單元也設置于鉆鋌上；幅度信息獲取單元，與超聲波表面波接收換能單元相連，以獲取接收到的超聲波表面波的幅度信息；含氣量信息獲取單元，與幅度信息獲取單元相連，用于根據幅度信息獲取混合流體含氣量信息。可對井內流體含氣量進行實時、準確地定量測量，從而防止“井涌”甚至“井噴”及H2S事故的發生。

（5）基于聲波及阻抗檢測的H2S預測法。該技術主要依靠一個位于BHA外側的階梯式反射器發射2個聲脈沖，可以通過2個反射聲波估算井筒流體流速，也可以根據與井筒流體接觸的變送器阻抗變化估算井筒流體的氣體含量變化，從而避免井控及H2S事故的發生。

（6）基于壓力波及電阻率檢測的H2S預測法。Shell Oil Co發明了一種“溢流監測的方法和儀器”，該方法在井下安裝一個泥漿壓力脈沖發生器，該脈沖發生器發射脈沖波(聲波)后通過鉆柱和環空上傳，通過井口接收的2個聲波的特性可以監測是否出現溢流，從而避免井控及H2S事故的發生。

（7）基于LWD早期監測的H2S預測法。LWD監測早期井涌：考慮到成本和脈沖發射器的工作情況，通常使用電阻率、自然伽馬和聲波就可以用于井涌的早期監測，從而避免井控及H2S事故的發生。

2 井底H2S監測技術

半導體技術H2S氣體探測器被設計用以監測環境空氣中H2S氣體的濃度。它的缺點是只能監測氣體狀態的H2S，而井下H2S是以電離平衡和溶解的狀態存在（H2S、S2-、HS-），不能用它進行監測，因此需要進行井下H2S監測技術的研究。

2.1 井底H2S存在狀態

鉆井液一般情況是以堿性狀態存在的，當井底H2S釋放速度較小，流動的鉆井液未被中和，井底顯示堿性，并有以下水解平衡。

當井底H2S釋放速度較大，流動的鉆井液被中和，并顯示酸性，存在以下平衡：

2.2 井底H2S監測技術

井底H2S監測難點在于：

（1）由于井底H2S絕大多數時候或者說在鉆井打開地層后，是以H2S分子、S2-離子和HS-粒子3種狀態存在，因此技術難點之一是井底條件下，如何獲得這些物質的量。

（2）技術難點之二是如何把H2S、S2-、HS-的監測量轉換成易于實時傳輸的信號。

2.2.1 監測思路

通過測量計算井底條件下總硫的量，在轉化為地面條件下可能產生的H2S含量。

（1）如果井底H2S被完全反應，或完全溶解，則通過監測H+或OH-、S2-濃度與該溫度壓力下S2-的電離平衡關系實現。

（2）如果H2S含量較高，H2S也不能被完全中和，溶解在鉆井液中，則監測H+、S2-濃度與該溫度壓力下H2S的電離平衡關系實現。

2.2.2 監測方法建立

（1）電化學方法測H+、S2-濃度：為了實現對H+、S2-的監測，宜采用電化學的方法。

根據溶液的電化學性質與被測物質的化學或物理性質之間的關系，將被測定物質的濃度轉化為一種電學參量加以測量，通過電離度和溶解度可以計算H2S、HS-的濃度。

（2）弱電解質電離常數的計算方法：

弱酸的電離形式：

電離常數：

電解質其電導率κ和摩爾電導Λm關系為：

弱電解質電離度α和摩爾電導Λm關系為：

則弱酸溶液電離平衡時，其電離平衡常數Kc與濃度c和電離度α的關系式有：

以ΛmΛm,∞代替α，則：

（3）弱離子的水解常數測量計算方法：鹽類在水溶液中電離出來的離子與水所電離出來的H+或OH-離子相互作用生成弱酸或弱堿，從而使溶液呈現出酸性或堿性的化學反應叫做鹽的水解。

弱酸鹽的水解形式：

水解常數表達式：

通過弱水離子積以及酸電離常數計算鹽類的水解常數為：

（4）H2S在鉆井液的溶解度測量：在地面把H2S氣體通入鉆井液，計算其反應溶解比1∶S。

硫的總含量計算：根據pH監測判斷酸堿環境，從而選擇計算方法。

堿性環境：

井底環境中的硫總量：

酸性環境：

井底環境中的硫總量：

假設鉆井中H2S溢出反應和鉆井液流量平衡，則根據數據可得計算單位體積巖石中H2S的含量R為：

式中：∑S——井底環境中硫總量，mol/L；

R——單位體積巖石中H2S含量，mol/L；

X——鉆井速度，dm/s；

Y——鉆井液體流量，L/s；

D——鉆頭直徑，dm。

鉆井液返倒地面時釋放H2S，如果此時鉆井液是堿性環境，則每升鉆井液中H2S含量為：

假如鉆井液根據pH監測判斷為酸性環境，則每升鉆井液中H2S含量：

式中：QH2S——每升鉆井液中H2S含量，mol。

3 結論

（1）通過研究H2S在井底環境下的物理狀態和特性，在井口監測方法研究的基礎上，建立了井下H2S識別與監測方法，形成了一種井底H2S監測與預警技術。

（2）井下H2S識別與監測方法實現了對井下H2S隨鉆監測和控制，能夠在井下對H2S進行早期監測，消除了地面監測法的滯后性和潛在危害性。通過測量數據分析，當發現當前井底狀況的等效地面H2S濃度超過一定程度時，可以提前采取相應的措施，極大地提高了H2S預警處理效率。

[1]崔文霞,王瑞娥.含硫油氣井中的硫化氫氣體檢測和防護應急程序[J].企業技術開發,2010(02):32-35.

[2]張子龍,白冰,宋華.國內硫化氫含量的檢測方法淺析[J].化學工程師2012(04):35-28.

[3]卓魯斌,葛云華,汪海閣.深水鉆井早期井涌檢測方法及其未來趨勢[J].石油鉆采工藝,2009(01):56-60.

TE174.3

A

1004-5716(2015)06-0027-03

2014-06-23

2014-06-24

駱笑飛（1984-），男（漢族），重慶人，助理工程師，現從事油氣田開發工程生產技術相關工作。