深井硫化氫微量溢流監測技術研究

張景田++王瑛

摘 要：針對鉆井過程中常規硫化氫地面監測技術并不能及時、準確監測深井早期的硫化氫侵入鉆井液的問題，在充分考察國內外現有硫化氫監測技術現狀的基礎上，分別針對鉆井過程中井底附近、鉆臺面附近、循環系統附近3個不同位置及時間節點處，制定了深井早期硫化氫微量監測方案，形成了深井早期硫化氫微量溢流監測技術。該技術由井底硫化氫監測方法、鉆臺面硫化氫監測方法和循環系統硫化氫實時取樣監測方法3部分組成，具有很好的針對性和適用性，可以及時、準確地預報硫化氫，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間，從而確保井控的安全及鉆井液處理的及時性。

關鍵詞：H2S 溢流 監測 微量 深井

中圖分類號：TE242 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著油氣地質學理論的進展和勘探技術水平的不斷提高，碳酸鹽巖儲層勘探開發聚焦了世界的目光。世界碳酸鹽巖儲層的油氣產量約占油氣總產量的60%，碳酸鹽巖儲層中普遍含有H2S，而且我國高含硫化氫天然氣資源豐富[1-2]。但是，H2S具有較強腐蝕性，在含硫儲層的鉆探過程中，鉆具易受H2S的腐蝕損壞，“氫脆”和硫化物應力腐蝕破裂等對鉆具的腐蝕作用強烈，我國各地油氣田每年也至少發生鉆柱疲勞斷裂事故500起，總共直接經濟損失在4 000萬元以上[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，將發生酸堿中和反應和物理溶解過程而不會溢出，在鉆井液出口槽面也檢測不到硫化氫，具有較大的“隱蔽性”，容易給井控帶來風險，控制不好容易造成人員傷亡。

但是，目前井場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硫化氫[6]，這些傳感器被重點安裝在井口、振動篩以及循環罐附近，這種方法可以檢測到逸出鉆井液的硫化氫。當大量氣侵時，過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到。因此，這種常規的監測方式存在報警滯后問題。

1 鉆井時硫化氫來源與特點

硫化氫主要來自產層，在鉆井過程中，隨井筒工作流體或產出流體進入地面。鉆井過程中，含硫天然氣以巖屑氣、重力置換氣、擴散氣侵或壓差氣侵的方式進入鉆井液，隨鉆井液在防噴器上喇叭口、振動篩、泥漿循環罐區域，以較小速度連續逸散至空氣中。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，不超過溶解飽和度，因此，地面常規的檢測手段檢測不出硫化氫。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生化學及電化學反應，釋放出原子氫滲入到鋼的晶格中，原子氫在結合成氫分子時體積增大，致使鉆具發生氫鼓泡產生裂紋，使鋼材變脆，得不到及時控制會造成嚴重的事故。

2 組合式硫化氫微量監測技術方案

針對鉆井過程中硫化氫的特點以及鉆井過程中常規硫化氫監測技術并不能及時、準確監測早期硫化氫侵入鉆井液的問題，組合式硫化氫微量監測技術不僅要提高監測的精度，而且還應該更加全面具體地對硫化氫進行監測，據此，制定了組合式硫化氫微量監測技術方案，如圖1所示，分別針對鉆井過程中井底附近、鉆臺面附近、循環系統附近3個不同位置及時間節點處，制定了系統的硫化氫微量監測方案。在此方案中，井下硫化氫監測方法通過對井下H2S隨鉆監測和控制，實現了對井下對H2S的早期監測，消除了地面監測法的滯后性和潛在危害性；鉆臺面附近的監測方法對監測布點進行了優化對硫化氫的監測更準確；循環系統附近的監測方法通過監測鉆井液中H2S、HS-和S2+的含量來判斷地層硫化氫侵入鉆井液情況。

組合式硫化氫微量監測技術方案具有如下優點：

（1）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。通過對測量數據進行分析，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監測精度和處理效率。

（2）對鉆臺面附近的監測布點進行了優化，有利于更準確地發現溢漏到空氣中的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測方法。地面循環系統附近的監測裝置具有鉆井液連續定量提取、鉆井液酸化處理、硫化氫脫氣、硫化氫檢測、檢測電信號傳輸及記錄等功能，通過監測鉆井液中H2S、HS-和S2+的含量來判斷地層硫化氫侵入鉆井液情況，解決傳統硫化氫監測中對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的監測與識別相互配合，提高了監測精度。

3 井底硫化氫監測方法

3.1 監測思路

通過測量計算井底條件下總硫的量，根據硫元素守恒，從而可以轉化為地面條件下可能產生的H2S的總量。如果監測到井底鉆井液與H2S反應后仍為非酸性（pH≥7），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；反之（即pH<7），則通過監測H+、S2-濃度與該溫度壓力下H2S的電離平衡關系。

3.2 電化學監測方法

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[8]，采用的計算公式如下：

弱電解質電離常數的計算公式：4 鉆臺面附近監測方法

采用數值計算的方法對常規的井場監測點的位置進行優化[9]，優化過程中不僅是為了發現硫化氫溢出位置，還考慮到要實時監測其濃度變化，并推算其溢出量和溢散速度，為后續報警和處理提供依據。根據毒氣擴散規律分析，推薦鉆井階段監測儀安放位置如圖2所示。

考慮了如下因素：空間限制、工作方便性、風向風力、風險性、其他工序等，推薦鉆井階段監測傳感器布點方案如表2。

5 循環系統處硫化氫實時取樣監測方法

5.1 監測原理

在硫化氫侵入早期，鉆井液通常呈堿性，發生酸堿中和反應和物理溶解過程而不會溢出，若硫化氫氣體連續侵入并溶入鉆井液，pH值逐漸降低，直至降至7以下時，硫化氫氣體就會逸出鉆井液。根據這一原理，在鉆井液地面循環系統出口處，對鉆井液進行取樣，當在鉆井液中加入一定量的強酸，如HCl，pH值低于7時，鉆井液中的硫化物離子（HS-和S2+）會與H+結合，這樣使鉆井液中溶解的H2S濃度升高，同時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到。

5.2 檢測工藝流程

鉆井液泵以恒定流速連續抽取從井下返出的鉆井液，同時酸性液體（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，檢測信號經處理后被存儲或傳輸到遠程記錄儀（如計算機），從而實現鉆井液中硫化氫氣體的在線監測[10]（如圖3）。

6 結論與認識

（1）鉆井過程中常規硫化氫地面監測技術并不能及時、準確監測早期的硫化氫侵入鉆井液，從而給井控安全造成了隱患。

（2）該課題針對鉆井過程中井底附近、鉆臺面附近、循環系統附近3個不同位置及時間節點處，制定了深井早期硫化氫微量監測方案，形成了組合式的早期硫化氫監測技術。

（3）該技術由井底硫化氫監測方法、鉆臺面硫化氫監測方法和循環系統硫化氫實時取樣監測方法3個部分組成，具有很好針對性和適用性。

（4）組合式硫化氫微量監測技術，可以及時、準確地預報硫化氫，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間，從而確保井控的安全及鉆井液處理的及時性。

參考文獻

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