石油天然氣鉆探過程中硫化氫的監(jiān)測
日期：2024-11-09 10:16
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摘要：
石油天然氣鉆探過程中硫化氫的監(jiān)測
摘要：石油天然氣鉆探過程中硫化氫的準確監(jiān)測是確保鉆井**的條件。在介紹硫化氫氣體的性質(zhì)、危害的基礎(chǔ)上具體闡述了現(xiàn)場常用硫化氫監(jiān)測方法。對現(xiàn)行井場硫化氫監(jiān)測問題進行了探討，提出了硫化氫監(jiān)測應(yīng)從監(jiān)測地面氣體向監(jiān)測地層流延伸，硫化氫報警內(nèi)容應(yīng)多樣化的建議。
摘要：石油天然氣鉆探過程中硫化氫的準確監(jiān)測是確保鉆井**的條件。在介紹硫化氫氣體的性質(zhì)、危害的基礎(chǔ)上具體闡述了現(xiàn)場常用硫化氫監(jiān)測方法。對現(xiàn)行井場硫化氫監(jiān)測問題進行了探討，提出了硫化氫監(jiān)測應(yīng)從監(jiān)測地面氣體向監(jiān)測地層流延伸，硫化氫報警內(nèi)容應(yīng)多樣化的建議。
關(guān)鍵詞：石油 天然氣 硫化氫監(jiān)測
石油天然氣鉆探作為一項高技術(shù)、高風(fēng)險的活動，存在著許多影響環(huán)境與**的因素。硫化氫氣體作為這些因素中的*重要的一個，可能導(dǎo)致設(shè)備的損害與人員的傷亡，因此石油鉆探過程中硫化氫的監(jiān)測工作很重要。多年來，經(jīng)過各方的努力，硫化氫監(jiān)測取得了很大的成績，絕大部分硫化氫氣體得以消彌，大量可能發(fā)生的硫化氫傷害事故得以避免。但是，現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測工作仍存在一些不足之處。本文對現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測的一些基本方法加以總結(jié)，期望能夠?qū)α蚧瘹浔O(jiān)測工作有所幫助。
1硫化氫的性質(zhì)和對石油鉆探的危害
要做好石油鉆探過程中硫化氫的監(jiān)測工作，首先應(yīng)了解其性質(zhì)與危害。
1.1硫化氫的物理化學(xué)性質(zhì)
硫化氫是一種無色、劇毒、強酸性氣體，其相對密度為1.176，較空氣重；燃點250℃，燃燒時呈藍色火焰，產(chǎn)生有毒的SO2；硫化氫與空氣混合，體積分數(shù)達4.3~46%時就形成一種爆炸混合物。
1.2石油鉆探過程中硫化氫的危害
1.2.1硫化氫對人體的危害
硫化氫的毒性較一氧化碳大5~6倍，幾乎與氰同樣劇毒。硫化氫質(zhì)量濃度不同，對人的危害也不同，輕則對人體造成刺激，重則會致使人在幾分鐘內(nèi)死亡。
1.2.2硫化氫對設(shè)備材料的危害
（1）硫化氫能加速非金屬材料的老化。在地面設(shè)備、井口裝置、井下工具中，有橡膠、浸油石墨、石棉等非金屬材料制作的密封件。它們在硫化氫環(huán)境中使用一定時間后，橡膠會產(chǎn)生鼓泡脹大，失去彈性；浸油石墨及石棉繩上的油被溶解而導(dǎo)致密封件的失效。
（2）硫化氫對金屬材料的腐蝕。硫化氫溶于水形成弱酸，對金屬的腐蝕形式有電化學(xué)失重腐蝕、氫脆和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，以后兩者為主，一般統(tǒng)稱為氫脆破壞。氫脆破壞往往造成井下管柱的突然斷落、地面管匯和儀表的爆破、井口裝置的破壞，甚至發(fā)生嚴重的井噴失控或著火事故。
1.2.3硫化氫污染鉆井液
硫化氫主要是對水基鉆井液有較大的污染。它會使鉆井液性能發(fā)生很大變化，如密度下降、Ph 值下降、黏度上升，以至形成流不動的凍膠，不能使用，這必將增加成本，并給施工人員帶來**威脅。
2硫化氫的監(jiān)測
2.1現(xiàn)場常用硫化氫監(jiān)測儀器
2.1.1硫化氫庫侖檢測儀
原理：利用庫侖滴定原理，將被測氣體導(dǎo)入滴定池，池內(nèi)裝有溴化鉀的酸性溶液，池內(nèi)即發(fā)生電解。電解電流與被測物質(zhì)的瞬時濃度呈線性關(guān)系，由此得出被測物質(zhì)的濃度值，并由微安表指示讀數(shù)。
2.1.2硫化氫氣敏電極檢測儀
原理：電極由工作電極、參比電極、內(nèi)充電解液和透氣膜組成。
用硫電極作工作電極，用Ag/AgCl電極或LaF3電極作參比電極。內(nèi)充電解液Ph為5的檸檬酸鹽緩沖液。硫化氫通過透氣薄膜進入電解液轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>S2-離子，平衡時:
[S2-]K1*K2[H2S]/[H+]2
式中K1、K2為電離常數(shù)。當(dāng)離子強度和Ph值一定時電極電位為：
E0=E-（2.303RT/2F）Log[H2S]
式中，F為法拉弟常數(shù)；T為溫度；R為氣體常數(shù)。
特點：重現(xiàn)性好；響應(yīng)時間為1~3min；適于進行H2S的在線測定。
2.2常用快速化學(xué)分析方法
2.2.1醋酸鉛檢測管法
原理：吸附在硅膠上的醋酸鉛能和硫化氫氣體迅速反應(yīng)，生成褐色的硫化鉛，利用這一反應(yīng)制成比長式檢測管定量測定硫化氫。
制備：稱取1.5g醋酸鉛溶于10ml 2%醋酸中，按1:1的比例加入10ml 2%氯化鋇溶液，然后用水稀釋至100ml，制成指示液。
將2g處理好的80~100目的硅膠放在蒸發(fā)皿中，加入1ml配好指示液，不斷攪拌使指示粉自然干燥到顆粒之間互不粘附。
在內(nèi)徑2.3~3.0mm，長150mm的玻璃管中，裝入80mm長的指標粉，兩端用脫脂棉固定，熔封。用標準氣進行標定，制作濃度標尺測定檢測管。
干擾：硫醇類物質(zhì)對測定有干擾。
2.2.2醋酸鉛指示紙法
原理：與檢測管法相同，處理有醋酸鉛的指標紙與硫化氫作用產(chǎn)生褐色的硫化鉛沉積在指示紙上。把指示紙的顏色與標準比色板相比較，確定硫化氫的濃度。
制備：稱取10g醋酸鉛溶于100ml的醋酸中，加入10ml甘油配成指示液。把慢速定量濾紙在指示液中浸1min后取走。夾在干燥的濾紙中吸去多余的液體，放在不含硫化氫的干凈空氣中自然干燥。干燥后剪成與采樣夾的直徑相同的圓片，密封保存在玻璃容器中。
使用指標紙時，先將其夾在采樣夾上，以1L/min的速度采樣，采完規(guī)定體積的氣樣后，將指示紙折成半圓形，放在標準比色板的相應(yīng)色階上比較，得到硫化氫的含量。然后與采樣體積相除得到氣樣中硫化氫的體積分數(shù)。指標紙與氣樣接觸面積的直徑小，測定靈敏度高，直徑大，靈敏度低。石油天然氣鉆探現(xiàn)場負責(zé)資料信息采集、處理，鉆井監(jiān)控的綜合錄井儀一般采用硫化氫氣敏電極檢測儀進行硫化氫監(jiān)測，其攜帶、安裝方便，靈敏度較高，適于在線測量，適應(yīng)現(xiàn)場對硫化氫檢測需要。
塔里木盆地順1井地處沙漠腹地，交通十分不便，一旦發(fā)生硫化氫事故，求援難度很大。該井使用國際先進的DLS綜合錄井儀錄井，硫化氫檢測儀*小檢測體積分數(shù)為10-6，具有靈敏度高，響應(yīng)時間短，24h連續(xù)監(jiān)測，聲光報警的功能。本井在錄井過程中對硫化氫異常共作出3次預(yù)報，成功率為100%，有效地保證了工程的順利施工和井場工作人員的人身**。
3現(xiàn)行井場硫化氫監(jiān)測問題的思考
綜合錄井作為**鉆井的參謀具有監(jiān)測及時性強，預(yù)報準確度高的特點，為鉆井實施硫化氫監(jiān)測提供了可靠依據(jù)。但是，目前硫化氫監(jiān)測方法僅局限于地面的硫化氫，而對于可能產(chǎn)生硫化氫氣體的因素沒有加以監(jiān)測，同時發(fā)現(xiàn)硫化氫異常報警方式單調(diào)、硫化氫傳感器安裝位置不符合井場硫化氫分布規(guī)律等問題，因此，要對現(xiàn)行硫化氫監(jiān)測加以改進。
3.1硫化氫監(jiān)測應(yīng)從監(jiān)測地面氣體向監(jiān)測地層流體延伸
硫化氫監(jiān)測的目的是防止硫化氫對設(shè)備特別是對人員的傷害，因此監(jiān)測產(chǎn)生硫化氫的因素比監(jiān)測地面硫化氫氣體更為重要，事實上，國內(nèi)石油天然氣鉆探史上幾次特大的硫化氫惡性事故都是對井下流體監(jiān)測不力導(dǎo)致井噴所致。
3.1.1掌握區(qū)域資料，認清地層情況
雖然某些鉆井液添加劑經(jīng)過高溫裂解可能產(chǎn)生硫化氫，但是石油鉆探過程中硫化氫主要來源于地層本身，它存在于碳酸鹽巖與蒸發(fā)巖地層中，特別是與碳酸鹽地層伴生的膏鹽地層更容易儲有硫化氫氣體。因此不同區(qū)域的地層硫化氫含量不同，同一區(qū)域不同地層的硫化氫含量、危害性也是不同的。所以要監(jiān)測硫化氫必須認清所鉆井地層情況，了解區(qū)域地質(zhì)特點。在實施鉆井前，應(yīng)掌握鄰近地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)的硫化氫異常情況，編制好本井硫化氫監(jiān)測預(yù)報方案。
3.1.2加強地層對比分析
由于存在地層，產(chǎn)生硫化氫的主要來源有硫酸鹽地層高溫還原作用而產(chǎn)生的硫化氫，地層中石油中的含硫化合物分解而產(chǎn)生的硫化氫，以及殼深部硫化氫氣體通過裂縫向上部運移聚集形成的硫化氫。因此地層中的硫化氫氣體的存在不是孤立的。鉆探實踐證明單純的硫化氫氣層是極少的，絕大部分與天然氣層、油層共存。且不同性質(zhì)地層流體中含有的硫化氫危害性有明顯差異，氣層中含硫化氫危害*大，油層其次，水層相對較小。同時同一區(qū)域硫化氫氣體的產(chǎn)生與某一地質(zhì)年代形成的某種巖性地層（即含硫化氫地層）相關(guān)。因此在掌握區(qū)域含硫化氫層位的基礎(chǔ)上，加強鉆井過程中隨鉆分析對比，利用標準層或巖性組合對比標志層就可準確地預(yù)測到即將鉆達的含硫化氫地層，及時向相關(guān)方作出將鉆達含硫地層的預(yù)測，以便做好防硫化氫的準備。
3.1.3加強地層壓力監(jiān)測
異常高壓的存在必然導(dǎo)致上覆地層巖層密度、可鉆性的變化，建立在欠壓實理論和巖石骨架密度變化理論上的地層壓力預(yù)測技術(shù)，是通過現(xiàn)代傳感器實時收集鉆頭鉆進速度、鉆壓、鉆頭直徑、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速等各種參數(shù)，通過計算機處理后，實時形成DCS指數(shù)的參數(shù)與曲線、Sigma 指數(shù)的參數(shù)與曲線，結(jié)合區(qū)域資料形成的趨勢線可以對地層壓力異常層進行預(yù)測。
鉆探過程中對該井已取得的錄井資料進行分析，將硫化氫監(jiān)測與地層、壓力和工程參數(shù)的監(jiān)測有機結(jié)合起來。特別重視高壓油氣層，根據(jù)壓力分析提前預(yù)報高壓層的出現(xiàn)，及時依據(jù)壓力監(jiān)測結(jié)果調(diào)整鉆井液密度，確保鉆井液密度達到技術(shù)規(guī)范要求。
3.1.4監(jiān)測鉆進液性能變化
硫化氫氣體是一種強酸性氣體，其水溶液是一種酸性液體，保持鉆井液處于堿性狀態(tài)，能對地層產(chǎn)出的硫化氫氣體進行中和，因此行業(yè)標準要求“在鉆開含硫地層后，要求鉆井液的Ph值始終控制在9.5以上”，同時鉆井液Ph值的降低，也是地層有酸性物質(zhì)進入鉆井液的標志之一。因此，監(jiān)測鉆井液的Ph值是降低鉆井液中硫化氫含量的需要，也是監(jiān)測是否有硫化氫氣侵的需要。
預(yù)防鉆探現(xiàn)場硫化氫傷害*有效的方法，是通過比地層壓力高的液柱壓力，讓硫化氫氣體保存在地層之中不進入鉆井液。因此，行業(yè)標準要求“鉆開含硫地層的設(shè)計鉆井液密度，其**附加密度在規(guī)定的油井0.05~0.10g/cm3，氣井0.07~0.15g/cm3,選用上限值?！卑l(fā)生氣侵將降低鉆井液密度，降低平衡地層壓力的鉆井液柱壓力，引發(fā)更大的氣侵。監(jiān)測鉆井液密度變化，既是保證鉆井液密度滿足設(shè)計要求的需要，也是監(jiān)測是否發(fā)生硫化氫氣侵的需要。
監(jiān)測鉆井液密度的方法包括手工測量與傳感器在線連續(xù)監(jiān)測。由于鉆井液密度傳感器容易受鉆井液粘附的影響，因此在加強儀器校驗、維護的同時，為保證數(shù)據(jù)準確性要加強人工測量。
3.1.5加強鉆井施工監(jiān)測
鉆井起鉆速度過快，可能產(chǎn)生抽汲作用，起鉆過程中不及時灌注鉆井液都可能使液柱壓力低于地層壓力，引發(fā)氣侵，嚴重的可能引發(fā)井噴。為避免鉆井施工引發(fā)硫化氫傷害事故發(fā)生，行業(yè)標準規(guī)定“在油氣層和油氣層以上起鉆時，前10根立柱起鉆速度應(yīng)控制在5m/s以內(nèi)”、“油氣層和鉆過油氣層進行起下鉆作業(yè)時，必須進行短程起下鉆”。各個油氣田同時依據(jù)本區(qū)的油氣層壓力特點，對起鉆過程中的鉆井液灌注也作了詳細規(guī)定。因此，現(xiàn)場硫化氫監(jiān)測應(yīng)將鉆井施工（特別是起下鉆作業(yè)）列入監(jiān)測范圍，充分發(fā)揮現(xiàn)場錄井設(shè)備在線監(jiān)測功能，設(shè)置報警門限，發(fā)現(xiàn)違規(guī)作業(yè)后，立即向施工人員提出警示，向井場負責(zé)人報警。
3.2按照井場硫化氫分布規(guī)律安置檢測儀
檢測儀位置的正確選擇是保證檢測結(jié)果及時、準確的前提，因此必須按硫化氫分布規(guī)律來安裝硫化氫檢測器，將傳感器安裝在能在**時間檢測到硫化氫出現(xiàn)的位置和能測出硫化氫準確值的位置上，否則導(dǎo)致檢測結(jié)果失真。鉆井過程中硫化氫氣體隨鉆井液循環(huán)流出，所以首先出現(xiàn)在井口，然后沿脫氣器、振動篩、循環(huán)池到泵房一帶流動，并不斷向周圍擴散，因此，這一帶為高含硫化氫地區(qū)，其中脫氣器、振動篩處硫化氫量*大。同時由于硫化氫比空氣重，硫化氫出現(xiàn)后會向地面方向流動，隨著時間的推移，硫化氫逐漸在地面積聚，因此方井在垂向上硫化氫積聚*多的地方。硫化氫的積存量還和空氣流動性有關(guān)，而循環(huán)罐內(nèi)拐角處由于通風(fēng)條件差，容易造成硫化氫積聚。方井、循環(huán)池、振動篩附近和鉆臺等是現(xiàn)場施工人員活動頻繁的地方，應(yīng)該列入監(jiān)測的重點，所以硫化氫檢測器安裝位置應(yīng)該選擇緩沖罐（振動篩）、井口、循環(huán)池內(nèi)拐角處和泵房、鉆臺、方井，安裝方式應(yīng)采用立體安裝，在方井、喇叭口和附?jīng)_罐附近及距地面較近的位置分別安裝檢測器。
3.3報警內(nèi)容多樣化
目前井場硫化氫監(jiān)測報警內(nèi)容比較單一，一般只向井場發(fā)出“有硫化氫出現(xiàn)”的信息，沒有發(fā)出現(xiàn)有井場硫化氫危害程度及變化情況的內(nèi)容，而影響硫化氫出現(xiàn)的地層、鉆井液密度、施工問題則不屬于硫化氫監(jiān)測預(yù)警內(nèi)容。事實證明，單一的報警不能滿足井場預(yù)防措施制定和實施的需要，不能保證防患于未然。因此井場硫化氫監(jiān)測應(yīng)著眼于防患，內(nèi)容應(yīng)多樣化。
3.3.1由報警出現(xiàn)硫化氫氣體擴大為預(yù)警有可能出現(xiàn)硫化氫氣體
（1）依據(jù)鉆井液性能（特別是鉆井液的密度與Ph值）監(jiān)測結(jié)果，及時向鉆井隊發(fā)出鉆井液性能異常的警示，以利于鉆井隊及時調(diào)整鉆井液性能，做好防硫化氫工作。
（2）依據(jù)地層壓力監(jiān)測結(jié)果，向井隊提出地層壓力預(yù)報，以利鉆井隊及時調(diào)整鉆井液密度及其它性能，充分平衡地層壓力，保證硫化氫氣體不侵入鉆井液中。
（3）依據(jù)隨鉆分析對比分析結(jié)果，向井隊提出即將鉆達含硫地層的預(yù)警，以利于井場施工隊伍做好鉆穿含硫地層的技術(shù)與物質(zhì)準備。
（4）依據(jù)泵沖、絞車等傳感器對鉆井施工情況的監(jiān)測結(jié)果，及時向鉆井施工人員及井場負責(zé)人發(fā)出施工違規(guī)的警示，糾正違規(guī)作業(yè)，防止硫化氫危害事故發(fā)生。
3.3.2由單一的出現(xiàn)硫化氫氣體報警擴大為分級報警
井場中出現(xiàn)硫化氫氣體后其濃度會隨著地層壓力、侵入鉆井液中硫化氫量及鉆井采取的措施而變化，同時不同濃度的含硫化氫氣體對人體的危害程度是不同的。因此硫化氫氣體報警應(yīng)依據(jù)其濃度及對人體的危害分級，分別向不同人員報警并提出建議：當(dāng)體積分數(shù)超過5×10-6時，應(yīng)該向鉆臺報警，并向鉆井監(jiān)督和**主管反映情況。提醒危險地帶人員注意；當(dāng)體積分數(shù)超過2×10-5時應(yīng)該向鉆臺報警，建議除必要人員攜帶防護品工作外，其他人員撒離危險區(qū)；當(dāng)體積分數(shù)超過5×10-5時，應(yīng)該向鉆臺報警，建議迅速組織人員撒離井場；當(dāng)體積分數(shù)超過1×10-4時，應(yīng)該向全井場報警，建議關(guān)井，全井場人員撒離。
4結(jié)語
（1）按照井場硫化氫的分布規(guī)律安置傳感器，充分運用可在線測量、靈敏度高的檢測儀器是可以及時檢測到井場中的硫化氫氣體的。但是現(xiàn)場硫化氫的監(jiān)測不應(yīng)只監(jiān)測地面的硫化氫氣體，而應(yīng)由監(jiān)測地面擴充到地下，由僅報警出現(xiàn)硫化氫氣體擴大為預(yù)警有可能出現(xiàn)硫化氫氣體，由單一的出現(xiàn)硫化氫氣體報警擴大為分級報警。
（2）石油鉆探過程中的硫化氫危害是客觀存在的，只要作嚴格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)規(guī)程，做好預(yù)防控制工作，硫化氫的傷害是可以削弱與避免的。做好硫化氫監(jiān)測工作是做好硫化氫預(yù)防工作的核心環(huán)節(jié)之一。在提倡“以人為本”的今天，硫化氫的監(jiān)測工作顯得十分重要.
