深井硫化氢微量溢流监测技术研究

张景田++王瑛

摘 要：针对钻井过程中常规硫化氢地面监测技术并不能及时、准确监测深井早期的硫化氢侵入钻井液的问题，在充分考察国内外现有硫化氢监测技术现状的基础上，分别针对钻井过程中井底附近、钻台面附近、循环系统附近3个不同位置及时间节点处，制定了深井早期硫化氢微量监测方案，形成了深井早期硫化氢微量溢流监测技术。该技术由井底硫化氢监测方法、钻台面硫化氢监测方法和循环系统硫化氢实时取样监测方法3部分组成，具有很好的针对性和适用性，可以及时、准确地预报硫化氢，以便于为硫化氢的控制及含硫化氢钻井液的处理赢得更多时间，从而确保井控的安全及钻井液处理的及时性。

关键词：H2S 溢流 监测 微量 深井

中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：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

随着油气地质学理论的进展和勘探技术水平的不断提高，碳酸盐岩储层勘探开发聚焦了世界的目光。世界碳酸盐岩储层的油气产量约占油气总产量的60%，碳酸盐岩储层中普遍含有H2S，而且我国高含硫化氢天然气资源丰富[1-2]。但是，H2S具有较强腐蚀性，在含硫储层的钻探过程中，钻具易受H2S的腐蚀损坏，“氢脆”和硫化物应力腐蚀破裂等对钻具的腐蚀作用强烈，我国各地油气田每年也至少发生钻柱疲劳断裂事故500起，总共直接经济损失在4 000万元以上[3-5]。此外，由于硫化氢是酸性气体，常用的钻井液呈碱性，在硫化氢侵入早期，将发生酸碱中和反应和物理溶解过程而不会溢出，在钻井液出口槽面也检测不到硫化氢，具有较大的“隐蔽性”，容易给井控带来风险，控制不好容易造成人员伤亡。

但是，目前井场常用的硫化氢传感器有固定式和便携式两大类，均采取在空气中检测硫化氢[6]，这些传感器被重点安装在井口、振动筛以及循环罐附近，这种方法可以检测到逸出钻井液的硫化氢。当大量气侵时，过量的硫化氢将以气体形式裹在钻井液中迅速窜至地面，并被硫化氢传感器检测到。因此，这种常规的监测方式存在报警滞后问题。

1 钻井时硫化氢来源与特点

硫化氢主要来自产层，在钻井过程中，随井筒工作流体或产出流体进入地面。钻井过程中，含硫天然气以岩屑气、重力置换气、扩散气侵或压差气侵的方式进入钻井液，随钻井液在防喷器上喇叭口、振动筛、泥浆循环罐区域，以较小速度连续逸散至空气中。硫化氢是酸性气体，硫化氢侵入钻井液初期，由于目前钻井常用的钻井液呈碱性而出现酸碱中和，所以硫化氢在碱性钻井液中溶解度大，在酸性钻井液中溶解度小，表1是华北油田所做的硫化氢在不同pH值碱性钻井液中的溶解饱和度[7]。如果浸入钻井液中的硫化氢少，不超过溶解饱和度，因此，地面常规的检测手段检测不出硫化氢。随着硫化氢的侵入，硫化氢溶于水形成弱酸，它与钻具表面的铁发生化学及电化学反应，释放出原子氢渗入到钢的晶格中，原子氢在结合成氫分子时体积增大，致使钻具发生氢鼓泡产生裂纹，使钢材变脆，得不到及时控制会造成严重的事故。

2 组合式硫化氢微量监测技术方案

针对钻井过程中硫化氢的特点以及钻井过程中常规硫化氢监测技术并不能及时、准确监测早期硫化氢侵入钻井液的问题，组合式硫化氢微量监测技术不仅要提高监测的精度，而且还应该更加全面具体地对硫化氢进行监测，据此，制定了组合式硫化氢微量监测技术方案，如图1所示，分别针对钻井过程中井底附近、钻台面附近、循环系统附近3个不同位置及时间节点处，制定了系统的硫化氢微量监测方案。在此方案中，井下硫化氢监测方法通过对井下H2S随钻监测和控制，实现了对井下对H2S的早期监测，消除了地面监测法的滞后性和潜在危害性；钻台面附近的监测方法对监测布点进行了优化对硫化氢的监测更准确；循环系统附近的监测方法通过监测钻井液中H2S、HS-和S2+的含量来判断地层硫化氢侵入钻井液情况。

组合式硫化氢微量监测技术方案具有如下优点：

（1）井下H2S识别与监测方法实现了对井下H2S随钻监测和控制，能够在井下对H2S进行早期监测，消除了地面监测法的滞后性和潜在危害性。通过对测量数据进行分析，发现当前井底状况的等效地面H2S浓度超过一定程度时，可以提前采取相应的措施，极大地提高了H2S监测精度和处理效率。

（2）对钻台面附近的监测布点进行了优化，有利于更准确地发现溢漏到空气中的H2S的溢流量、溢散速度及溢散位置。

（3）形成了配套的硫化氢微量监测方法。地面循环系统附近的监测装置具有钻井液连续定量提取、钻井液酸化处理、硫化氢脱气、硫化氢检测、检测电信号传输及记录等功能，通过监测钻井液中H2S、HS-和S2+的含量来判断地层硫化氢侵入钻井液情况，解决传统硫化氢监测中对于硫化氢侵入早期在钻井液出口不易被检出的难题，与井下H2S的监测与识别相互配合，提高了监测精度。

3 井底硫化氢监测方法

3.1 监测思路

通过测量计算井底条件下总硫的量，根据硫元素守恒，从而可以转化为地面条件下可能产生的H2S的总量。如果监测到井底钻井液与H2S反应后仍为非酸性（pH≥7），则通过监测H+或OH-、S2-浓度与该温度压力下S2-的电离平衡关系；反之（即pH<7），则通过监测H+、S2-浓度与该温度压力下H2S的电离平衡关系。

3.2 电化学监测方法

采用电化学的方法，根据溶液的电化学性质与被测物质的化学或物理性质之间的关系，将被测定物质的浓度转化为一种电学参量加以测量，通过电离度和溶解度可以计算 H2S、HS-的浓度[8]，采用的计算公式如下：

弱电解质电离常数的计算公式：4 钻台面附近监测方法

采用数值计算的方法对常规的井场监测点的位置进行优化[9]，优化过程中不仅是为了发现硫化氢溢出位置，还考虑到要实时监测其浓度变化，并推算其溢出量和溢散速度，为后续报警和处理提供依据。根据毒气扩散规律分析，推荐钻井阶段监测仪安放位置如图2所示。

考虑了如下因素：空间限制、工作方便性、风向风力、风险性、其他工序等，推荐钻井阶段监测传感器布点方案如表2。

5 循环系统处硫化氢实时取样监测方法

5.1 监测原理

在硫化氢侵入早期，钻井液通常呈碱性，发生酸碱中和反应和物理溶解过程而不会溢出，若硫化氢气体连续侵入并溶入钻井液，pH值逐渐降低，直至降至7以下时，硫化氢气体就会逸出钻井液。根据这一原理，在钻井液地面循环系统出口处，对钻井液进行取样，当在钻井液中加入一定量的强酸，如HCl，pH值低于7时，钻井液中的硫化物离子（HS-和S2+）会与H+结合，这样使钻井液中溶解的H2S浓度升高，同时使得钻井液的硫化氢溶解饱和度降低，从而逸出钻井液可以被检测到。

5.2 检测工艺流程

钻井液泵以恒定流速连续抽取从井下返出的钻井液，同时酸性液体（如盐酸）被酸性液体泵以恒定流速泵入，钻井液和酸性液体在管道中混合或在混合罐中混合，并经混合液排出管和混合液排出口排出，载气（如空气）以恒定流速泵入混合罐底部，脱出的硫化氢气体由载气携带至被硫化氢传感器检测，检测信号经处理后被存储或传输到远程记录仪（如计算机），从而实现钻井液中硫化氢气体的在线监测[10]（如图3）。

6 结论与认识

（1）钻井过程中常规硫化氢地面监测技术并不能及时、准确监测早期的硫化氢侵入钻井液，从而给井控安全造成了隐患。

（2）该课题针对钻井过程中井底附近、钻台面附近、循环系统附近3个不同位置及时间节点处，制定了深井早期硫化氢微量监测方案，形成了组合式的早期硫化氢监测技术。

（3）该技术由井底硫化氫监测方法、钻台面硫化氢监测方法和循环系统硫化氢实时取样监测方法3个部分组成，具有很好针对性和适用性。

（4）组合式硫化氢微量监测技术，可以及时、准确地预报硫化氢，以便于为硫化氢的控制及含硫化氢钻井液的处理赢得更多时间，从而确保井控的安全及钻井液处理的及时性。

参考文献

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[10] 王晓丹.一种硫化氢侵入钻井液的在线连续监测方法[J].录井工程，2014，25（1）：37-39.