駱笑飛，陳穎杰，黃 迪

1.中國(guó)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(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川成都610041；3.中國(guó)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(jiān)測(cè)技術(shù)研究

駱笑飛*1，陳穎杰2，黃 迪3

1.中國(guó)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(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部，四川成都610041；3.中國(guó)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(guò)1%的氣田約占全國(guó)四分之一，其中以四川盆地最為廣泛。雖然對(duì)于H2S的檢測(cè)技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但至今仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)井下H2S的第一時(shí)間預(yù)警。為此，通過(guò)研究H2S在井底環(huán)境下的物理狀態(tài)和特性，建立了井下H2S識(shí)別與監(jiān)測(cè)方法。該方法在井口監(jiān)測(cè)方法研究的基礎(chǔ)上，形成一種井底H2S監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)，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)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，當(dāng)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，保證井下鉆具與人員安全，極大地提高了H2S預(yù)警處理效率。

井底；H2S；監(jiān)測(cè)；預(yù)警

H2S含量超過(guò)1%的氣田約占全國(guó)1/4，其中以四川盆地最為廣泛。高含硫氣田單井產(chǎn)量總體都比較高，具有極高的開(kāi)發(fā)價(jià)值及潛力。但是H2S所帶來(lái)的重大人身傷害及重大經(jīng)濟(jì)損失事故風(fēng)險(xiǎn)也是巨大的。雖然對(duì)于H2S的檢測(cè)技術(shù)已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但至今仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)井下H2S泄露的第一時(shí)間預(yù)警，特別是當(dāng)鉆遇高含硫氣層或?qū)Ω邏焊吆驓鈱釉囉妥鳂I(yè)時(shí)，地面H2S監(jiān)測(cè)存在嚴(yán)重的滯后性，當(dāng)?shù)孛鏅z測(cè)出H2S時(shí)，井筒中已存在有大量的H2S，對(duì)井筒強(qiáng)度及鉆具安全造成了的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于地面監(jiān)測(cè)方式通常是在地面聚集了一定濃度的H2S后才會(huì)觸發(fā)報(bào)警儀器響應(yīng)，聚集H2S易對(duì)人員健康造成影響。

1 油氣井勘探中H2S監(jiān)測(cè)方式

1.1 地面檢測(cè)方式

（1）間接檢測(cè)法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取樣[1]，然后回化驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)的方法：這種檢測(cè)方法在油氣儲(chǔ)運(yùn)中運(yùn)用較為廣泛，其檢測(cè)精度高，但得到結(jié)果存在明顯的滯后性，不能運(yùn)用于油氣勘探過(guò)程中。

（2）直接檢測(cè)法：

① 便攜式H2S檢測(cè)法：通過(guò)如各種電子檢測(cè)儀器，對(duì)H2S超過(guò)設(shè)定值能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)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(xiàn)場(chǎng)施工人員隨身攜帶。

② 固定式H2S檢測(cè)法[2]：運(yùn)用H2S與醋酸鉛試紙反應(yīng)變色的機(jī)理讓發(fā)生了反應(yīng)的試紙與電路結(jié)合在一起，通過(guò)檢測(cè)出的H2S的體積分?jǐn)?shù)變化值進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，其具有能夠不間斷檢測(cè)和記錄功能。該方法已大范圍配備并使用。一般為一個(gè)井場(chǎng)裝1～2個(gè)傳感器，一個(gè)裝在小方罐的脫氣器上，而另一個(gè)裝在井口。通過(guò)綜合錄井進(jìn)行24h不間斷監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

③ 井場(chǎng)H2S綜合檢測(cè)法：通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)如井口、振動(dòng)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(cè)儀實(shí)現(xiàn)對(duì)H2S的實(shí)時(shí)檢測(cè)，以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工人員安全及環(huán)境安全。

1.2 井下檢測(cè)方式

目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有針對(duì)井下H2S直接檢測(cè)的方式，只能通過(guò)間接測(cè)量的方式來(lái)進(jìn)行判斷和預(yù)警。如在已知哪些地層含硫的情況下，通過(guò)隨鉆環(huán)空壓力、環(huán)空溫度、聲波及阻抗等參數(shù)的測(cè)量[3]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該地層是否發(fā)生益流的正確、及時(shí)判斷，以便及時(shí)采取井控措施，從而避免可能會(huì)產(chǎn)生的H2S事故。

（1）基于隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量的H2S預(yù)測(cè)法。在含硫氣層勘探中通過(guò)隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量的方法對(duì)早期溢流的監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行對(duì)H2S預(yù)測(cè)。隨鉆環(huán)空壓力測(cè)量?jī)x所測(cè)得的數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)早期井涌的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油氣侵入環(huán)空時(shí)，流體溫度升高、壓力降低，從而提高鉆進(jìn)安全性，避免一些嚴(yán)重的井控及H2S事故的發(fā)生。

（2）基于環(huán)空溫度快速測(cè)量的H2S預(yù)測(cè)法。Weatherford環(huán)空溫度快速(Rapid Annular Temperature，RAT)測(cè)量傳感器能監(jiān)測(cè)溫度的快速變化，通過(guò)溫度變化監(jiān)測(cè)溢流。PAT傳感器安裝在鉆鋌外側(cè)的通信通道上直接監(jiān)測(cè)環(huán)空溫度，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的值與相對(duì)靜態(tài)的工具溫度進(jìn)行對(duì)比來(lái)預(yù)測(cè)溢流或井涌，從而避免井控及H2S事故的發(fā)生。

（3）基于網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)的H2S預(yù)測(cè)法。通過(guò)在井下鉆柱安放多組壓力、溫度傳感器，實(shí)時(shí)地通過(guò)鉆桿網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行傳感器通信(井下寬帶通信，雙向傳輸)。該傳感器能夠檢測(cè)與計(jì)算地層孔隙壓力、破裂壓力梯度、實(shí)現(xiàn)對(duì)安全窗口的識(shí)別；對(duì)非均質(zhì)的泥漿進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，可進(jìn)行早期溢流監(jiān)測(cè)，并區(qū)分出充氣鉆井液，分析并識(shí)別溢流；在起下鉆這種容易發(fā)生溢流的時(shí)候能非常好地監(jiān)測(cè)到溢流的發(fā)生，從而避免井控及H2S事故的發(fā)生。

（4）基于井下超聲波含氣量檢測(cè)的H2S預(yù)測(cè)法。超聲波表面波發(fā)射換能單元設(shè)置于鉆鋌上，超聲波表面波接收換能單元也設(shè)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(jù)幅度信息獲取混合流體含氣量信息。可對(duì)井內(nèi)流體含氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地定量測(cè)量，從而防止“井涌”甚至“井噴”及H2S事故的發(fā)生。

（5）基于聲波及阻抗檢測(cè)的H2S預(yù)測(cè)法。該技術(shù)主要依靠一個(gè)位于BHA外側(cè)的階梯式反射器發(fā)射2個(gè)聲脈沖，可以通過(guò)2個(gè)反射聲波估算井筒流體流速，也可以根據(jù)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(fā)生。

（6）基于壓力波及電阻率檢測(cè)的H2S預(yù)測(cè)法。Shell Oil Co發(fā)明了一種“溢流監(jiān)測(cè)的方法和儀器”，該方法在井下安裝一個(gè)泥漿壓力脈沖發(fā)生器，該脈沖發(fā)生器發(fā)射脈沖波(聲波)后通過(guò)鉆柱和環(huán)空上傳，通過(guò)井口接收的2個(gè)聲波的特性可以監(jiān)測(cè)是否出現(xiàn)溢流，從而避免井控及H2S事故的發(fā)生。

（7）基于LWD早期監(jiān)測(cè)的H2S預(yù)測(cè)法。LWD監(jiān)測(cè)早期井涌：考慮到成本和脈沖發(fā)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(jiān)測(cè)，從而避免井控及H2S事故的發(fā)生。

2 井底H2S監(jiān)測(cè)技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)H2S氣體探測(cè)器被設(shè)計(jì)用以監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣中H2S氣體的濃度。它的缺點(diǎn)是只能監(jiān)測(cè)氣體狀態(tài)的H2S，而井下H2S是以電離平衡和溶解的狀態(tài)存在（H2S、S2-、HS-），不能用它進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此需要進(jìn)行井下H2S監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。

2.1 井底H2S存在狀態(tài)

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

當(dāng)井底H2S釋放速度較大，流動(dòng)的鉆井液被中和，并顯示酸性，存在以下平衡：

2.2 井底H2S監(jiān)測(cè)技術(shù)

井底H2S監(jiān)測(cè)難點(diǎn)在于：

（1）由于井底H2S絕大多數(shù)時(shí)候或者說(shuō)在鉆井打開(kāi)地層后，是以H2S分子、S2-離子和HS-粒子3種狀態(tài)存在，因此技術(shù)難點(diǎn)之一是井底條件下，如何獲得這些物質(zhì)的量。

（2）技術(shù)難點(diǎn)之二是如何把H2S、S2-、HS-的監(jiān)測(cè)量轉(zhuǎn)換成易于實(shí)時(shí)傳輸?shù)男盘?hào)。

2.2.1 監(jiān)測(cè)思路

通過(guò)測(cè)量計(jì)算井底條件下總硫的量，在轉(zhuǎn)化為地面條件下可能產(chǎn)生的H2S含量。

（1）如果井底H2S被完全反應(yīng)，或完全溶解，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)系實(shí)現(xiàn)。

（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(jiān)測(cè)H+、S2-濃度與該溫度壓力下H2S的電離平衡關(guān)系實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 監(jiān)測(cè)方法建立

（1）電化學(xué)方法測(cè)H+、S2-濃度：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)H+、S2-的監(jiān)測(cè)，宜采用電化學(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。

（2）弱電解質(zhì)電離常數(shù)的計(jì)算方法：

弱酸的電離形式：

電離常數(shù)：

電解質(zhì)其電導(dǎo)率κ和摩爾電導(dǎo)Λm關(guān)系為：

弱電解質(zhì)電離度α和摩爾電導(dǎo)Λm關(guān)系為：

則弱酸溶液電離平衡時(shí)，其電離平衡常數(shù)Kc與濃度c和電離度α的關(guān)系式有：

以ΛmΛm,∞代替α，則：

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

弱酸鹽的水解形式：

水解常數(shù)表達(dá)式：

通過(guò)弱水離子積以及酸電離常數(shù)計(jì)算鹽類的水解常數(shù)為：

（4）H2S在鉆井液的溶解度測(cè)量：在地面把H2S氣體通入鉆井液，計(jì)算其反應(yīng)溶解比1∶S。

硫的總含量計(jì)算：根據(jù)pH監(jiān)測(cè)判斷酸堿環(huán)境，從而選擇計(jì)算方法。

堿性環(huán)境：

井底環(huán)境中的硫總量：

酸性環(huán)境：

井底環(huán)境中的硫總量：

假設(shè)鉆井中H2S溢出反應(yīng)和鉆井液流量平衡，則根據(jù)數(shù)據(jù)可得計(jì)算單位體積巖石中H2S的含量R為：

式中：∑S——井底環(huán)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(shí)釋放H2S，如果此時(shí)鉆井液是堿性環(huán)境，則每升鉆井液中H2S含量為：

假如鉆井液根據(jù)pH監(jiān)測(cè)判斷為酸性環(huán)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(jié)論

（1）通過(guò)研究H2S在井底環(huán)境下的物理狀態(tài)和特性，在井口監(jiān)測(cè)方法研究的基礎(chǔ)上，建立了井下H2S識(shí)別與監(jiān)測(cè)方法，形成了一種井底H2S監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)。

（2）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)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，當(dāng)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預(yù)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(cè)和防護(hù)應(yīng)急程序[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2010(02):32-35.

[2]張子龍,白冰,宋華.國(guó)內(nèi)硫化氫含量的檢測(cè)方法淺析[J].化學(xué)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(cè)方法及其未來(lái)趨勢(shì)[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(xiàn)從事油氣田開(kāi)發(fā)工程生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)工作。