钻井过程中硫化氢侵入危害及除硫措施研究_雷伟.pdf

2023 年第 3 期 工艺与安全 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 73 钻井过程中硫化氢侵入危害及除硫措施研究 钻井过程中硫化氢侵入危害及除硫措施研究 雷 伟 长庆油田公司工程监督处 陕西西安 710018 摘 要：含硫气藏钻井过程中极易发生硫化氢泄漏生产安全事故，对现场施工人员、周边环境以及钻井设备和钻井液等造成严重的危害。为了有效提高含硫气藏的钻井施工效率，以川东北某含硫气藏为研究对象，在分析了钻井过程中硫化氢的来源和侵入危害的基础上，有针对性地开展了安全防护措施研究，并将研究的高效除硫剂和硫化氢清除实验装置应用于钻井施工现场。室内实验结果表明：4#除硫剂能够有效去除钻井液体系中的硫化氢，当其质量浓度为 2.5%时，对质量浓度为 1 0004 000 mg/L 的硫化氢去除率均可以达到 95%以上；研制的硫化氢清除实验装置可以有效清除钻井液体系中残留的部分溶解态硫化氢。现场应用结果表明，S-1 井井口返出钻井液经过硫化氢清除实验装置处理后，硫化氢的浓度可以降低至 5 mg/m3以下，取得了良好的现场应用效果。关键词：含硫气藏；钻井；硫化氢；除硫剂；硫化氢清除装置；安全防护 含硫气藏在世界范围内的分布较为广泛，据相关统计显示，目前全球大约已发现 400 多个含硫气田。我国目前已探明的天然气资源储量十分丰富，其中含硫化氢的气田数量也较多，主要分布在四川盆地、渤海湾盆地、塔里木盆地以及鄂尔多斯盆地等地区1-4。每个含硫气田产出的天然气中硫化氢含量变化较大，硫化氢最高含量可达 90%以上。由于硫化氢属于一种高毒物质，其存在不仅会对钻井施工过程产生不利影响，还可能对现场施工人员以及周边生态环境造成严重的危害5-8。因此，研究钻井过程中硫化氢侵入的危害，并有针对性的提出安全防护措施，对提高含硫气藏的钻井施工效率具有十分重要的意义。目前国内外针对含硫气藏钻井过程中如何防治硫化氢气体的危害也进行了大量的研究，形成了相应的应急处理措施，主要包括适当提高钻井液的比重和 pH 值，尽量使用油基钻井液以及加入除硫剂等措施9-11，其中在钻井液中加入除硫剂不仅能够快速去除硫化氢气体，而且现场施工简便，具有良好的可操作性12-14。因此，本文以川东北某含硫气藏为研究对象，在分析了气藏基本特征、钻井过程中硫化氢的来源以及侵入危害的基础之上，开展了适合目标区块的除硫剂优选研究和硫化氢清除实验装置研究，并在现场进行了成功应用，为此类高含硫气藏的高效、合理开发提供一定的技术支持。1 目标含硫气藏的基本特征 目标含硫气藏位于四川盆地东北部地区，已探明天然气总储量大约为 1.621012 m3。主要目的层位于下三叠统的飞仙关组，完钻井深大约在 3 5504 420 m 之间，储层段厚度在400550 m 之间，上部储层段岩石主要为灰白色的白云岩、硬石膏岩和粉晶质灰岩等，下部储层段岩石主要为灰褐色的灰岩和泥晶质灰岩等，并夹杂有少量的泥灰岩。研究区块内地层结构较为复杂，浅层地层的倾斜度较大，最大倾角可以达到 50以上；泥岩含量较多，极易发生黏土水化膨胀现象，造成剥蚀掉块现象，引发井壁失稳；碳酸岩地层的可钻性较好，但同时还容易对钻井液产生严重的盐浸污染，影响钻井效果；另外，目标区块内大部分地层中硫化氢气体的含量都比较高，高含硫的特点容易对钻井液、周边环境和现场施工人员造成一定的危害。2 钻井过程中硫化氢的来源及侵入危害分析 2.1 钻井过程中硫化氢的来源 在含硫气藏的钻井施工过程中，硫化氢的 作者简介：雷伟，本科，工程师，主要从事油气田井筒工程安全环保生产与工程监督管理方面的工作。E-mail：。工艺与安全 2023 年第 3 期 74 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 来源主要包括以下几个方面：（1）地层中自身含有的硫化氢。这是硫化氢气体的主要来源，由于地层中含有较多的含硫生物体、有机化合物、硫酸盐和金属硫化物等，在石油类等有机物质的还原作用下会产生大量的硫化氢气体。（2）硫酸盐还原菌代谢产生的硫化氢。地层中存在的硫酸盐还原菌能够利用各种有机质对高价硫酸盐产生一定的还原作用，从而直接产生硫化氢气体。（3）钻井液处理剂在地层条件下分解产生的硫化氢。部分钻井液处理剂本身含有硫元素，在地层高温和高压的环境条件下容易产生复杂的化学反应，分解析出一部分硫化氢气体。2.2 硫化氢侵入危害分析 硫化氢气体的高毒特性使其容易对生态环境以及人员安全健康造成严重的危害，钻井过程中硫化氢气体侵入容易造成的危害主要包括以下几个方面：（1）对现场施工人员的健康危害。硫化氢气体吸入人体中后能与血液中的溶解氧和部分活性酶迅速产生反应，抑制细胞的活性，少量吸入即可造成人的器官中毒，严重的可致人死亡。（2）对周边环境造成的危害。钻井施工时如果发生硫化氢气体泄漏，会对井场周边的水源、土壤以及动植物等造成严重的威胁。（3）对钻井管柱以及设备的腐蚀危害。高含硫地层钻井时，硫化氢的存在可能会对井下管柱以及钻井设备产生严重的电化学腐蚀以及氢脆断裂危害，特别是钻具产生氢脆现象以后，可能会导致其突然断裂，容易引发严重的安全事故。（4）对钻井液的污染危害。硫化氢气体进入到钻井液体系中以后会对钻井液的综合性能产生不利的影响，造成钻井液比重降低、流变性能恶化、颜色变化以及 pH 值下降等，严重影响钻井施工的效率。因此，综合分析来看，在高含硫地层钻井施工过程中，应特别注意硫化氢气体的侵入危害。为了提高此类地层的钻井施工效率，需要有针对性地研究相应的安全防护措施，最大限度地降低硫化氢侵入对施工人员、周边环境以及钻井液的不利影响。3 含硫气藏钻井过程中除硫措施研究 3.1 除硫剂研究实验部分 除硫剂能够快速去除钻井液体系中的硫化氢气体，本文考察了除硫剂种类和加入量对钻井液中硫化氢的去除效果，并评价了除硫剂对钻井液基本性能的影响。3.1.1 主要实验材料及仪器 实验材料：膨润土，新疆中非夏子街膨润土有限责任公司；KPAM，河北燕兴化工有限公司；SMP-1、SMC、SMT，山东奈斯化学有限公司；聚合物降滤失剂 JLS-1、抑制剂 YZ-2、润滑剂 RH-1，自制；重晶石粉，河北创天工程材料有限公司；氢氧化钠、无水碳酸钠、碱式碳酸锌、乙酸锌，分析纯，茂名市雄大化工有限公司广州分公司；海绵铁，河南百源环保科技有限公司；酚类化合物、含铁离子络合物，自制。实验仪器：HTD-6S 数显六速旋转粘度计、SD6A 多联 API 滤失仪、GGS42-2 高温高压滤失仪、XGRL-4A 高温滚子加热炉、GJD-B12K变频高速搅拌机，青岛恒泰达机电设备有限公司；硫化氢发生装置，自制；GD-H2S-H 便携式硫化氢检测仪，广州瑞彬科技有限公司。3.1.2 实验方法（1）硫化氢的去除实验 根据前期研究结果，目标区块所使用的钻井液体系配方为：4%淡水膨润土浆+0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+0.2%增粘剂 KPAM+0.5%聚合物降滤失剂 JLS-1+3%SMP-1+3%SMC+1.5%SMT+3%抑制剂 YZ-2+2%润滑剂 RH-1+重晶石粉加重至1.8 g/cm3。使用硫化氢发生装置在上述钻井液中通入一定质量浓度的硫化氢，然后加入除硫剂，搅拌状态下反应 2 h 后，测定钻井液中剩余硫化氢的含量，计算硫化氢的去除率。（2）除硫剂对钻井液性能的影响实验 在上述钻井液体系中加入不同质量浓度的除硫剂后，将其在 150 下滚动老化 16 h，然后参照国家标准石油天然气工业 钻井液实验室测试（GB/T 291702012）中的要求，测定老化后钻井液的基本性能（流变性、滤失量和 pH 值）变化情况。3.2 结果与讨论 3.2.1 除硫剂种类对硫化氢去除效果的影响 按照 3.1.2 中硫化氢的去除实验方法，分 2023 年第 3 期 工艺与安全 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 75 别评价了不同类型的除硫剂（1#：海绵铁、2#：碱式碳酸锌、3#：乙酸锌、4#：酚类化合物、5#：含铁离子络合物）对钻井液中硫化氢去除效果的影响，其中除硫剂的加量均为 2%，硫化氢的质量浓度均为 2 000 mg/L，实验结果见图 1。图 1 不同类型除硫剂对硫化氢的去除效果 由图 1 实验结果可以看出，在相同的实验条件下，不同类型除硫剂对硫化氢的去除效果有所不同，其中 1#除硫剂和 4#除硫剂的硫化氢去除率均可以达到 90%以上，去除效果较好。但由于 1#除硫剂加入到钻井液体系中以后会使钻井液的外观明显变黑，影响钻井液的现场使用，而 4#除硫剂则对钻井液体系的外观基本没有影响。因此，推荐 4#除硫剂作为钻井液体系的除硫剂。3.2.2 除硫剂加量对硫化氢去除效果的影响 选择 3.2.1 中优选的性能较好的 4#除硫剂，继续按照 3.1.2 中硫化氢的去除实验方法，评价了 4#除硫剂加量对不同质量浓度硫化氢的去除效果，实验结果见图 2。图 2 除硫剂加量对不同质量浓度硫化氢的去除效果 由图 2 实验结果可以看出，在不同的硫化氢含量下，随着 4#除硫剂加量的不断增大，硫化氢去除率均呈现出先迅速升高，然后逐渐趋于稳定的趋势，当 4#除硫剂的加量达到 2.5%时，其对不同浓度硫化氢的去除率均可以达到 95%以上，去除效果较好。因此，推荐 4#除硫剂的50607080901001#2#3#4#5#硫化氢去除率/%除硫剂类型30405060708090100012345硫化氢去除率/%4#除硫剂加量/%1000mg/L硫化氢2000mg/L硫化氢3000mg/L硫化氢4000mg/L硫化氢工艺与安全 2023 年第 3 期 76 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 最佳加量为 2.5%。3.2.3 除硫剂对钻井液基本性能的影响 除硫剂既要具有良好的硫化氢去除效果，还需要与钻井液体系具有良好的配伍性能，不能对钻井液体系的形成产生不利影响。因此，按照 3.1.2 中除硫剂对钻井液性能的影响实验方法，评价了不同加量的 4#除硫剂对钻井液基本性能的影响，其中高温高压滤失量实验条件为 150 3.5 MPa30 min，实验结果见表 1。表 1 除硫剂对钻井液基本性能的影响 4#除硫剂加量/%AV/mPas PV/mPas YP/Pa FLAPI/mL FLHTHP/mL pH 值 0 46 36 10 1.8 6.7 10.6 0.5 46 36 10 1.6 6.3 10.6 1 45.5 35 10.5 1.9 6.8 10.5 1.5 47 38 9 2.0 7.0 10.5 2 48 38 10 2.0 7.2 10.4 2.5 48.5 39 9.5 2.2 7.6 10.3 3 48.5 38 10.5 2.2 7.8 10.3 4 49 39 10 2.5 8.2 10.2 5 50 39 11 2.7 8.7 10.1 注：其中 AV 为表观黏度，PV 为塑性黏度，YP 为动切力，FLAPI为常温常压滤失量，FLHTHP为高温高压滤失量。由表 1 实验结果可以看出，随着 4#除硫剂在钻井液体系中加量的不断增加，钻井液的表观黏度值、常温常压滤失量和高温高压滤失量均略有增大，但幅度较小，而 pH 值略有减小，同样幅度不大。因此，综合以上实验可以看出，4#除硫剂的加入不仅对钻井液体系的外观影响不大，对其流变性、滤失量和 pH 值的影响同样较小，说明 4#除硫剂与现场用钻井液体系具有良好的配伍性。3.3 硫化氢清除装置研究 在钻井液中加入除硫剂虽然能够有效去除硫化氢气体，但返出地面的钻井液体系中仍不可避免的会残留部分硫化氢气体，为满足相关环保要求，仍须对返出的钻井液进行硫化氢处理。因此，有针对性地研究了适合地面钻井液处理的硫化氢清除实验装置，其主要包括搅拌反应系统、除硫剂注入系统、废物收集系统、清洗和排液系统以及加热系统等。其工作原理主要是将经过四相分离器处理后的钻井液装入搅拌反应釜中，然后通过除硫剂注入系统注入一定浓度的除硫剂，在一定温度条件下搅拌反应以除去溶解在钻井液中的溶解态硫化氢，通过废物收集系统收集废气，再通过清洗和排液系统对处理后的钻井液进行回收，全流程操作均在密闭环境中进行。硫化氢清除实验装置与钻井现场其他实验设备的连接流程见图 3。图 3 硫化氢清除实验装置工作流程图 3.4 硫化氢清除装置的现场应用效果 将优选出的 4#除硫剂和研制的硫化氢清除实验装置在川东北地区某含硫气藏现场钻井过程中进行了成功的应用。以 S-1 井为例，经过硫化氢清除实验装置处理前后现场钻井液中硫化氢的浓度变化情况见图 4。可以看出，现场用钻井液中加入质量浓度为 2.5%的 4#除硫剂，测定井口返出钻井液中硫化氢的浓度仍达到50 mg/m3以上，而经过硫化氢清除实验装置处 2023 年第 3 期 工艺与安全 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 77 理后现场钻井液中硫化氢的浓度可以降低至5 mg/m3以下，能够达到中国石油天然气集团公司企业标准含硫油气井钻井操作规程（Q/CNPC1152006）中安全钻井的要求。图 4 硫化氢清除装置处理前后钻井液中硫化氢的浓度 4 结论（1）目标含硫气藏钻井过程中硫化氢的来源主要包括地层自身中的硫化氢、硫酸盐还原菌代谢产生的硫化氢和钻井液处理剂在地层条件下分解产生的硫化氢。硫化氢的存在可能会对现场施工人员、周边环境、钻井管柱、设备以及钻井液体系产生不利的影响，影响钻井施工的效率。（2）优选的 4#除硫剂不仅能够高效的去除钻井液体系中的硫化氢气体，还不会对钻井液的外观和基本性能产生影响，当其质量浓度为 2.5%时，硫化氢的去除率可以达到 95%以上，能够满足目标含硫气藏钻井施工的要求。硫化氢清除实验装置能够有效清除井口返出钻井液中残留的溶解态硫化氢，使钻井液安全回收利用。（3）现场应用结果表明，S-1 井井口返出钻井液经过硫化氢清除实验装置处理后，硫化氢的浓度可以降低至 5 mg/m3以下，处理效果较好，达到了中国石油天然气集团公司标准 含硫油气井钻井操作规程（Q/CNPC 115 2006）中安全钻井的要求。参考文献 1 鲁小辉.中国石化高含硫气田集输管道完整性管理标准体系建设现状及展望J.安全、健康和环境,2022,22(6):1-7.2 翁帮华,饶维,陈辉,等.高含硫气田开发安全防护距离探讨J.天然气工业,2016,36(10):143-148.3 高树生,高甜.含硫天然气井开发及生产过程中硫化氢防护J.化工安全与环境,2019,32(36):15-16+20.4 吴何.浅析含硫化氢地质环境对钻井作业的影响J.四川地质学报,2009,29(3):320-323.5 石启良.渤南-罗家地区含硫化氢井钻井难点与对策J.内蒙古石油化工,2010,36(11):58-60.6 李锋,谢日彬.油田硫化氢危害及治理J.化工安全与环境,2010,23(8):19-20+23.7 刘天永,余广兴.胜利罗家油田高含 H2S 探井钻井技术J.西部探矿工程,2011,23(8):61-63.8 万立夫,李根生,田守嶒,等.钻井过程中硫化氢侵入井筒后的赋存状态研究J.石油钻探技术,2013,41(6):29-33.9 曹广胜,王大業,杨婷媛,等.榆树林油田硫化氢产生原因与防护措施实验研究J.化学工程师,2020,34(8):38-43.10 杨德朋,侯光宗,林杰,等.SW 潜山油气藏勘探开发一体化初期除硫化氢措施研究J.化工安全与环境,2018,31(40):23-24.11 陈科旭,李晓刚,刘先明.钻井液硫化氢清除装置在双探 3 井的试验与认识J.钻采工艺,2019,42(6):87-89+97+6.12 叶艳,王书琪,卢虎,等.钻井完井液用 H2S 祛除剂研究J.钻采工艺,2010,33(5):108-110+142.13 周浩,任英.钻井液中 H2S 综合处理技术研究J.钻采工艺,2009,32(6):129-131.14 张洁,李树刚.钻井液中硫化氢吸收剂 PCC 的研究J.天然气勘探与开发,2009,32(1):54-56+83.010203040506012345678910硫化氢浓度/mg/m3时间/h处理前处理后