硫化氢对钻井液污染情况的室内实验研究.pdf

第 2 6卷 第 2期 2 0 0 9年 3月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I I I NG FI UI D C M PI ETI N F1 UI D VO 1 ． 2 6 NO ． 2 M a r ． 2 0 09 文 章 编 号 1 [ 【 ] 1 - 5 6 2 0 2 0 0 9 0 2 0 0 7 5 0 3 硫化氢对钻 井液污染情况 的室 内实验研究 崔应 中 向兴金 吴彬 周健。 莫成孝。 邓义成。 1 ． 荆 州 市 汉 科 新 技 术 研 究所 ， 湖 北 荆 州 ； 2 ．长江 大 学 石 油 工 程学 院 ； 湖 北 荆 州 ； 3 ． 中海 油 田服 务 股 份有 限公 司 河北 燕 郊 摘 要 针 对 专 门 研 究 硫 化 氢 对钻 井液 污 染 情 况 的实 验 设 施 和 方 法 缺 少 的 问题 ， 建 造 了用 于研 究 硫 化 氢 对 钻 井 流 体 污 橐 隋况 的 硫 化 氢 实验 室 ． 并 建 立 一 套 室 内评 价 方 法 。 经 过 实 际 使 用 ， 硫 化 氢 实 验 室全 方 位 立 雄 的 安 全 措 施 能够保障实验的基本安全． 室 内评 价方法则安全可靠、 准 确便捷 ， 完全能 够满足相关研 究 的需要． 同时通 过硫 化氢 对钻 井液污 染的实验研究． 得 出高 p H值 育利于硫 化氢地 层 的安全钻进 ， 除硫 剂是降低硫 化氢风险 的根 本解决措 施 的结 论 。 关 键 词 钻 井 液 ； 硫 化氢 ； 污 染 ； 压 力 灌 注 法 ； 实 验 室 ； 安 全 中 图分 类 号 TE9 1 0 6 文 献标 识码 A 国 内外 介绍 应 对 硫 化 氢 的 现 场 处 理 措 施 和 效 果 ． 或 者是硫化 氢腐 蚀 和 除硫 剂 等 的 机理 研 究 的 文 献较 多 ， 而介 绍硫 化氧 对 钻 井液 影 响 的室 内研 究 的 文献 则 比较 少 。分析其 原因主要 是缺少 专 门研究硫 化氢 对钻井液 污 染 情况 的实 验设 施 和 方法 。因此 ， 建造 了可研 究酸性 气体对 钻井液 污染情 况 的硫化 氢 实验 室 ． 并设 计 了一 套安 全可靠 、 准确便 捷 的室 内评 价方法 ， 并在此 基础 上进行 了相关 的实验 研究 ， 给 含 硫化 氨地 层 的安 全 钻 进 提 供 了 理 论 支 撑 和 技 术 支 持 ， 同时也 利于进一 步加 深对现 场安 全的认识 。 l 硫 化 氢实验 室 实 验室 主体包 括 操作 室 、 药 品室 和监 控 室 。各 室之 间相互 独立 ， 并 用密封 门隔开 ． 透过 专 门设计 的 观察 窗可 以从 监控 室观察 到操 作 室的情 况 。所 有硫 化 氢实 验都 在操作 室 内进 行 。操 作室主 要设施 有通 风橱 和碱液 吸收池 安 置 在 室外 并通 过 密 封 管道 与 通风橱 排气 系统 相连 。监控 人 员在 监 控 室 对实 验 室安全 和硫化 氢实验进 行实 时监控 。监控 室 内主要 有监控 员 、 硫化 氧报警 器主机 、 呼 吸系统 及配套 气瓶 应急 设备 。 因为 试 验 中用 到 的硫 化 氢 气 体 量 有 限 ， 最终 采取通 风橱 内和碱 液 吸 收池 二 次碱 液 净 化 的方法处 理废气 。 2 硫化 氢污染钻井液的室 内评价 方法 要 在室 内模 拟 现场 硫 化氢 污染 钻 井 液 的情 况 ， 必须解决 安 全与 准 确 问题 。通 过 认 真分 析 和研 究 ， 最 终选 择 了压力灌 注 法 作 为室 内评 价手 段 ， 该 方法 安全可靠 ， 准确便捷 。 压 力灌 注法 的原理 是理想 气体状 态方 程 。在体 积和 温度不 变时 ， 气 体 的物质 的量与 压力成 正 比 ， 即 “一 k p 1 T ， 式 中 ， 是一 V ， 因此通过 调 节灌注压 力 可控 制侵人 工 』 钻 井液 的硫 化氢气 体量 。气体灌 注示 意图 见图 l 。 硫化氢气 ， ’ 谛 l气体 灌 注 不 意 图 如 图 1 所示 。先在老化 罐 内先 倒入 一定量 的钻 井 液 ， 然后 在老 化罐 内灌注硫 化氢气 体 ， 最 后灌 注完 毕 。在整 个过 程 中 ， 可 以认 为 钻井 液 体 积 钻 计 不 变 ， 也就是 老化罐 内剩余 的空 间体积 不 变 。 设老化罐内原有空气和灌注的硫化氢气体的物 质 的量分 别 为 N 和 N硫 。假 设 罐 内有 一 个 虚 拟 隔板 ， 将 空气 与外界 隔绝 开来 ， 通 人硫化 氢气 体达 到压 力平衡 后 ， 罐 内空 气体积 被压缩 且压 力等 于灌 第一作者简介 崔直 中． 工程师 ， 硕士 ． i 9 7 8年 生， 2 0 0 2年毕业于西南石油大学， 一直 从事钻 井液 方面的研究工作。地址 湖北省荆州市 玉桥开发区月堤路 3 9号汉科新技术研究 所； 击 f 政编 码 4 3 4 0 0 0 ； E m a i l my 0 1 g o c l 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 9年 3月 注 的硫 化氢 气体 压 力 。 设 平衡 后 的空 气 体 积 和硫 化 氢 体 积 分 别 为 和 V。 ， 则 有 V． V 一 V余。若将 气 体温 度 设 为 T， 大气 压力 设为 P 一灌 注一 定量 的硫 化 氢 气体 需 要 的 灌 注压力 为 P， 则 灌 注 硫 化 氢气 体 后 的老 化 罐 内气 体 压力 为 P。根据 理 想 气 体 方 程 ， 对 于罐 内原 有 的 空 气灌 注硫 化氢气 体之 前 。 N P 。 V余／ RT ；灌 注硫 化氢气 体之 后 ， N 一P V ／ RT； 对 于灌 注后 老 化罐 内的硫 化 氢气体 有 ， N硫 化 氢一 P V ／ RT， 而 。一 V余， 联 立上 述 3个式子 ， 可 得到灌 注 压力 与硫 化 氢侵 入量之 问 的计 算 关系式 如 。 P P 2 V 余 若 以现 场 常用 的单 位 mg ／ I 来 表 示侵 入钻 井 液 的酸性气 量 ， 设 为 则有 ～ N硫化 M 一 、 ， 式 中 ， M 为硫化 氢气 体 的摩尔质 量 。式 2 则 可变 为 P P 3 硫化氢 灌注 示意 图见 图 2 。 图 2中 的 虚线 箭 头 表示 气体 流 向 硫 化 氢 气 从气 瓶 通 过 管 线 进 入 老 化 罐 ； 灌 注 完 后 ， 关 闭气 瓶 和 老化 罐 上 的 阀 门 ， 再 打 开排气 管汇 上的 阀 门 ， 将 残 余 气 体 排 放 至 碱 液 桶 的 碱水溶 液 进行 第 一次 净 化 ， 然 后 气 体 再 经 通 风 橱 排放 到外边 的碱 液洗 手池 进行 二 次净 化 。整 个灌 注 全程 密 闭操作 ， 安 全简便 ， 输 出量可 通 过 精 密压 力 表 准确 控制 。灌 注 了硫化 氢气 体 的钻 井液 可在 模 拟地 层温度 下 老化 ， 因此可 模拟 现场 情况 进行 相关 研究 。 ．皋 1 2 硫 化 氢 灌 注 示 意 图 3 p H 值 与硫化 氢地层 钻井安全 3 ． 1 溶液 p H值对 硫化 氢含 量的影 响 不 同 p H 值 下水 溶液 中 的硫化氢 含量 见 图 3 ， 誊 46 安 2 ． 0 2 邑 一 4 皿 皿 1 6 ．1 3 p H值 图 3 H S含量的对数随 p H 值变化 由图 3可 以看 出 ， p H 增 加 1个 值 时 ， 硫 化 氢 含 量降低 1 ～2个 数量 级甚 至 2 ～3个数 量级 ； 随着 p H 值 的升高 ， 水溶 液 中的硫 化氢 含量 呈 明 显下 降 趋 势 ， p H 值 为 5 ． 4左 右 时 ， 硫 化 氢 含 量 就 小 于 5 mg ／ I 。 这个 情况 只是考 虑 单一 因素 下 的 硫 化 氢 含量 受 p H 值 的影 响情 况 ， 是 否 高 的 p H 值 就 能 避 免 硫 化 氢 释 放 风 险呢 ， 下面在 钻 井液 中做 进一 步研 究 。 3 ． 2 钻井液高 p H值 与硫化氢释放风险 高 p H 值 有利 于提 高钻 井 液 的抗 酸 性 气 侵污 能 力 ， 但是 维持 钻井 液 高 p H 值 并 不 能保 证 H。 S地 层 钻 井安 全 ， 因为 ， 硫化 氢侵 入钻 井 液后 与 碱 的反 应 产 物 使钻 井液 达 到很 高 的 p H 值 。硫 化 钠 有 很 强 的 水 解能 力 ， 水 解 时 生 成 的 氢 氧 根 离 子 导 致 钻 井 液 p H 值增 大 。钻井 过 程 中 ， 如 单 一 采 用 烧 碱 维 持 钻 井 液 高 p H 值 ， 会 对硫 化氢 产生 侵 污 ， 那 么 反复 污 染 和 反 复调节 p H 值 的极端 情况 见 图 4 。由 图 4看 出 ， 随着 硫化 钠量 的增 加 ， 钻 井 液 p H 值 不 断增 大 甚 至 接 近 1 4。 为 了更好 地 证 明 这 一 点 ， 实 验 室 内通 过硫 化 氢 侵 污到 极 限 有 硫 化 氢 从 钻 井 液 中 释放 出 来 ， 再 用 烧 碱 调节 至高 p H 值 ， 再 用硫 化 氢 污染 到 极 限 ， 再 用 烧 碱 调节 维持 高 p H 值 ， 如 此 反 复测 定 极 限 点 和 维 持 的 p H 值之 间 的变化 情 况来进 行 验证 。 Na 2 S ／ ％ 图 4 硫化钠 加量 对钻井液 p H 值的影响 3 ． 3 漠拟现场维持高 p H值降低硫化氢风险实验 配 制 2份 钻 井 液 ， 分 别 用烧 碱 调 节 p H 值 至 1 1 和 1 2 ， 然后 反复 用硫 化 氢 侵 污 到极 限 和 烧碱 调 节 维 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 2期 崔应 中等 硫 化 氢对钻 井液 污染情 况的 室 内实验研 究 7 7 持 p H 值 。 测 定 系列 极 限点 p H 值 ． 结 果 见 图 5和 图 6 。从 图 5可 以看出 。 p H 值 为 1 1 的钻井 液 的污染极 限点 p H 值最 终趋 向于 1 l 。从图 6可 以看出 ， p H 值 为 1 2的钻井液 的污染 极限点 p H 值最 终趋 向于 1 2 。 编号 图 5 p H值为 1 1 时钻井液 硫化氰污染极限点 p H值的变化 编 号 图 6 p H 伉 为 1 2时钻 井液 硫 化氢 污染极 限点 p H 值的 变化 通 过实验说 明 ， 高 p H 值 钻井 液 不 能完 全保 证 硫 化氧地 层钻井 安全 。现场一 般采 用加 除硫 剂 的方 式将硫 化氢变 为 无害 物 质 ． 常用 的除 硫 剂 是 碱式 碳 酸锌 。其 机理是 碱式碳 酸锌与硫 离 子在 钻井 液 中会 发生 反 应 S 十 Z n 。。 。 一Z n S 0 ． 硫 化 锌 为 难 溶 物 质 ． 加入 碱式碳 酸 锌 会使 化 学 反应 平 衡 一 直 向 右边 移动 H S十 HS S 一 Z n S 。另外 碱式 碳酸 锌 Z n C ．、 2 Z n H H 含 有氢 氧根 。 能 释放 出氢氧 根离子 中和 钻 井液 中的 氢离 子 。 由此 看 出 ， 除硫剂 和烧碱 与硫化 氢的反应 本质上 有很 大差别 。 3 ． 4 烧 碱与除 硫剂对提 高钻 井液硫 化氢吸 收量 的 作用效 果对 比 l『解钻井液 对 硫 化 氧污 染 的 容 纳极 限情 况 ， 有 助于更好 地保 障钻井安 全 。下 面通 过加 人烧 碱 与除 硫剂的 几份钻井 液的最 大硫 化氢 吸收量 的 对 比来 考 察烧 碱 和除硫剂 对提高 钻井液抗 硫 化 氢污染 能 力 的 作用效 果 。配制 6份 钻 井液 ． 然后 分 别 测 定 钻井 液 p H值随硫化氧侵入量增加的变化情况 ， 并计算达到 极 限时 的硫 化氢 侵入量 也就是各 钻 井液 的最 大硫 化 氢吸收量 ． 见网 7 。由 图 7可 以看 出 ． 随着 硫 化 氢侵 污量 的增 加 ， p H 值呈 现下 降趋势 。以钻井 液最 大吸 收量 为 2 8 9 1 rag ／ I 为基准 ， 其 他各 钻井液 的硫化 氢 最大 吸收量 之 对 比的实验测 定结 果见表 1 。 o l O 0 0 2 0 0 0 3 0 o o 4 0 0 0 灌注硫化氢量／ mg ／ L 1 注 2 为钻井液用烧碱调节 p H值到 1 0 ； 3 为钻井液用烧 碱调节 p H值到 1 1 ； 4 为钻井液用储备碱 S P H调节 p H值到 1 0 ； 5 为钻井液用烧碱调节 p H值到 1 ． 加 0 ． 2 ％碱式碳 酸锌 ， 6 为钻井液用烧碱调节 p H值到 l o ． 加 0 ． 2 液体除硫剂 图 7 硫化氢侵污量与钻井液 p H 值的天系 表 1 钻 井 液 的最 大硫 化 氢 吸收 量 注 Q 为 H S最 大 吸 收量 ． △ Q 为 H S u 及收 量 增 加 量 。 从 表 l可 以看 出 ， p H 值越 高 也就 是碱 量 越 多 ， 钻井 液的硫 化氢 污 染极 限量 越 大 ； 加 入 除硫 剂 后 能 明显提 高钻井 液 的 硫 化氢 容 纳 量 ； 因 为储 备 碱 为 弱 碱 ， 能 释放更 多的 氢氧根离 子 ， 所 以相对烧 碱 能 中和 更多 的硫 化 氢 。2种 除 硫 剂 的对 比情 况 表 明 ， 碱式 碳 酸锌 的除硫 效果 相对更 好 。实 验说 明 ， 维持 高 p H 值和加 入 除硫剂 都 能 提 高钻 井 液 的硫 化 氧 吸 收量 ． 使用储 备碱 和选用 高效 的除硫剂 都 能进一 步增 强 钻 井液 的抗 硫 化氢污 染能力 。 4 结 论 1 ．建造 的硫 化氧 实验 室 ， 为 酸性 气尤 其 是 硫化 氢 对钻 井液污 染的 研究提 供 了可靠 的基础 条件 。 2 ．设计 出安全、 可靠、 准确并能模拟 现场酸性 气污染 条件 的室 内评 价实 验方法 ～ 压力灌 注法 。 3 ．认 为维持 较多 的碱量或 较高 的 p H 值有利 于 提 高钻井 液抗 硫 化 氢侵 污 能 力 ， 使用 高 效 的 除 硫剂 可 从根本 上 降低 硫化 氢带 来的风 险 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m