陳科旭， 李曉剛, 劉先明

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工藝技術(shù)研究院 2中石油集團公司欠平衡及氣體鉆井試驗基地 3中石油川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司)

鉆井液硫化氫清除裝置(清除裝置)是密閉系統(tǒng)中的核心裝備，該系統(tǒng)主要是針對在含硫地層及環(huán)境敏感地區(qū)對鉆井液進行密閉循環(huán)處理的系列配套裝備，是可以避免人員與環(huán)境傷害的新的安全環(huán)保鉆井技術(shù)裝備。密閉系統(tǒng)主要包括四相分離器、密閉取樣裝置、鉆井液硫化氫清除裝置等地面裝備[1-4]。清除裝置的主要作用是對經(jīng)過四相分離器初級液氣分離后的鉆井液中仍然殘留的硫化氫進行有效處理(如圖1所示)，滿足環(huán)境適應(yīng)性的需求。目前國外加拿大能源保護局(ERCB)制訂了相應(yīng)的行業(yè)推薦作法ARP-ID94(現(xiàn)已修訂為IRP-Volume 6-2004)以指導(dǎo)密閉系統(tǒng)的設(shè)計和作業(yè)[5-7]。而國內(nèi)的欠平衡鉆井操作規(guī)程規(guī)定硫化氫含量大于75 mg/m3時就不能應(yīng)用欠平衡鉆井技術(shù)[8]，因此國內(nèi)還未見該類裝備的研制與應(yīng)用的報道。

一、 硫化氫清除裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

清除裝置主要由包括主分離器、真空系統(tǒng)、排液系統(tǒng)、除硫劑注入系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)以及集中監(jiān)控系統(tǒng)等幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。主分離器為鉆井液中硫化氫的主要分離空間;真空系統(tǒng)用于使主分離器內(nèi)保持在穩(wěn)定的真空壓力范圍。排液系統(tǒng)能夠?qū)⒎蛛x處理后的鉆井液排除至固控系統(tǒng)，同時兼具冷卻鉆井液的作用；除硫劑注入系統(tǒng)用于自動向鉆井液中注入除硫劑，清除溶解態(tài)的硫化氫;清洗系統(tǒng)能夠在設(shè)備運行完成后進行自動清洗;清除裝置的各系統(tǒng)中均安裝有各類傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，并通過集中監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)測與控制。通過三維設(shè)計軟件對裝置進行了總體模型結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。

圖1 密閉系統(tǒng)鉆井液處理流程

圖2 硫化氫清除裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖3 清除裝置三維機構(gòu)設(shè)計圖

密閉系統(tǒng)中的四相分離器能夠分離鉆井液中以大氣泡形態(tài)存在的硫化氫，由于四相分離器具有一定壓力，鉆井液中還殘留著微小氣泡形態(tài)的硫化氫。清除裝置能夠?qū)λ南喾蛛x器處理后的鉆井液進行二次降壓分離。主要采用真空抽吸、機械多重擾流以及物理增溫的方法清除鉆井液中大量殘留的微小氣泡游離形態(tài)的硫化氫。同時通過除硫劑注入系統(tǒng)清除溶解態(tài)的硫化氫。分離后的鉆井液通過排液系統(tǒng)的冷卻機構(gòu)降低溫度，進而降低硫化氫的溶解度，并直接排入固控系統(tǒng)、泥漿罐，最后通過泥漿泵進入井筒參與循環(huán)，滿足安全鉆井的需要，實現(xiàn)密閉循環(huán)系統(tǒng)的功能。清除裝置能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)鉆井液液位、流量、溫度、壓力、密度、pH值以及硫化氫濃度等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測采集與信號傳輸，并能夠通過反饋數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動閉環(huán)控制運行。

二、現(xiàn)場應(yīng)用

由于清除裝置主要是應(yīng)用于含硫地層欠平衡鉆井工藝，現(xiàn)階段沒有可以適用于裝置進行含硫地層鉆井現(xiàn)場的試驗條件。因此結(jié)合本裝置應(yīng)用特點，將現(xiàn)場試驗布置于雙探3井的棲霞組(7 443～7 488 m)二次完井返排液測試作業(yè)時進行，棲霞組測試時現(xiàn)場氣樣分析測硫化氫含量為5.67 g/m3。裝置連接如圖4。

圖4 硫化氫清除裝置現(xiàn)場試驗設(shè)備連接示意圖

三、功能性試驗

1. 液位控制試驗

由于鉆井過程中需對井口溢流進行實時監(jiān)測，而清除裝置的體積較大，設(shè)備在運行過程中需實時對分離罐體內(nèi)的液體總量進行監(jiān)測,這就要求罐體內(nèi)的液面具有較高的穩(wěn)定性。本裝置設(shè)計了液面穩(wěn)定機構(gòu)，并結(jié)合精確的液面計量儀器與變頻系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)液位的穩(wěn)定控制與準(zhǔn)確計量。在本井次的試驗過程中，進液流量在8.3～86.7 m3/h范圍內(nèi)變化較大，分離器罐內(nèi)液面通過PID變頻控制技術(shù)，考慮到液位變化的滯后性，設(shè)置液位控制比例增益參數(shù)為2，積分時間設(shè)置為40 s，微分時間設(shè)置為10 s，設(shè)置目標(biāo)液位1 200 mm。試驗期間在進行液位控制時，液面有一定的波動，液位維持在1 169～1 220 mm范圍內(nèi)，液位控制系統(tǒng)能夠按預(yù)設(shè)定液面進行自動控制，罐內(nèi)液面與流量變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖5所示。

2. 壓力控制試驗

試驗期間，真空系統(tǒng)排氣量變化范圍為1.5～16.1 m3/h，通過PID變頻控制技術(shù)，設(shè)置真空度比例增益參數(shù)為4，積分時間設(shè)置為20 s，微分時間設(shè)置為15 s，設(shè)置目標(biāo)真空度為-35 kPa。試驗過程中真空度維持在-30.2～38.4 kPa之間。壓力控制系統(tǒng)能夠按預(yù)設(shè)定真空度進行自動控制，分離器罐內(nèi)壓力與氣體流量變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖6所示。

圖5 液位控制變化數(shù)據(jù)

圖6 壓力控制變化數(shù)據(jù)

四、硫化氫分離效果試驗

1. 試驗前硫化氫監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

試驗前采集經(jīng)測試分離器分離后的液體在污水池大氣中揮發(fā)的硫化氫濃度，監(jiān)測試驗前20 min硫化氫濃度,數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖7所示，其平均濃度為105.82 mg/m3，最高濃度126.30 mg/m3。

2. 試驗中硫化氫監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

設(shè)定負(fù)壓-35 kPa，液位按設(shè)定值1 200 mm自動控制，采集測試經(jīng)過硫化氫清除裝置分離后的液體在污水池處大氣中揮發(fā)的硫化氫濃度。試驗時每10 min進行數(shù)據(jù)采集一次，硫化氫濃度數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖8統(tǒng)計所示。從圖可以看出，采用硫化氫清除裝置進行處理后的液體中硫化氫揮發(fā)濃度小于7.5 mg/m3，滿足安全的排放要求。

圖7 試驗前20min排液口硫化氫濃度數(shù)據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計

圖8 試驗時每10 min排液口硫化氫濃度數(shù)據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計

3. 液體密度變化數(shù)據(jù)分析

通過監(jiān)控系統(tǒng)分別監(jiān)測液體在進入分離罐體時與在排出分離罐外前的密度值，采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖9所示。從圖中可以看出，排出分離罐的液體密度與進入分離罐的液體密度相比有一定的增加，但由于液體處理量較小，因此密度增加值較低，平均增加值約為0.01g/cm3。

圖9 硫化氫清除裝置液體處理前后密度變化情況

4. 液體pH值變化數(shù)據(jù)分析

通過監(jiān)控系統(tǒng)pH在線監(jiān)測儀分別實時監(jiān)測液體在進入分離罐體時與在排出分離罐外前的pH值，采集數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖10所示。試驗前，現(xiàn)場在井內(nèi)注入了15%濃度的HCl。從圖中可以看出，由于井內(nèi)返出液具有殘酸，進入分離罐的液體pH值較低，排出分離罐的液體pH值與進入分離罐的液體pH值相比只有小幅度的增加，當(dāng)處理前的pH值低于5時，增加比較明顯，但因除硫劑注入總量有限，試驗期間排出液體pH總體平均增加值約為2.8。試驗期間，試驗井井隊錄井監(jiān)測排除液中的殘酸濃度約為0.2%，與試驗數(shù)據(jù)較為吻合。

圖10 硫化氫清除裝置液體處理前后pH值變化情況

五、結(jié)論與認(rèn)識

(1)通過現(xiàn)場試驗驗證了硫化氫清除裝置整體系統(tǒng)工作運行安全可靠，滿足酸性含硫工況條件的技術(shù)要求。實現(xiàn)了一鍵啟停的自動化控制技術(shù)。并能實時監(jiān)測液體的流量、溫度、壓力、密度、pH值以及硫化氫濃度數(shù)據(jù)。能夠進行液位、壓力的PID自動控制與液量的準(zhǔn)確計量。試驗期間，監(jiān)測液體排出口處硫化氫揮發(fā)濃度由試驗前的平均值105.82 mg/m3(最高值達到126.3 mg/m3)降低到小于7.5 mg/m3，滿足安全環(huán)保的排放要求。裝置應(yīng)用效果良好，達到了預(yù)期目標(biāo)。

(2)目前國外美國威德福以及加拿大能源等公司已有數(shù)百口井的密閉欠平衡鉆井系統(tǒng)裝備與技術(shù)的應(yīng)用案例。而國內(nèi)由于標(biāo)準(zhǔn)的限制，在鉆井過程中如遇硫化氫，則欠平衡鉆井必須終止。本文研制的鉆井液硫化氫清除裝置，完善了鉆井液密閉循環(huán)系統(tǒng)裝備，將對欠平衡鉆井在含硫地層的應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。

(3)由于本次應(yīng)用是在雙探3井的返排液測試階段進行，雖然不能完全代表鉆井時的含硫鉆井液處理工藝,但通過現(xiàn)場試驗，能夠為裝置達到在含硫地層進行欠平衡鉆井作業(yè)的應(yīng)用要求提供改進和完善的方向，為后續(xù)的研究工作提供了可靠依據(jù)。