井場硫化氫檢測系統(tǒng)的研制

摘 要

摘要：目前井場常用的硫化氫傳感器有固定式和便攜式兩大類，它們被重點安裝在井口、鉆臺、振動篩、泥漿池、脫氣器等處，其共同的特點是只檢測大氣中的硫化氫含量，而且這些傳感器參
摘要：目前井場常用的硫化氫傳感器有固定式和便攜式兩大類，它們被重點安裝在井口、鉆臺、振動篩、泥漿池、脫氣器等處，其共同的特點是只檢測大氣中的硫化氫含量，而且這些傳感器參數各異，尤其是反映傳感器重要特征的參數——延遲時間也不盡相同，使得某些井場硫化氫監(jiān)測起不到應有的作用。為此，對井場硫化氫傳感器進行了優(yōu)選，尤其是選用泥漿中硫離子的檢測方法，突破了以往只檢測大氣硫化氫含量的單一方法，主要展開了對硫化氫監(jiān)測傳感器的選型、硫離子(S2-)傳感器的選用、硫化氫采集處理系統(tǒng)研制等方面的研究。應用結果表明：①為分析硫化氫進入井筒后的反應，增加了喇叭口泥漿內測量傳感器，保證第一時間最大限度的發(fā)現(xiàn)硫化氫溢出；②在充分考慮傳感器結構和風向的影響后，優(yōu)選了大氣環(huán)境下硫化氫傳感器；③硫化氫采集處理系統(tǒng)利用先進的計算機技術，不僅實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和數據信息的傳輸，還能自動報警并啟用噴淋裝置，達到迅速消減硫化氫含量的目的，為安全生產提供了保障。
關鍵詞：硫化氫；傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)；大氣硫化氫含量；硫離子檢測；自動報警；噴淋裝置；泵吸式多向測量
    近些年我國相繼在四川、新疆、陜北以及南海等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多個大氣田，而其中相當部分具有H2S等有毒氣體含量高的特點。高含硫氣田一旦發(fā)生事故則有可能造成巨大的人員傷亡和財產損失[1～3]。
    現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，目前的硫化氫檢測存在不少問題，例如渤海某口井上曾發(fā)生過硫化氫傳感器沒有報警而現(xiàn)場人員聞到氣味的現(xiàn)象。通過分析重大安全事故案例發(fā)現(xiàn)，硫化氫監(jiān)測及相應的預防應急體系缺乏是制約我國高含硫氣井安全開發(fā)的主要瓶頸之一。因此，開展高含硫氣井硫化氫監(jiān)測，建立起預防、應急救援體系，是當前油氣開發(fā)形勢的迫切要求。本文對井場硫化氫傳感器進行了優(yōu)選，尤其是選用泥漿中硫離子的檢測方法，突破了以往只檢測大氣硫化氫含量的單一方法；研制了綜合分析能力強、實時性好的硫化氫監(jiān)測的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能進行數據采集處理，也能自動啟動消減硫化氫氣體的噴淋裝置。這對于預防和杜絕高含硫氣田開發(fā)重大特大事故的發(fā)生，提升我國鉆完井安全技術水平，獲得更好的經濟效益和社會效益都具有重要意義。
1 目前井場硫化氫監(jiān)測情況
    目前井場常用的硫化氫傳感器有固定式和便攜式兩大類，均采取在空氣中檢測硫化氫的方法[4]，這些傳感器被重點安裝在井口、鉆臺、振動篩、泥漿池、脫氣器等處。調研發(fā)現(xiàn)，目前各個油田、各個井場使用的硫化氫傳感器型號繁多，有國產的、有進口的，它們共同的特點是只檢測大氣中的硫化氫含量，而且這些傳感器參數各異，尤其是反映傳感器重要特征的參數一延遲時間也不盡相同，使得某些井場硫化氫監(jiān)測起不到應有的作用。
1.1 硫化氫傳感器結構
井場常用的硫化氫傳感器放置高度為0.2～0.5m，探頭朝下，下部一層薄的透氣膜成為外界硫化氫進入測量單元的通道。傳感器檢測主要是靠硫化氫在底部堆積、擴散進入到傳感器探測面，實際上空氣平均分子量29，硫化氫的是34，硫化氫密度比空氣的稍重一點，相差并不大，造成泄漏出來的硫化氫不會很快就沉積在底部，而是需要一定的時間慢慢在底部堆積，通過自然擴散到傳感器底部。因此即使在無風的理想情況下，目前現(xiàn)場用的硫化氫傳感器也不能很快檢測泄漏出來的硫化氫(圖1)。而當有風時，風向和風速會使硫化氫擴散不容易沉積下來，因而不能通過探頭的透氣膜進入內部，從而造成硫化氫的檢測不準甚至檢測不出硫化氫(圖2)。
 

1.2 硫化氫測量報警
   井場目前安裝的硫化氫傳感器大多屬于電化學類型[5]且?guī)缶崾?，但監(jiān)測報警內容比較單一，一般只向井場發(fā)出“有硫化氫出現(xiàn)”的信息，沒有發(fā)出現(xiàn)有井場硫化氫危害程度及變化情況的內容[6]。這種方式顯示的只是各個獨立測量點的硫化氫情況，而沒有測點數據之間至關重要的橫向關聯(lián)相關性分析。由于每個傳感器只能反應當前硫化氫數據，丟失了紀錄該測點硫化氫變化的歷史數據，使得數據的延續(xù)性被切斷，不利于數據的縱向分析和預先警報提示。
   事實證明，單一的報警不能滿足井場預防措施制訂和實施的需要，不能保證防患于未然。因此必須對現(xiàn)行硫化氫監(jiān)測加以改進和提高。
2 井場硫化氫檢測傳感器選型
綜合前面分析，井場傳感器優(yōu)選、實時檢測系統(tǒng)研制以及建立后續(xù)消減噴淋系統(tǒng)成為井場H2S監(jiān)測的當務之急。
2.1 泥漿環(huán)境硫離子的測量
   常規(guī)鉆井液的pH值一般控制在弱堿性(8～11)范圍，因為在這個pH值范圍內，鉆井液中的黏土有適當的分散性，鉆井液處理劑有足夠的溶解性，對Ca2+、Mg2+在鉆井液中的濃度有一定的抑制性，鉆井液對鉆具有較低的腐蝕性。在鉆井液中使用的pH抑制劑常有以下幾種：NaOH、KOH、Na2C03、NaHC03。其中實際應用中最常用的是NaOH。
    H2S是溶于水的二元酸，在水溶液中，H2S的酸性表現(xiàn)形式體現(xiàn)在下面的兩個電離平衡中[7]：
 
    主要存在H2S、HS-、S2-3種形式。鉆井液pH值升高，S2占的比例就相應變大，同時如果硫化氫跟強堿相比量很少，主要形成的也是S2-形式，因此初次進入井筒的硫化氫主要形成的是S2-形式。在普光氣田鉆井液的pH值一般介于9.5～10.5，故可以通過測量喇叭口處泥漿里的含S2-的情況，結合大氣環(huán)境的硫化氫監(jiān)測值，對井場硫化氫情況進確定，尤其對剛剛進入井筒的硫化氫，這種測量克服了目前井場只測大氣中硫化氫的缺點。目前國內已有成熟的S2-在線實時監(jiān)測傳感器(圖3)。
 

2.2 大氣環(huán)境下井場硫化氫傳感器選型
    從對井場硫化氫檢測傳感器的調研結果知道，目前井場常用的硫化氫傳感器檢測膜都凹進去的，四周的硫化氫并不容易進入檢測膜，它主要是靠硫化氫在傳感器下部堆積到一定程度后才進入到傳感器探測面，而在有風的環(huán)境，這種檢測形式會造成測量數據不準甚至測量不出有硫化氫，容易貽誤大好時機。圖4所示的是現(xiàn)場應用最多的國外生產的硫化氫傳感器。
 

    研究認為，最好選擇膜片四周都有透氣膜或透氣孔的傳感器，這樣即使在無風的情況下周邊的硫化氫也容易進入測量探頭，有風的時候效果更好。這種多向測量的改進，很好地保證了測量的及時性，傳感器內部再加上泵吸，效果則更為理想。圖5所示的是目前國內廠家生產的一款四周帶孔的泵吸式硫化氫檢測傳感器。
 

    綜上所述，將改進后帶孔的大氣環(huán)境硫化氫測量與泥漿中S2-測量相結合，進一步提高了井場硫化氫綜合檢測能力，同時也在提升了硫化氫實時測量的靈敏性，在很大程度上為現(xiàn)場的安全生產提供了幫助。
3 硫化氫采集處理系統(tǒng)
    將現(xiàn)場重要區(qū)域，井口、振動篩、除氣器、緩沖罐、泥漿池等位置點布上高靈敏度的硫化氫氣體傳感器[8]，喇叭口和泥漿池泥漿里布置硫離子傳感器(圖6)。

    硫化氫檢測儀將測點信號轉換成電信號，信號經過程控放大、濾波等調整[9]，通過多路轉換開關后進行A/D轉換送入計算機，完成信號的實時采集[10]。
    計算機軟件系統(tǒng)主要針對現(xiàn)場生產數據，基于氣液兩相流理論建立井筒硫化氫侵入速度模型，用CFD軟件建立當前風向和風速下硫化氫易溢出部位的擴散分布模型，結合多測點硫化氫和硫離子的實時測量數據，重點建立各測點之間信號變化的關聯(lián)分析，以及測點的歷史數據和當前數據的概率密度分析甄別，確定當前硫化氫的溢出情況，給出合理建議，并在關鍵時刻發(fā)出報警信號，自動啟動重點區(qū)域噴淋裝置工作，以降低消減漏點位置硫化氫的濃度，保護重點區(qū)域工作人員安全，為安全生產提供保障。檢測系統(tǒng)流程結構如圖7所示。
 

4 結論
    1) 通過分析硫化氫進入井筒后的反應，增加了喇叭口泥漿內S2-測量傳感器，保證第一時間最大限度的發(fā)現(xiàn)硫化氫溢出。
    2) 針對目前現(xiàn)場硫化氫傳感器的情況，在充分考慮傳感器的結構和風向的影響后，優(yōu)選了大氣環(huán)境下泵吸式多向測量硫化氫傳感器。
    3) 硫化氫采集處理系統(tǒng)利用了先進的計算機技術，不僅實現(xiàn)了遠程監(jiān)控和數據信息的傳輸，也能自動報警并啟用噴淋裝置，達到迅速消減硫化氫含量的目的，為安全生產提供了保障。
參考文獻
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(本文作者：隋秀香 李相方 尹邦堂 張興全 中國石油大學石油工程教育部重點實驗室 北京)