塔中高含硫碳酸鹽巖儲層密閉循環(huán)安全鉆井技術(shù)

摘 要

摘要：塔里木盆地塔中高含硫碳酸鹽巖儲層鉆井主要難點(diǎn)為：儲層壓力敏感、H2S含量高，導(dǎo)致采用常規(guī)欠平衡鉆井技術(shù)風(fēng)險很大，而利用密閉循環(huán)鉆井技術(shù)則可以有效降低鉆井風(fēng)險。通過分
摘要：塔里木盆地塔中高含硫碳酸鹽巖儲層鉆井主要難點(diǎn)為：儲層壓力敏感、H2S含量高，導(dǎo)致采用常規(guī)欠平衡鉆井技術(shù)風(fēng)險很大，而利用密閉循環(huán)鉆井技術(shù)則可以有效降低鉆井風(fēng)險。通過分析國外密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成，針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的特點(diǎn)，充分考慮國內(nèi)現(xiàn)有裝備水平，提出了使用氣液二相分離器加密閉振動篩替代四相分離器的實(shí)用化密閉循環(huán)系統(tǒng)方案。在此基礎(chǔ)上，完成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的密閉振動篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行了高含硫天然氣燃燒排放對大氣環(huán)境的影響實(shí)驗(yàn)和氨洗脫硫效果實(shí)驗(yàn)，對實(shí)用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案進(jìn)行了充分的論證。研究表明：破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲層面臨的鉆井難題最合適的技術(shù)就是密閉循環(huán)鉆井技術(shù)；實(shí)用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)是密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的關(guān)鍵裝備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了實(shí)用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案具有很好的針對性和適用性。該成果對于高效勘探開發(fā)塔中高含硫碳酸鹽巖儲層有著重要的意義。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；碳酸鹽巖；儲層；高含硫天然氣；密閉循環(huán)；塔里木盆地
1 問題分析
   塔里木盆地塔中碳酸鹽巖儲層為奧陶系生屑石灰?guī)r段，巖性以石灰?guī)r、顆粒石灰?guī)r為主，鉆井過程中的主要難點(diǎn)為：裂縫、孔洞型儲層，地層壓力敏感，井筒壓力難以控制，溢流、漏失往往同時發(fā)生，再加上H2S含量高，安全形勢十分嚴(yán)峻。在塔中1號坡折帶的已鉆井，如塔中823井、塔中821井、塔中83井、塔中72井、塔中721井等，下奧陶統(tǒng)縫洞發(fā)育，在地震剖面上存在串珠狀反射，在鉆進(jìn)過程中都出現(xiàn)過又噴又漏，H2S含量高的情況。為了規(guī)避H2S的危害，只能采取過平衡鉆進(jìn)，造成鉆井液的大量漏失，不但加大了鉆井成本，同時也對儲層造成了很大的傷害。如何破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲層面臨的鉆井難題，需要在技術(shù)層面上進(jìn)行創(chuàng)新。
    要根本解決塔中高含硫碳酸鹽巖儲層鉆井的難題，比較合適的技術(shù)是欠平衡鉆井，但由于H2S含量高，常規(guī)欠平衡鉆井技術(shù)風(fēng)險很大。據(jù)初步調(diào)研，國外在高含硫油氣田開展欠平衡鉆井已有先例，如加拿大在含H2S20%的條件下采用密閉循環(huán)鉆井技術(shù)，取得了很好的效果[1]。
密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的關(guān)鍵是采用了密閉循環(huán)系統(tǒng)。密閉循環(huán)系統(tǒng)的主要功能有：①循環(huán)系統(tǒng)全部密閉，防止高含硫氣體泄漏；②進(jìn)行氨洗脫硫處理，將高含硫氣體脫硫后燃燒排放。因此，密閉循環(huán)系統(tǒng)能保證人員安全和達(dá)到環(huán)保要求(圖1)。
 

    四相分離器是密閉循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。四相分離器的作用是：將井內(nèi)返出的巖屑、鉆井液、原油以及氣體進(jìn)行分離。由于分離過程處于密閉狀態(tài)，可以避免發(fā)生H2S泄漏等意外事故的發(fā)生。性能可靠的四相分離器是保證整套密閉循環(huán)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。由于國內(nèi)目前還未完全掌握四相分離器制造的關(guān)鍵技術(shù)，因而嚴(yán)重制約了密閉循環(huán)鉆井技術(shù)裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程。
    氨洗脫硫裝置也是密閉循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。由于氨洗脫硫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，價格昂貴，使用、維護(hù)成本高等原因，也嚴(yán)重制約了密閉循環(huán)鉆井技術(shù)的推廣應(yīng)用。
    對于上述問題，需要針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的具體情況，采用如下的技術(shù)思路加以解決：設(shè)計一種密閉振動篩，用于替代四相分離器；進(jìn)行高含硫氣體的氨洗脫硫、燃燒排放實(shí)驗(yàn)，為決定是否使用氨洗脫硫裝置進(jìn)行評價。
2 密閉振動篩
    根據(jù)上述方案，完成了密閉振動篩結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用的技術(shù)方案是：將振動篩置入一個密閉的金屬殼體內(nèi)，殼體置于橇座上，不但能防止H2S外泄，同時也便于吊裝和運(yùn)輸；殼體內(nèi)設(shè)置巖屑收集槽和螺旋排屑機(jī)構(gòu)、集液槽和液位檢測儀，便于及時排屑、排液；排屑電機(jī)和排液鉆井液泵、電控箱安裝在殼體外，避免在高濃度H2S氣體環(huán)境下發(fā)生燃爆；殼體上部設(shè)置通氣法蘭，便于連接抽氣設(shè)備排出殼體內(nèi)高濃度的H2S氣體。
密閉振動篩可以在高含硫油氣田鉆井作業(yè)中替代常規(guī)振動篩，能有效地防止H2S外泄，確保人員的安全，避免環(huán)境污染。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 

3 燃燒排放實(shí)驗(yàn)
    從分離器分離出來的高含硫氣體，如果直接排放到大氣中會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，需要進(jìn)行燃燒排放處理。但是現(xiàn)有的資料和現(xiàn)場情況表明，燃燒排放處理難以保證實(shí)現(xiàn)有毒有害氣體的零排放，對環(huán)境仍會造成污染。為了搞清楚高含硫天然氣燃燒排放后的大氣環(huán)境情況，分別在羅家X井和羅家XX井利用試井過程進(jìn)行了燃燒排放實(shí)驗(yàn)。其中，羅家XX井(H2S含量為133.37g/m3)燃燒排放時環(huán)境空氣中S02和H2S測定結(jié)果如圖3所示。
 

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①根據(jù)GB 3095—1996中的2級標(biāo)準(zhǔn)，在居住區(qū)大氣環(huán)境中，有害物質(zhì)最高允許濃度值：H2S為0.01mg/m3；S02為0.5mg/m3。顯然，對于高含硫天然氣，通過燃燒排放，S02和H2S對居住區(qū)大氣環(huán)境的影響超過國家標(biāo)準(zhǔn)。②根據(jù)SY/T 6137—2005中的規(guī)定，在施工作業(yè)區(qū)大氣環(huán)境中，有害物質(zhì)最高允許濃度值：H2S為15mg/m3；SO2為5.4mg/m3。顯然，對于高含硫天然氣，通過燃燒排放，SO2和H2S對施工作業(yè)區(qū)大氣環(huán)境的影響遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。③如果鉆井作業(yè)靠近居住區(qū)，則在燃燒排放前需要進(jìn)行氨洗脫硫處理；如果鉆井作業(yè)遠(yuǎn)離居住區(qū)，則可以直接燃燒排放。
4 氨洗脫硫?qū)嶒?yàn)
    通過實(shí)驗(yàn)測試氨洗脫硫前后高含硫天然氣中硫化氫濃度的變化，可以評價高含硫天然氣氨洗脫硫效果。表1為幾種脫硫溶劑對高含硫天然氣的脫硫?qū)嶒?yàn)效果。
 
   實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①氨洗脫硫能夠大幅度地降低高含硫氣體中的H2S含量；②溶劑中，A3脫硫效果最好；③氨洗脫硫裝置過于復(fù)雜，適合在對環(huán)境要求較高的地區(qū)使用。
5 實(shí)用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案
   針對塔中碳酸鹽巖儲層主要為氣藏，沒有油相分離需求；氣田地處荒漠地區(qū)，含硫天然氣通過燃燒排放后對大氣環(huán)境的影響不大的特點(diǎn)，可以考慮如下實(shí)用化方案：使用氣液二相分離器加密閉振動篩替代四相分離器。先利用氣液二相分離器將高含硫氣體分離出來，直接進(jìn)行燃燒排放；然后利用密閉振動篩將巖屑分離出來，鉆井液可重新循環(huán)使用。
    實(shí)用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案見圖4。
 

   在實(shí)用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案中，所有設(shè)備采用密閉式，避免了含硫氣體與大氣相通。無需進(jìn)行氨洗脫硫處理，減少了氨洗脫硫設(shè)備，直接將分離器分離出的含硫氣體點(diǎn)火處理，并使用風(fēng)扇將殘余的含微量的有害氣體強(qiáng)制吹散。這樣，使系統(tǒng)得以簡化，還能保證人員安全和達(dá)到環(huán)保的要求。
6 結(jié)論
    1) 針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的具體情況，破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲層面臨的鉆井難題，最合適的技術(shù)可能是密閉循環(huán)鉆井技術(shù)。
    2) 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的密閉振動篩可以在高含硫油氣田鉆井作業(yè)中替代常規(guī)振動篩，能有效地防止H2S外泄，確保人員安全，避免環(huán)境污染。
    3) 如果鉆井作業(yè)靠近居住區(qū)，則在燃燒排放前需要進(jìn)行氨洗脫硫處理；如果鉆井作業(yè)遠(yuǎn)離居住區(qū)，則可以直接燃燒排放。
    4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氨洗脫硫能夠大幅度地降低高含硫氣體中的H2S含量。氨洗脫硫裝置過于復(fù)雜，適合在對環(huán)境要求較高的地區(qū)使用。
    5) 針對塔中高含硫碳酸鹽巖儲層的具體情況，可以考慮使用氣液二相分離器加密閉振動篩替代四相分離器的實(shí)用化方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 李俊榮，左柯慶，劉祥康，等.含硫油氣田硫化氫防護(hù)系列標(biāo)準(zhǔn)宣貫教材[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.
[2] 周英操.欠平衡鉆井技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003.
[3] 董培林，曹學(xué)文.高效四相分離器研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2002，30(9)：25-27.
[4] 任翔，曾禮賓，劉小瑋.鉆井用四相分離器應(yīng)用范圍的初步探討[J].鉆采工藝，2006，29(6)：92-94.
[5] 吳慶善，錢新明，郭再富.含硫氣井定量風(fēng)險分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討[J].天然氣工業(yè)，2009，29(11)：109-111.
[6] 張洪生，宋振清，石曉兵.準(zhǔn)噶爾盆地八區(qū)調(diào)整井高效安全鉆井技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2005，25(7)：56-58.
 
(本文作者：劉繪新1 查磊1 王書琪2 康延軍2 劉會良2 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)；2.中國石油塔里木油田公司)