井場(chǎng)硫化氫檢測(cè)系統(tǒng)的研制

摘 要

摘要：目前井場(chǎng)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(diǎn)安裝在井口、鉆臺(tái)、振動(dòng)篩、泥漿池、脫氣器等處，其共同的特點(diǎn)是只檢測(cè)大氣中的硫化氫含量，而且這些傳感器參
摘要：目前井場(chǎng)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(diǎn)安裝在井口、鉆臺(tái)、振動(dòng)篩、泥漿池、脫氣器等處，其共同的特點(diǎn)是只檢測(cè)大氣中的硫化氫含量，而且這些傳感器參數(shù)各異，尤其是反映傳感器重要特征的參數(shù)——延遲時(shí)間也不盡相同，使得某些井場(chǎng)硫化氫監(jiān)測(cè)起不到應(yīng)有的作用。為此，對(duì)井場(chǎng)硫化氫傳感器進(jìn)行了優(yōu)選，尤其是選用泥漿中硫離子的檢測(cè)方法，突破了以往只檢測(cè)大氣硫化氫含量的單一方法，主要展開了對(duì)硫化氫監(jiān)測(cè)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(yīng)用結(jié)果表明：①為分析硫化氫進(jìn)入井筒后的反應(yīng)，增加了喇叭口泥漿內(nèi)測(cè)量傳感器，保證第一時(shí)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(jié)構(gòu)和風(fēng)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(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的傳輸，還能自動(dòng)報(bào)警并啟用噴淋裝置，達(dá)到迅速消減硫化氫含量的目的，為安全生產(chǎn)提供了保障。
關(guān)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(cè)；自動(dòng)報(bào)警；噴淋裝置；泵吸式多向測(cè)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(gè)大氣田，而其中相當(dāng)部分具有H2S等有毒氣體含量高的特點(diǎn)。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(cái)產(chǎn)損失[1～3]。
    現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的硫化氫檢測(cè)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(bào)警而現(xiàn)場(chǎng)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(cè)及相應(yīng)的預(yù)防應(yīng)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(cè)，建立起預(yù)防、應(yīng)急救援體系，是當(dāng)前油氣開發(fā)形勢(shì)的迫切要求。本文對(duì)井場(chǎng)硫化氫傳感器進(jìn)行了優(yōu)選，尤其是選用泥漿中硫離子的檢測(cè)方法，突破了以往只檢測(cè)大氣硫化氫含量的單一方法；研制了綜合分析能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好的硫化氫監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，也能自動(dòng)啟動(dòng)消減硫化氫氣體的噴淋裝置。這對(duì)于預(yù)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(shù)水平，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都具有重要意義。
1 目前井場(chǎng)硫化氫監(jiān)測(cè)情況
    目前井場(chǎng)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(cè)硫化氫的方法[4]，這些傳感器被重點(diǎn)安裝在井口、鉆臺(tái)、振動(dòng)篩、泥漿池、脫氣器等處。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前各個(gè)油田、各個(gè)井場(chǎng)使用的硫化氫傳感器型號(hào)繁多，有國產(chǎn)的、有進(jìn)口的，它們共同的特點(diǎn)是只檢測(cè)大氣中的硫化氫含量，而且這些傳感器參數(shù)各異，尤其是反映傳感器重要特征的參數(shù)一延遲時(shí)間也不盡相同，使得某些井場(chǎng)硫化氫監(jiān)測(cè)起不到應(yīng)有的作用。
1.1 硫化氫傳感器結(jié)構(gòu)
井場(chǎng)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(jìn)入測(cè)量單元的通道。傳感器檢測(cè)主要是靠硫化氫在底部堆積、擴(kuò)散進(jìn)入到傳感器探測(cè)面，實(shí)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(diǎn)，相差并不大，造成泄漏出來的硫化氫不會(huì)很快就沉積在底部，而是需要一定的時(shí)間慢慢在底部堆積，通過自然擴(kuò)散到傳感器底部。因此即使在無風(fēng)的理想情況下，目前現(xiàn)場(chǎng)用的硫化氫傳感器也不能很快檢測(cè)泄漏出來的硫化氫(圖1)。而當(dāng)有風(fēng)時(shí)，風(fēng)向和風(fēng)速會(huì)使硫化氫擴(kuò)散不容易沉積下來，因而不能通過探頭的透氣膜進(jìn)入內(nèi)部，從而造成硫化氫的檢測(cè)不準(zhǔn)甚至檢測(cè)不出硫化氫(圖2)。
 

1.2 硫化氫測(cè)量報(bào)警
   井場(chǎng)目前安裝的硫化氫傳感器大多屬于電化學(xué)類型[5]且?guī)?bào)警提示，但監(jiān)測(cè)報(bào)警內(nèi)容比較單一，一般只向井場(chǎng)發(fā)出“有硫化氫出現(xiàn)”的信息，沒有發(fā)出現(xiàn)有井場(chǎng)硫化氫危害程度及變化情況的內(nèi)容[6]。這種方式顯示的只是各個(gè)獨(dú)立測(cè)量點(diǎn)的硫化氫情況，而沒有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間至關(guān)重要的橫向關(guān)聯(lián)相關(guān)性分析。由于每個(gè)傳感器只能反應(yīng)當(dāng)前硫化氫數(shù)據(jù)，丟失了紀(jì)錄該測(cè)點(diǎn)硫化氫變化的歷史數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)的延續(xù)性被切斷，不利于數(shù)據(jù)的縱向分析和預(yù)先警報(bào)提示。
   事實(shí)證明，單一的報(bào)警不能滿足井場(chǎng)預(yù)防措施制訂和實(shí)施的需要，不能保證防患于未然。因此必須對(duì)現(xiàn)行硫化氫監(jiān)測(cè)加以改進(jìn)和提高。
2 井場(chǎng)硫化氫檢測(cè)傳感器選型
綜合前面分析，井場(chǎng)傳感器優(yōu)選、實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)研制以及建立后續(xù)消減噴淋系統(tǒng)成為井場(chǎng)H2S監(jiān)測(cè)的當(dāng)務(wù)之急。
2.1 泥漿環(huán)境硫離子的測(cè)量
   常規(guī)鉆井液的pH值一般控制在弱堿性(8～11)范圍，因?yàn)樵谶@個(gè)pH值范圍內(nèi)，鉆井液中的黏土有適當(dāng)?shù)姆稚⑿?，鉆井液處理劑有足夠的溶解性，對(duì)Ca2+、Mg2+在鉆井液中的濃度有一定的抑制性，鉆井液對(duì)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(shí)際應(yīng)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(gè)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(yīng)變大，同時(shí)如果硫化氫跟強(qiáng)堿相比量很少，主要形成的也是S2-形式，因此初次進(jìn)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(cè)量喇叭口處泥漿里的含S2-的情況，結(jié)合大氣環(huán)境的硫化氫監(jiān)測(cè)值，對(duì)井場(chǎng)硫化氫情況進(jìn)確定，尤其對(duì)剛剛進(jìn)入井筒的硫化氫，這種測(cè)量克服了目前井場(chǎng)只測(cè)大氣中硫化氫的缺點(diǎn)。目前國內(nèi)已有成熟的S2-在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器(圖3)。
 

2.2 大氣環(huán)境下井場(chǎng)硫化氫傳感器選型
    從對(duì)井場(chǎng)硫化氫檢測(cè)傳感器的調(diào)研結(jié)果知道，目前井場(chǎng)常用的硫化氫傳感器檢測(cè)膜都凹進(jìn)去的，四周的硫化氫并不容易進(jìn)入檢測(cè)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(jìn)入到傳感器探測(cè)面，而在有風(fēng)的環(huán)境，這種檢測(cè)形式會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)甚至測(cè)量不出有硫化氫，容易貽誤大好時(shí)機(jī)。圖4所示的是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的國外生產(chǎn)的硫化氫傳感器。
 

    研究認(rèn)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(fēng)的情況下周邊的硫化氫也容易進(jìn)入測(cè)量探頭，有風(fēng)的時(shí)候效果更好。這種多向測(cè)量的改進(jìn)，很好地保證了測(cè)量的及時(shí)性，傳感器內(nèi)部再加上泵吸，效果則更為理想。圖5所示的是目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的一款四周帶孔的泵吸式硫化氫檢測(cè)傳感器。
 

    綜上所述，將改進(jìn)后帶孔的大氣環(huán)境硫化氫測(cè)量與泥漿中S2-測(cè)量相結(jié)合，進(jìn)一步提高了井場(chǎng)硫化氫綜合檢測(cè)能力，同時(shí)也在提升了硫化氫實(shí)時(shí)測(cè)量的靈敏性，在很大程度上為現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)提供了幫助。
3 硫化氫采集處理系統(tǒng)
    將現(xiàn)場(chǎng)重要區(qū)域，井口、振動(dòng)篩、除氣器、緩沖罐、泥漿池等位置點(diǎn)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(cè)儀將測(cè)點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過程控放大、濾波等調(diào)整[9]，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送入計(jì)算機(jī)，完成信號(hào)的實(shí)時(shí)采集[10]。
    計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，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(dāng)前風(fēng)向和風(fēng)速下硫化氫易溢出部位的擴(kuò)散分布模型，結(jié)合多測(cè)點(diǎn)硫化氫和硫離子的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，重點(diǎn)建立各測(cè)點(diǎn)之間信號(hào)變化的關(guān)聯(lián)分析，以及測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)的概率密度分析甄別，確定當(dāng)前硫化氫的溢出情況，給出合理建議，并在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)重點(diǎn)區(qū)域噴淋裝置工作，以降低消減漏點(diǎn)位置硫化氫的濃度，保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域工作人員安全，為安全生產(chǎn)提供保障。檢測(cè)系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)如圖7所示。
 

4 結(jié)論
    1) 通過分析硫化氫進(jìn)入井筒后的反應(yīng)，增加了喇叭口泥漿內(nèi)S2-測(cè)量傳感器，保證第一時(shí)間最大限度的發(fā)現(xiàn)硫化氫溢出。
    2) 針對(duì)目前現(xiàn)場(chǎng)硫化氫傳感器的情況，在充分考慮傳感器的結(jié)構(gòu)和風(fēng)向的影響后，優(yōu)選了大氣環(huán)境下泵吸式多向測(cè)量硫化氫傳感器。
    3) 硫化氫采集處理系統(tǒng)利用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的傳輸，也能自動(dòng)報(bào)警并啟用噴淋裝置，達(dá)到迅速消減硫化氫含量的目的，為安全生產(chǎn)提供了保障。
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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(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京)