塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層密閉循環(huán)安全鉆井技術(shù)

劉繪新查磊王書琪康延軍劉會(huì)良

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

塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層密閉循環(huán)安全鉆井技術(shù)

劉繪新1查磊1王書琪2康延軍2劉會(huì)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

劉繪新等.塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層密閉循環(huán)安全鉆井技術(shù).天然氣工業(yè),2010,30(8):45-47.

塔里木盆地塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層鉆井主要難點(diǎn)為:儲(chǔ)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(xiǎn)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(xiǎn)。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(duì)塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)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(dòng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的密閉振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)行了高含硫天然氣燃燒排放對(duì)大氣環(huán)境的影響實(shí)驗(yàn)和氨洗脫硫效果實(shí)驗(yàn),對(duì)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(chǔ)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(duì)性和適用性。該成果對(duì)于高效勘探開發(fā)塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層有著重要的意義。

深井 超深井 碳酸鹽巖 儲(chǔ)層 高含硫天然氣 密閉循環(huán) 塔里木盆地

DO I:10.3787/j.issn.100020976.2010.08.012

1 問題分析

塔里木盆地塔中碳酸鹽巖儲(chǔ)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(chǔ)層,地層壓力敏感,井筒壓力難以控制,溢流、漏失往往同時(shí)發(fā)生,再加上 H2S含量高,安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻。在塔中1號(hào)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(shí)也對(duì)儲(chǔ)層造成了很大的傷害。如何破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)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(chǔ)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(xiǎn)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 H2S 20%的條件下采用密閉循環(huán)鉆井技術(shù),取得了很好的效果[126]。

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。

圖1 密閉循環(huán)系統(tǒng)示意圖

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(jià)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(duì)于上述問題,需要針對(duì)塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層的具體情況,采用如下的技術(shù)思路加以解決:設(shè)計(jì)一種密閉振動(dòng)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(píng)價(jià)。

2 密閉振動(dòng)篩

根據(jù)上述方案,完成了密閉振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用的技術(shù)方案是:將振動(dòng)篩置入一個(gè)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(shí)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(shí)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(dòng)篩可以在高含硫油氣田鉆井作業(yè)中替代常規(guī)振動(dòng)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)

圖2 密閉振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)圖

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(huì)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(duì)環(huán)境仍會(huì)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133.37 g/m3)燃燒排放時(shí)環(huán)境空氣中 SO2和H2S測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 羅家XX井燃燒排放測定結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:①根據(jù) GB 3095—1996中的2級(jí)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0.01 mg/m3;SO2為0.5mg/m3。顯然,對(duì)于高含硫天然氣,通過燃燒排放,SO2和 H2S對(duì)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15 mg/m3;SO2為5.4 mg/m3。顯然,對(duì)于高含硫天然氣,通過燃燒排放,SO2和H2S對(duì)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(píng)價(jià)高含硫天然氣氨洗脫硫效果。表1為幾種脫硫溶劑對(duì)高含硫天然氣的脫硫?qū)嶒?yàn)效果。

表1 天然氣脫硫?qū)嶒?yàn)結(jié)果表

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,A 3脫硫效果最好;③氨洗脫硫裝置過于復(fù)雜,適合在對(duì)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(duì)塔中碳酸鹽巖儲(chǔ)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(duì)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(dòng)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(dòng)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。

圖4 實(shí)用化的密閉循環(huán)系統(tǒng)方案圖

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(duì)塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層的具體情況,破解塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)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(shí)產(chǎn)權(quán)的密閉振動(dòng)篩可以在高含硫油氣田鉆井作業(yè)中替代常規(guī)振動(dòng)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(duì)環(huán)境要求較高的地區(qū)使用。

5)針對(duì)塔中高含硫碳酸鹽巖儲(chǔ)層的具體情況,可以考慮使用氣液二相分離器加密閉振動(dòng)篩替代四相分離器的實(shí)用化方案。

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2010205207 編輯 鐘水清)

國家科技重大專項(xiàng)“塔里木盆地塔中碳酸鹽巖油氣勘探開發(fā)示范工程”中的“碳酸鹽巖礁灘型凝析氣藏高效勘探開發(fā)應(yīng)用技術(shù)”項(xiàng)目(編號(hào):2008ZX050492006)。

劉繪新,1954年生,教授,碩士;1977年畢業(yè)于原西南石油學(xué)院石油工程專業(yè);從事石油工程的教學(xué)與科研工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)。電話:(028)83033920。E-mail:liuhuixin@swpu.edu.cn