钻井过程中硫化氢的预防

钻井作业过程硫化氢防护 在钻井作业过程中，如果油气井压力控制不当，当井底压力小于地层 压力时，就会发生如溢流、井涌、井喷甚至井喷失控。特别是含硫的油气 井，一旦出现井喷乃至井喷失控，油气井中所含H2S 气体就会随同井内天 然气一起喷出，导致 H 2S 气体的大量逸散，并随风飘逸和扩散，这可能会 给钻井作业带来灾难性的事故。所以，要做好钻井作业过程中H2S 的防护 工作，保证在含硫油气田进行安全钻井作业，其根本，就是要做好钻井作 业过程中的井控安全工作。防腐是高酸气田开发生产的重点和难点。硫化 氢、二氧化碳等介质对井下管柱、设备、集输系统、天然气净化装置的腐 蚀影响着气田的安全高效开发。川东北的天然气资源大部分含有硫化氢和 二氧化碳。其中 80%系酸性天然气，多数气田硫化氢含量为1%~13% (体积 分数），最高可达 35. 11%。硫化氢导致金属材料突发性的硫化氢应力开 裂（SSC)，造成巨大的经济损失，泄漏出硫化氢的毒性也威胁着人身安全。 1、硫化氢对材料的腐蚀 1.1 油气生产中，由于硫化氢腐蚀造成事故的案例很多。 威成输气线越溪段在投产 20 个月后， 采出的天然气中含有硫化氢并在水平 段有积液导致了该部位破裂。在积水段气水交界处有一条长约520mm、宽 约 7mm 的条型腐蚀槽，槽中央最薄处的壁厚只有0.5mm。同时管内发现大 量的黑色腐蚀产物，主要为硫化亚铁，腐蚀以硫化氢为主。威远气田威23 井（硫化氢含量为 1.2%), N80 套管与大四通底法兰丝扣连接处的加固焊缝 发生脆裂，导致井口爆炸，井喷 44 天。 2、2006 年 24 日 9 点左右宣汉县毛坝四井在取心钻进中， 接单根后发生钻， 25 日注清水 27m 浸泡未解卡，26 日注 25. 3m 解卡剂，8 点解卡。8 点 15 33 分提出一根钻杆循环解卡剂时发生溢流，随即关井控制井口，9 点 15 分压 井准备中，发现悬重 ll00t 降至 550t,钻具发生氢脆掉落井下，7 月 31 日 压完井，起出钻具 1011.75m，捞落鱼 2929. 35m。后经过 31 次打捞，捞出 落鱼 19 节，最短的0.24m。井下余226. 3m 再也无法捞出，随后决定侧钻。 2.硫化氢对金属材料的腐蚀 硫化氢在干燥的环境中对金属的腐蚀较轻，一旦溶于水后，对油气井套 管、井下工具、集输管道、天然气净化装置等金属材料有很强的腐蚀性。 2.1 对金属的腐蚀形式有两种即电化学腐蚀、硫化氢应力开裂。硫化氢应 力开裂主要可分为氢脆和硫化物应力腐蚀开裂。在油气田勘探开发中氢脆 破坏为主要腐蚀形式。 2.1.1 硫化氢应力开裂的定义 金属材料在硫化氢环境中可能发生多种开裂形式，工程上经常把在硫化 氢中产生的所有开裂形式统称为硫化氢应力开裂。主要分为以下几种：氢 鼓泡(HB)、氢致开裂（HIC)、硫化物应力腐蚀开裂（SSCC)、应力导向氢致 开裂(SOHIC)、软区裂纹（SZC)、氢应力开裂（HSC)。硫化氢应力开裂的主 要类型氢鼓泡（HB):氢鼓泡（HB):腐蚀过程中析出的氢原子向钢中扩散， 在钢材的非金属杂物、分层和其他不连续处，易聚集形成氢分子，由于在 钢的组织内部氢分子很难逸出，形成强大内压导致周围组织屈服，形成表 面层下的平面孔隙结构称为氢鼓泡，其分布平行于钢板表面。它的发生与 外加应力无关，与材料中的夹杂物等缺陷密切相关。氢致开裂（ HIC):氢开 裂（HC):在 H2S 分压超过 3xlO_4MPa 时，不同层面上的相邻氢鼓泡裂纹相互 连接，形成阶梯状特征的内部裂纹称为氢诱导开裂，裂纹可扩展到金属表 面。HIC 与钢材内部的夹杂物或合金元素在钢中偏析产生的不规则微观组 织密切相关。 硫化物应力腐蚀开裂 （SSCC): S 硫化物应力腐蚀开裂 （SSCC): 就是在拉应力或残余压力的作用下，可扩散氢会在应力梯度下在三向应力 集中区域积聚而导致沿应力集中方向发生开裂的现象。 3.硫化氢对非金属材料的影响 硫化氢对非金属材料主要是加速非金属材料的老化。在油气田勘探开发、 地面设备、完井井口装置、井下工具及天然气净化联合装置中大量采用橡 胶、浸油石墨、石棉等非金属材料制作的密封件，它们在硫化氢环境中使 用一定时间后,橡胶会产生鼓泡胀大、失去弹性；浸油石墨及石棉绳上的油 被溶解而导致密封件的失效，造成天然气泄漏引起的火灾、爆炸、中毒等 严重事故。 3.1 硫化氢对井下水泥环柱的腐蚀 井下包着套管的水泥环柱的先导腐蚀可引起和加快套管的腐蚀和破坏。水 泥石孔隙特别是贯通孔道，构成了腐蚀介质的通道。硫化氢能破坏水泥石 的所有成分，水泥石所有水化产物都呈碱性，硫化氢与水泥石水化产物反 应生成硫化钙、硫化铁、硫化铝没有胶结性的物质。如果水泥环耐硫化氢 腐蚀，则可以阻挡硫化氢对套管的腐蚀。溶于潮气中的硫化氢腐蚀性更强。 长庆油田 1989 年 299 口报废井中拔出的套管，几乎都不黏附水泥，水泥 石也疏松多孔，经分析其中有部分为硫化氢腐蚀的结果。 4.硫化氢监测及个体防护 钻井作业对硫化氢监测及个体防护的安全要求应包括但不仅限于以下 要求： 4.1 硫化氢易聚集的区域，如井口、循环池等处应设立毒气警告标志。 4.2 作业区应配备空气呼吸器、充气泵、可燃气体监测报警仪、便携式硫 化氢监测报警仪和固定式硫化氢监测报警仪，并配置防爆排气扇。 4.3 值班干部、当班司钻、副司钻和“坐岗”人员应佩戴便携式硫化氢监 测报警仪；固定式硫化氢监测报警仪应在司钻或操作员位置、方井、振动 筛、井场工作室等地方设置声光报警式探头，并配置防爆排气扇。 4.4 硫化氢防护器具应存放在清洁卫生和便于快速取用的地方，并对其采 取防损坏、防污染、防灰尘和防高温的保护措施。 4.5 钻井队应按产品说明书检查和保养硫化氢监测仪器、防护器具，保证 其处于良好的备用状态；建立使用台账，按时送往具有资质的检验单位检 验。 4.6 硫化氢监测报警仪设置 4.7 第一级报警值：应设置在阈限值[硫化氢含量 15mg/m3(10PPm)]，达到 此浓度时启动报警，提示现场作业人员硫化氢的浓度超过阈限值； 4.8 第二级报警值： 应设置在安全临界浓度[硫化氢含量 30mg/m3(20PPm)]， 达到此浓度时，现场作业人员应佩戴正压式空气呼吸器； 4.9 第三级报警值：应设置在危险临界浓度[硫化氢含量 150mg/m3(100Ppm)]，报警信号应与二级报警信号有明显区别，警示立即组 织现场人员撤离。 4.10 作业班除进行常规防喷演习外，还应佩戴硫化氢防护器具进行防喷演 习；防护器具每次使用后应对其所有部件的完好性和安全性进行检查；在 硫化氢环境中使用过的防护器具还应进行全面的清洁和消毒工作。 4.11 无风和微风的时候， 用大的鼓风机或排风扇对一定风向吹风以驱散硫 化氢。 4.12 钻入含硫油气层前，应将二层台、机泵房、钻台等 周围设置的防风 护套和其他类的围布拆除。 若遇硫化氢溢出地面 （嗅到较浓的臭鸡蛋气味） 而身边又无防护器具时，可用湿毛巾或湿衣物等捂住口鼻，迅速离开危险 区域。在钻遇含硫化氢地层后，起钻要使用钻杆刮泥器， 工作人员要佩 戴正压式空气呼吸器。在清罐作业时要遵守受限空间作业的