关于科学安全勘探开发

关于科学安全勘探开发高硫化氢天然气田的建议一般所谓气田是指天然气组分中以烷烃气（甲烷、乙烷、丙烷和丁烷）占绝对优势的气田。如果天然气组分中硫化氢含量在70%以上可称硫化氢气田。通常把天然气中硫化氢含量在2—70%的气田，即30780mg/m3至1077300mg/m3叫高硫化氢气田。一、关于我国高硫化氢天然气田勘探开发和研究随着我国对能源，特别是对绿色能源天然气的日益增长，对高硫化氢气田勘探开发逐渐提到日程上。由于硫化氢极毒，当吸入浓度1000mg/m3H2S（相当天然气中含硫化氢0.064%），在数秒钟内发生闪电型死亡；同时硫化氢化学活动性极大，对钻井的钻杆、套管、集输管线发生强烈的腐蚀作用形成“氢脆”，导致重大的安全事故。我国目前一些正开发的高硫化氢天然气田（藏）天然气中H2S含量均大于1000mg/ｍ3，如威远气田、卧龙河气田嘉陵江组气藏和中坝气田雷口坡组气藏，H2S最高含量分别为52988mg/m3，491490mg/m3和204607mg/m3。近年来发现渡口河气田硫化氢最高含量达523620mg/m3（渡5井）。四川盆地“十五”期间探明天然气中有990亿立方米为高含硫化氢。在20世纪80年代初期我国探明含硫化氢的天然气占全国气层气储量1/4(沉积学报，1985)。因此，研究如何安全高效勘探开发硫化氢气藏不仅在安全上并且在开发上是当务之急。安全勘探开发天然气是个系统工程，其函盖天然气地质和地球化学、钻井、集输、安全防务系统诸方面。1、加强硫化氢天然气地质研究中国大规模石油地质研究比天然气地质研究约早30年。而在天然气地质研究中，硫化氢天然气地质研究比烷烃气地质研究又薄弱得多。初步统计前者至今仅有5篇论文（地质论评，1982；沉积学报，1985；天然气地球科学，1992；石油勘探与开发，1992；地球化学，2002），而关于烷烃气地质研究则超过800篇。尽管如此，我国硫化氢天然气地质以往研究还获得一个重要结论：在碎屑岩天然气中硫化氢含量很低，大部分几乎没有。碎屑岩天然气硫化氢含量绝大部分在民用标准之下（20mg/m3），故其采出后无需经过脱硫供民用或工业用；我国高含硫化氢天然气均在碳酸盐岩储层中，前述高含硫化氢气田（除威远气田外）均在碳酸盐岩－硫酸盐岩地层中，此规律与世界大约有400个含硫化氢气藏中，其中360多个均在硫酸盐－碳酸盐岩地层中分布规律一致。以往我国硫化氢天然气地质研究显然存在两个不足：第一是地区上有限，仅涉及四川盆地和渤海湾盆地，而与目前发现的气田盆地13个（四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、吐哈、准噶尔、渤海湾、松辽、苏北、东海、莺琼、珠江和台西）不适应。第二是从烃源岩、碳酸盐岩储层和储层上下硫酸盐岩地层组合综合研究不足，往往是三项单独地互不联系的单项性研究，缺乏三者之间相互联系的综合研究，更缺乏大区域的盆地性基础型研究，且在此基础上进行平面上区域的，纵向层位上硫化氢天然气分布强度的评估预测研究，从而指导高硫化氢天然气的安全有效的勘探开发。原苏联曾对滨里海盆地的爱伦堡地区、阿斯特拉罕地区、滨里海洼地东部硫化氢天然气分布规律作过评估预测研究，对该类气田勘探开发起了指导作用（СоветскаяГеология，1982）。2、加强硫化氢成因及地球化学研究硫化氢天然气地球化学及其成因研究，是进行硫化氢天然气及其气田预测分布的重要手段，也是进行气源对比和确定含硫化氢天然气对人及设备伤害级别的重要一环。这些研究在我国目前极不规范而薄弱。除四川地区外，我国许多分析测试单位在分析天然气组分时不分析硫化氢项目或笼统测酸性气体（H2S和CO2），不单独测H2S项目。这就失去定量判别H2S天然气的安全伤害级别和硫资源的利用手段。H2S气含量多少和硫同位素（δ34S）是气源对比和成因的主要指标，但至今我国硫同位素研究成果极少缺乏系统性，难于把其作为气源对比和成因鉴定的指标。硫化氢成因在天然气基础研究和应用基础研究上均具有重要意义。硫化氢分有机成因和无机成因两大类。无机成因硫化氢与火山活动有关，是来自地球深处，至今没有发现由其形成的气田（藏），故与天然气勘探开发关系不大。有机成因硫化氢有三种成因方式：①高温还原成因：硫化氢形成是由于硫酸盐在烃类（以∑CH代表，即油气）或有机物（以C代表）参与下的高温还原而成，其形成可由以下式概括：2C+CaSO4＋H2O─→CaCO3+H2S+CO2∑CH+CaSO4─→CaCO3＋H2S＋H2O②生物还原成因：硫酸盐还原菌利用各种有机质（C和∑CH）作为给氢体来还原硫酸盐。可用以下反应式概括：v∑CH[或C]＋CaSO4CaO3＋H2S+H2O以上两种成因硫化氢在天然气中含量高，一般在4%以上，即61560mg/m3以上，发生井喷后往往形成人员伤亡和环境污染。例如：我国天然气中含量最高的渤海湾盆地赵兰庄气藏硫化氢含量高达92%，即1415880mg/m3，1976年10月探井赵2井发生井喷死亡3人；1992年9月28日赵兰庄气藏赵48井试油发生井喷，造成周围居民死亡6人，中毒24人。赵兰庄硫化氢是生物还原成因。目前发生井喷的罗家家寨气田高硫化氢天然气是高温还原成因的（地球化学，2002）。世界上含硫化氢最高天然气在美国德克萨斯州南部Smackover石灰岩中，硫化氢高达98%，即1508220mg/m3；法国著名高硫化氢气田拉克气田，硫化氢含量为15.2%，即233928mg/m3；加拿大贝尔贝雷气田硫化氢高达90.6%，即1394334mg/m3。这些硫化氢气田均为高温还原成因。目前，人类虽然掌握了富含硫化氢天然气是还原成因的，即具有高风险的硫化氢是两种原还成因的。但至今还不清楚为什么有的硫酸盐地层和有机质（包括油气）作用形成高硫化氢天然气，如上所述气田。但有的硫酸盐地层与有机质共存为什么没有产生高硫化氢的天然气，如鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组膏盐层地区碳酸盐储层天然气硫化氢含量不高？因此，还原成因硫化氢实际上成因机理至今还不清楚，特别是形成硫化氢速率与强度至今没有很好研究，而这些研究对评估预测高硫化氢天然气是必不可少的。③裂解成因：石油与干酪根在高温裂解形成的硫化氢。石油与凝析油过热气化形成气体组合是4CO2•46CH4•N2•H2S＋痕量氢。因此裂解成因天然气中硫化氢一般在2%以下，即硫化氢浓度为30000mg/ｍ3以下，在油气勘探开发中危险性相对小些。这种成因硫化氢往往在碳酸盐地层中，不在碳酸盐和硫酸盐地层组合中。我国威远气田硫化氢属此成因。3、加强硫化氢气井地质、工程和开发系列技术研究有关烃类天然气钻井、工程和开发已有多年的历史，已经形成了一套成熟的技术，但对具有极大毒性，强烈腐蚀的硫化氢安全勘探和开发，经验不多，如下几个问题有待深化研究：（1）井控结构的研究井控装置已形成系列配套，对一般出现的复杂情况都能处理和解决。但对高含硫化氢的井，由于其危险性很大，必须对井控装置进行更为完善的研究，应增加多重保险，特别是远程（甚至包括井下控制）的研究，保证在各种状况下都能有效控制井口，严防井口失控。（2）钻完井过程中的气侵及井喷监控技术研究目前有关气井在钻完井过程中的监控有成熟的技术，但这些监控技术全都在地面进行监控，而且很多都不能自动报警。在含硫气藏的钻完井应进一步进行气侵及井喷监控技术研究，特别要对井下情况进行监控研究，这样可给地面处理提供时间和依据，同时对地面监控系统应加强自动报警的研究，出现情况自动报警，可以避免人为监控的疏忽和失误。（3）高含硫固井完井技术研究固井完井的质量，直接关系到气井的安全和寿命，而硫化氢气体对管材和水泥均具有极强的腐蚀性，为了保证气井开采的安全，在现有高含硫固井完井技术研究的基础上，应针对具体的气藏，对套管和油管材质、固井水泥浆、完井工艺、完井管柱及防腐工艺措施进行深入的研究，提出最佳方案，确保高含硫气藏在开采过程中的安全。（4）高产高含硫气藏试井技术研究对高产高含硫气藏试井不能只用普通气藏的试井技术，而应进行专门的研究，合理制定试井技术方案和试井措施，确保试井的安全，减少试井气体排放的污染，保证气体排放的安全。（5）硫化氢气藏水平井钻进的地质和工程综合研究对于常规天然气井，水平井钻探的各种配套研究已经完备。对于高含硫化氢，发育裂缝、孔洞性的碳酸盐岩气藏来说，可能会有一些不同，第一，裂缝发育，水平段穿过不同的裂缝体系，其气藏的压力可能会有变化。第二，储层非均质性强，在不同的储层体系中，可能也有压力的变化。另外，对于水平井，长的水平段与气体所接触的面积大，气侵的程度可能也要大一些，变化也快一些。针对这个问题，首先要进行详细的气藏地质研究与评价；二是，了解其裂缝体系、储层体系与压力的关系，预测可能的压力变化情况；三是，形成一套完善的、针对这类地质、气藏条件下的水平井钻井的管理体系，应该更为仔细、谨慎和严格。4.加强普及防毒知识，研究迅速消除大范围空气毒性污染办法在硫化氢地区钻井除了建立一套防喷技术安全规范、配备自动高效防硫防喷设备外，同时还要普及群众性防毒避免伤亡的知识，准备消除大范围空气污染方案、方法和设施以防万一。（1）普及群众性防毒避免伤亡知识刻不容缓。1976年赵2井喷死亡3人，全为井队人员；1992年赵48井喷6人全为居民；12.23事故中死亡233人中只有2位为井队人员，这表明随时间，井队的防中毒设备和技术越来越完善，人员防毒知识掌握较好。相反，居民防毒知识极待普及加强，以防止事故发生后居民的死亡和尽可能减少死亡率。向居民宣传硫化氢极毒性，说明硫化氢具有极易容于水而成氢硫酸；硫化氢比空气重（比重1.17），故地势低处危险性比高处大；下风向硫化氢浓度大，上风向则浓度低等基本知识，并利用这些知识在突出事故中，可利用湿毛巾等捂嘴鼻；向高处避毒；向上风向撤离等均可避免或减轻伤亡。这次12.23事故发生中心地带小阳村死亡者占该村人员90%以上，但有18位幸存者大多是用湿被子捂嘴免于死亡；小阳村2、3、4组距井喷处仅三、五百米，死亡率极高，特别是处于小山坳低地中2组居民死亡率最高。这些实例说明居民若掌握硫化氢毒气基本知识好，可以减轻人员伤亡率；基本知识不掌握则伤亡率高。（2）迅速消除大范围硫化氢毒气污染是防止大量人员伤亡宗旨。当然，用重泥浆防喷是最有好办法，能彻底消除毒气源。但由地质和工程难度及相关材料筹措往往不能及时压井。如12.23事故从12月23日21时55分井喷至12月27日10时20分压井成功，经过三天多井喷造成大范围的空气严重污染，严重威胁居民的生命安全。故如何研究准备迅速消除大面积毒气污染办法是人命关天的事。我们研究目前可用两种办法：一是把毒气源从井口引出火燃烧，使极毒H2S迅速转化为有慢性污染SO2，这是目前普遍应用的一种有效方法，12.23事故中也启用此种方法；二是在污染区及时进行人工降雨，使H2S溶解于水中转变为氢硫酸，此方法国内外尚未应用。二、建议高硫化氢气田既有烷烃气资源，又有硫化氢经脱硫产生硫资源，故是双资源型气田。我国已发现有气田的13个盆地中只有2个对硫化氢进行研究；我国有300万平方公里碳酸岩地层，其具备了形成硫化氢地质和地球化学条件，而且目前大部分未进行油气勘探。故今后应把科学和安全进行硫化氢气田勘探开发，提到重要日程上来，为了作好硫化氢气田勘探开发建议如下：1、开展全国性含油气盆地硫化氢地质评估预测，指出盆地中某些地区（区带）和地层硫化氢和风险；开展硫化氢成因及其地球化学研究，研究确定不同成因硫化氢在勘探开发中风险安全度，建立全国天然气中硫化氢数据库，为天然气中硫化氢安全分级和硫资源利用提供系统数据。2、深化硫化氢气井地质、工程和开发系列技术研究，从技术上确保硫化氢气田勘探开发的安全。3、组织研究迅速消除硫化氢大范围污染方法和措施。4、在硫化氢勘探开发区强化普及居民防毒知识，编发有关资料。石油系统各公司应组织设立以上有关项目，国家自然科学基金委员会对第一点建议涉及项目或课题予以支持立项。