含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢清除方法与流程

本发明涉及石油钻探密闭钻井工艺技术领域，尤其涉及用于在含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢的清除方法。

背景技术：

钻井技术按照钻井液在井底的液柱压力与地层压力不同分为常规钻井与欠平衡钻井。当井底压力小于地层压力时称为欠平衡钻井。在欠平衡钻井过程中，地层流体会进入井筒并随钻井液返至地面。欠平衡钻井技术具有提高钻井效率、保护储层以及提高油气产量等优点。但是当钻遇含硫地层时，由于没有相应的钻井液硫化氢密闭处理设备，常规的欠平衡钻井工艺钻井液地面循环系统主要包括有节流管汇、多相分离器、固控系统以及循环罐等处理装置。循环系统中的液气分离器主要用于分离随钻井液从井筒内返出的地层气体，在含硫地层中，包含有天然气与硫化氢等气体。如果在地面循环系统中，多相分离器不能完全的分离处理地层气体，将造成排出至固控系统的钻井液中有硫化氢气体逸出的可能，对操作人员造成伤害。如果未分离处理完全的硫化氢气体过多，也会对循环系统中的设备及井下工具造成腐蚀损害。

国家知识产权局于2009年9月9日，公开了一件公开号为cn101525993a，名称为“含硫地层欠平衡钻井中硫化氢的监测与控制方法”的发明专利，该发明专利是钻井液经过密闭取样器时对钻井液中硫化氢含量进行监测，并将监测到的硫化氢含量信号输入至控制系统，控制系统换算成所需除硫剂的量并发出指令，注入除硫剂至四相分离器并使钻井液中的硫化氢与除硫剂反应从而清除残留硫化氢。

上述现有技术中对硫化氢的处理方法中，过量地添加除硫剂至钻井液中，会对钻井液材料的性能造成一定的影响，因此会对除硫剂的添加量产生一定的限制，而限制了除硫剂的添加量之后，就会影响硫化氢的清除效果和效率，不能很好的清除掉钻井液中的硫化氢。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种用于含硫地层钻井作业的钻井液中的硫化氢清除方法，本发明的发明目的旨在于解决钻井液中硫化氢的清除问题，当除硫剂用量受到限制时，仍能有效清除钻井液中的硫化氢，既不影响钻井液中材料的性能，又能有效地清除硫化氢。本发明可以在完全密闭的环境中将钻井液中硫化氢气体以及水解态硫化氢分离，能够防止钻井液中的硫化氢在常规固控系统处挥发至空气中对人员和环境造成伤害，满足含硫地层钻井作业的安全要求。

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明是通过下述技术方案实现的：

含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢的清除方法，其特征在于：含硫化氢的钻井液从井内返出，经过降压后进入分离罐中，进入分离罐的钻井液经过离心分离，离心分离后的气体从分离罐上部分离，分离后的钻井液落入分离罐内；通过钻井液加热系统对钻井液进行增温调节；并对分离罐内的钻井液底部流体进行搅拌扰流；将分离罐内的钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射；在分离罐内设置真空系统，通过真空系统将分离罐内抽至负压状态；通过冷却排液系统保持分离罐内液面平稳，并通过冷却机构降低冷却排液系统中钻井液的温度，确保排出至固控系统的钻井液中硫化氢处于安全标准范围以内。

在分离罐的入口管线处设置除硫剂出入口，通过除硫剂注入系统注入除硫剂进行除硫处理。

设置数据监测与采集系统和监控系统，数据监测与采集系统实时监测硫化氢处理过程中的监测数据，并将监测到的监测数据传输至监控系统，监控系统根据监测到的监测数据对加热系统、真空系统、冷却排液系统、除硫剂注入系统、用于对钻井液底部流体进行搅拌扰流的搅拌机构和用于将钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射的喷射系统进行实时操作控制。

所述监测数据包括气体与液体流量、压力、温度、硫化氢浓度、可燃气体浓度、钻井液密度、钻井液ph值和钻井液液位数据。

所述通过真空系统将分离罐内抽至负压状态，具体是指：分离罐内的含硫气体受真空泵抽吸作用进入气液分离器中，经过气液分离后，气体在真空泵的作用下增压排至出口分离罐中，含硫气体通过出口分离罐顶部出口排至真空系统外进行处理。

真空系统的冷却水通过冷却水入口和冷却水管路进入到出口分离罐中，出口分离罐的冷却水一部分通过冷却水回路注入到真空泵中，另一部分由出口分离罐上的冷却水出口排出。

所述真空系统包括两路控制流程，数据监测与采集系统和监控系统监测分离罐中真空度，并通过监控系统控制真空系统实现单路或并联的运行。

通过冷却排液系统保持分离罐内液面平稳，具体是指：经分离罐分离后的钻井液通过管路进入变频泵，并由变频泵排出管路将钻井液排出；实时监测冷却排液系统管路压力和钻井液中硫化氢浓度，若监测到排出的钻井液中的硫化氢浓度超标，则将排出的钻井液经回路重新输送会分离罐中进行二次分离。

通过冷却机构降低冷却排液系统中钻井液的温度，具体是指：钻井液由冷却排液系统管路进入冷却机构，在冷却机构内形成旋绕结构，经冷却后再排出至冷却排液系统外。

所述除硫剂注入系统设置有储液罐，除硫剂通过输送泵注入至分离罐的入口管线中，输送泵至分离罐入口管线的输送管线中设置有过滤器与开关阀。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、采用自动增温、机械扰流、液下喷射以及负压抽离的多重技术措施，提高钻井液中硫化氢的分离效率。设置的真空系统采用双路并联组合方式运行，并采用变频控制与调节阀的结合方式快速自动调节系统真空度，保障系统持续正常运行。本发明的排液系统亦采用双路并联组合方式运行，采用变频控制与液位监测机构能够联动实现液位的自动调节，保证系统运行时分离罐内液面的平稳计量。本发明设置的冷却机构采用风冷与水冷相结合的方式，快速冷却钻井液温度，增加了硫化氢在钻井液中的溶解度。

2、本发明的独特优点还有采用双重紧急控制措施，即在硫化氢浓度超过设定值时紧急打开设置的排液分支循环回路，并同时在分离罐进液口注入除硫剂的方法控制硫化氢在钻井液中的浓度，保证人员与设备的安全。

3、本发明在分离罐内通过钻井液加热系统对钻井液进行增温调节，受钻井液温度升高的影响，硫化氢的溶解度降低，部分硫化氢气体从钻井液中分离出来。在罐内设置有搅拌机构，能够将钻井液底部流体进行搅拌扰流，有助于粘度较大钻井液中硫化氢气体的分离。同时在罐内中部设置有液下扰流喷射机构，将罐内钻井液出口附近钻井液抽至罐内中部底层钻井液处喷射，可以将钻井液底部的不易分离的微小气泡的硫化氢循环至液面进行脱气分离。在罐内的上部空间采用真空系统将罐内抽至负压状态，使钻井液中硫化氢气泡在上升至液面过程中随着压力减小气泡直径增大，进而浮力增加，有利于气泡的快速上升与分离。硫化氢分离罐的排液系统设置为双路并联组合方式运行，并采用变频技术自动控制保持分离罐内液面平稳。为保证排出至固控系统的钻井液中硫化氢处于最低水平，在排液系统的出口设置有冷却机构，降低钻井液温度，提高硫化氢溶解度。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明中真空系统的流程示意图；

图3为本发明中排液系统与冷却机构流程示意图；

图4为本发明钻井液除硫剂注入系统流程示意图。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢的清除方法，含硫化氢的钻井液从井内返出，经过降压后进入分离罐104中，进入分离罐104的钻井液经过离心分离，离心分离后的气体从分离罐104上部分离，分离后的钻井液落入分离罐104内；通过钻井液加热系统113对钻井液进行增温调节；并对分离罐104内的钻井液底部流体进行搅拌扰流；将分离罐内的钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射；在分离罐内设置真空系统111，通过真空系统111将分离罐104内抽至负压状态；通过冷却排液系统106保持分离罐内液面平稳，并通过冷却机构110降低冷却排液系统106中钻井液的温度，确保排出至固控系统的钻井液中硫化氢处于安全标准范围以内。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢的清除方法，含硫化氢的钻井液从井内返出，经过降压后进入分离罐104中，进入分离罐104的钻井液经过离心分离，离心分离后的气体从分离罐104上部分离，分离后的钻井液落入分离罐104内；通过钻井液加热系统113对钻井液进行增温调节；并对分离罐104内的钻井液底部流体进行搅拌扰流；将分离罐104内的钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射；在分离罐104内设置真空系统111，通过真空系统111将分离罐内抽至负压状态；通过冷却排液系统106保持分离罐内液面平稳，并通过冷却机构110降低冷却排液系统106中钻井液的温度，确保排出至固控系统的钻井液中硫化氢处于安全标准范围以内；在分离罐104的入口管线处设置除硫剂出入口，通过除硫剂注入系统107注入除硫剂进行除硫处理；

设置数据监测与采集系统115和监控系统108，数据监测与采集系统115实时监测硫化氢处理过程中的监测数据，并将监测到的监测数据传输至监控系统108，监控系统108根据监测到的监测数据对加热系统113、真空系统111、冷却排液系统106、除硫剂注入系统107、用于对钻井液底部流体进行搅拌扰流的搅拌机构112和用于将钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射的喷射机构101进行实时操作控制。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢的清除方法，含硫化氢的钻井液从井内返出，经过降压后进入分离罐104中，进入分离罐104的钻井液经过离心分离，离心分离后的气体从分离罐104上部分离，分离后的钻井液落入分离罐104内；通过钻井液加热系统113对钻井液进行增温调节；并对分离罐104内的钻井液底部流体进行搅拌扰流；将分离罐104内的钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射；在分离罐内设置真空系统111，通过真空系统111将分离罐内抽至负压状态；通过冷却排液系统106保持分离罐内液面平稳，并通过冷却机构110降低冷却排液系统106中钻井液的温度，确保排出至固控系统的钻井液中硫化氢处于安全标准范围以内；在分离罐104的入口管线处设置除硫剂出入口，通过除硫剂注入系统107注入除硫剂进行除硫处理；设置数据监测与采集系统115和监控系统108，数据监测与采集系统115实时监测硫化氢处理过程中的监测数据，并将监测到的监测数据传输至监控系统108，监控系统108根据监测到的监测数据对加热系统113、真空系统111、冷却排液系统106、除硫剂注入系统107、用于对钻井液底部流体进行搅拌扰流的搅拌机构112和用于将钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射的喷射机构101进行实时操作控制。所述监测数据包括气体与液体流量、压力、温度、硫化氢浓度、可燃气体浓度、钻井液密度、钻井液ph值和钻井液液位数据。

所述通过真空系统111将分离罐104内抽至负压状态，具体是指：分离罐104内的含硫气体受真空泵4a、4b抽吸作用进入气液分离器1中，经过气液分离后，气体在真空泵4a、4b的作用下增压排至出口分离罐5a、5b中，含硫气体通过出口分离罐5a、5b顶部出口排至真空系统外14进行处理；真空系统111的冷却水通过冷却水入口10和冷却水管路进入到出口分离罐5a、5b中，出口分离罐5a、5b的冷却水一部分通过冷却水回路注入到真空泵4a、4b中，另一部分由出口分离罐上的冷却水出口7a、7b排出；所述真空系统包括两路控制流程，数据监测与采集系统和监控系统监测分离罐中真空度，并通过监控系统控制真空系统实现单路或并联的运行。

实施例4

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢的清除方法，含硫化氢的钻井液从井内返出，经过降压后进入分离罐104中，进入分离罐104的钻井液经过离心分离，离心分离后的气体从分离罐104上部分离，分离后的钻井液落入分离罐104内；通过钻井液加热系统113对钻井液进行增温调节；并对分离罐104内的钻井液底部流体进行搅拌扰流；将分离罐104内的钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射；在分离罐内设置真空系统111，通过真空系统111将分离罐内抽至负压状态；通过冷却排液系统106保持分离罐内液面平稳，并通过冷却机构110降低冷却排液系统106中钻井液的温度，确保排出至固控系统的钻井液中硫化氢处于安全标准范围以内；在分离罐104的入口管线处设置除硫剂出入口，通过除硫剂注入系统107注入除硫剂进行除硫处理；设置数据监测与采集系统115和监控系统108，数据监测与采集系统115实时监测硫化氢处理过程中的监测数据，并将监测到的监测数据传输至监控系统108，监控系统108根据监测到的监测数据对加热系统113、真空系统111、冷却排液系统106、除硫剂注入系统107、用于对钻井液底部流体进行搅拌扰流的搅拌机构112和用于将钻井液出口处的钻井液抽送至钻井液液面处喷射的喷射机构101进行实时操作控制。所述监测数据包括气体与液体流量、压力、温度、硫化氢浓度、可燃气体浓度、钻井液密度、钻井液ph值和钻井液液位数据。

所述通过真空系统111将分离罐104内抽至负压状态，具体是指：分离罐104内的含硫气体受真空泵4a、4b抽吸作用进入气液分离器1中，经过气液分离后，气体在真空泵4a、4b的作用下增压排至出口分离罐5a、5b中，含硫气体通过出口分离罐5a、5b顶部出口排至真空系统外14进行处理；真空系统111的冷却水通过冷却水入口10和冷却水管路进入到出口分离罐5a、5b中，出口分离罐5a、5b的冷却水一部分通过冷却水回路注入到真空泵4a、4b中，另一部分由出口分离罐上的冷却水出口7a、7b排出；所述真空系统包括两路控制流程，数据监测与采集系统和监控系统监测分离罐中真空度，并通过监控系统控制真空系统实现单路或并联的运行；通过冷却排液系统106保持分离罐104内液面平稳，具体是指：经分离罐104分离后的钻井液通过管路进入变频泵205a，并由变频泵205a排出管路将钻井液排出；实时监测冷却排液系统106管路压力和钻井液中硫化氢浓度，若监测到排出的钻井液中的硫化氢浓度超标，则将排出的钻井液经回路重新输送会分离罐104中进行二次分离；通过冷却机构110降低冷却排液系统106中钻井液的温度，具体是指：钻井液由冷却排液系统106管路进入冷却机构110，在冷却机构110内形成旋绕结构2e，经冷却后再排出至冷却排液系统外212；所述除硫剂注入系统107设置有储液罐320，除硫剂通过输送泵304注入至分离罐104的入口管线中，输送泵304至分离罐入口管线的输送管线中设置有过滤器302与开关阀303。

实施例5

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1-4，本实施例公开了：

含硫地层钻井作业的钻井液中硫化氢的清除方法，含硫化氢钻井液从系统入口105进入分离罐104。进入罐内后，钻井液首先进入高速离心分离筒114，如图1所示。通过离心分离后，气体从上部分离，分离的钻井液落入罐内。通过钻井液加热系统113对钻井液进行增温调节，受钻井液温度升高的影响，硫化氢的溶解度降低，部分硫化氢气体从钻井液中分离出来。罐内设置的搅拌机构112，能够将钻井液底部流体进行搅拌扰流，有助于粘度较大钻井液中硫化氢气体的分离。罐内设置的液下扰流喷射机构101，将罐内钻井液出口附近钻井液抽至罐内中部底层钻井液处喷射，可以将钻井液底部的不易分离的微小气泡的硫化氢循环至液面进行脱气分离。在罐内的上部空间设置真空系统111将罐内抽至负压状态，使钻井液中硫化氢气泡在上升至液面过程中随着压力减小气泡直径增大，进而浮力增加，有利于气泡的快速上升与分离。本发明设置的冷却排液系统106采用变频技术自动控制保持分离罐内液面平稳，并通过冷却机构降低钻井液温度，提高硫化氢溶解度，保证排出至固控系统的钻井液中硫化氢处于最低水平。本发明在分离罐的入口管线处设置有除硫剂注入口，通过除硫剂注入系统107可及时注入除硫剂进行除硫处理，保证人员与设备的安全。本发明的硫化氢清除系统设置有数据监测与采集系统115，实时监测系统中的气体与液体流量、压力、温度、硫化氢浓度、可燃气体浓度、钻井液密度、钻井液ph值以及液位等所有可监测参数。采集的数据可以直接传送到集中监控系统108，该监控系统可根据监测的数据对加热系统、搅拌机构、喷射机构、真空系统、冷却排液系统以及除硫剂注入系统进行实时操作控制。

本实施例的真空系统111工艺流程如图2所示，能够快速将罐内分离的气体抽离至罐外，同时使罐内空气压力自动保持在设定负压值。真空系统通过以下技术方案实现：硫化氢分离罐104内的含硫气体受真空泵4a、4b抽吸作用由管路a进入气液分离器1，气液分离器1上设置有压力、浓度等监测机构11。经过气液分离后，气体由管路c、d，c、k进入真空泵4a、4b。管路d、k上设置有止回阀2a、2b与控制开关阀3a、3b。由于真空泵4a、4b出口排出的流体中包括冷却水和含硫气体，因此在真空泵将气体增压后经管路e、i排至其出口分离罐5a、5b。含硫气体通过出口分离罐5a、5b顶部出口经管路f、m、g排至真空系统外14进行处理，排气管路g上设置有流量监测机构13。分离罐5a、5b分离的冷却水经过管路h、o重新回到真空泵4a、4b参与冷却循环，节约用水量，并保证设备运行安全。本发明的真空系统采用双路并联组合方式运行，气体可以通过管路c、k进入真空泵4b。管路k上设置有止回阀2b与控制开关阀3b。真空泵4b将气体经管路l排至其出口分离罐5b。气体通过管路m、g排至真空系统外14进行处理。分离罐5b分离的冷却水经过管路o重新回到真空泵4b参与冷却循环。真空系统中的冷却水可以通过入口10由阀门9、8a控制的管路j、i或由阀门9、8b控制的管路j、n分别注入分离罐5a与5b内，分离罐也分别设置有排液阀7a与7b。真空系统的两路流程可以通过监控系统108对阀门3a、3b、6a与6b的自动开关控制来实现单路或并联的运行。本发明的真空系统采用变频技术进行自动控制。当监测机构11监测到硫化氢分离罐内真空度低于设定值时，开启一台真空泵及管路系统，并逐级增加设备运行频率直至真空度处于设定值；当真空度超过设定值时，可以通过降低真空泵运行频率，同时还可以通过自动控制气液分离器1上部管路b连接至大气的真空度调节阀12进行真空度自动快速调节，确保系统安全。

本发明的冷却排液系统106工艺流程如图3所示，设置为双路并联组合方式运行，并采用变频技术自动控制保持钻井液分离罐104内液面平稳。设置有冷却机构，降低钻井液温度，提高硫化氢溶解度。真空系统通过以下技术方案实现：经分离罐104分离后的钻井液通过管路2a、进入变频泵205a，并由管路2b排出。管路2a上设置有排污阀206a，便于排污。管路2b上设置有止回阀204a，亦设置有压力检测机构207a，实时监测管路系统压力。如果监测到排除液体中还有未分离干净的钻井液，可以打开阀门202a，将排出的钻井液经管路2j重新输送回分离罐104进行二次分离。同理另一路排除管路可以使钻井液通过管路2k、进入变频泵205b，并由管路2l排出。管路2k上设置有排污阀206b。管路2l上设置有止回阀204a与压力检测机构207b。并可以打开阀门202b，将钻井液经管路2m重新输送回分离罐104。两路流程可以通过监控系统108对阀门201a、201b、203a与203b的自动开关控制来实现单路或并联的运行。排出的钻井液可以经管路2c直接排出冷却排液系统外212，管路2c上设置有流量监测机构208与排污阀221。也可以通过阀门209、211与213的控制来将钻井液导入冷却机构110进行冷却。钻井液经管路2d后进入冷却机构，在冷却机构内形成旋绕结构2e，经冷却后再排出。冷却机构内采用冷却泵215经管路2g将冷却液由喷嘴208喷至钻井液旋绕结构2e。冷却产生的热量通过冷却机构顶部的排风系统216排出。冷却前后的钻井液温度可以分别通过温度监测机构210与214来监测。冷却机构的冷却液可以通过打开阀门217由外界218经管路2f补充。同时，冷却机构的冷却液还可以通过打开阀门220由泵219经管路2h分别输送至变频泵205a与205b，对泵进行冷却，换热后的液体通过管路2i输送回冷却机构110，实现冷却液的循环高效利用。

本发明中，设置有两道硫化氢浓度超标紧急安全控制措施。在排液系统的出口设置有钻井液分支循环回路2j与2m，当监测到处理完的钻井液中仍有易挥发的硫化氢气体时，可开启该回路进行循环处理；另设置有除硫剂注入系统107，在分离罐的入口管线处及时注入除硫剂进行除硫处理，保证人员与设备的安全。除硫剂注入系统通过以下技术方案实现（见图4）：注入系统设置有储液罐320，除硫剂通过输送泵304经管路3a与3b注入至分离系统的入口管线。管线3a上设置有过滤器302与开关阀303。管线3b上设置有止回阀307与开关阀306。通过压力监测机构308监测注入管线上的压力，当超过设定值后可以通过打开阀门309将除硫剂经管线3c注入至储液罐320内。储液罐320上设置有安全阀310与液位计量机构311。储液罐的上卸料机构采用一体化设置，即当需要上料时，关闭阀门317与318，打开泵315，打开阀门313、316，界外除硫剂312将经管线3d、3e、3f与3g进入罐内，进液管路上设置有过滤器314；当需要卸料时，关闭阀门313与316，打开阀门317与318，打开泵315，储罐320内的除硫剂将经管线3g、3h、3e与3i排除界外319。

在本发明中，所有阀门、仪器、泵以及设备等均可以采用集中控制或其他已知方式进行控制。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的基本原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。