加强对普光气田的安全高效勘探开发与研究

浅析如何做好普光气田的安全高效勘探与开发 李 红 中原油田天然气处理厂计量化验中心 河南 濮阳 457071 摘要：普光气田是含硫化氢较高的气田，随着我国对能源，特别是对 绿色能源天然气需求的日益增长，对高硫化氢气田勘探开发逐渐提到日程 上。中石化、中石油两大集团分别在四川省达州市宣汉县勘探开发天然气， 建设天然气净化厂。以储量规模计，中国目前最大的气田是中石油旗下的苏 里格气田，探明储量为 5336 亿立方米；排名第二的是中石化在四川盆地发 现的普光气田，截至去年 2 月的探明储量为 3500 亿立方米。这么一个大规 模的生产基地，如何做好它的安全高效勘探与开发呢？ 关键词 普光气田 安全高效 勘探开发 开发 2003 年 12 月 23 日，四川发生高硫化氢天然气田井喷，造成 200 多 人死亡的特大事故，引起全社会的关注。在硫化氢天然气田的开发中，高含 量的硫化氢还对钻采设备、输气管网的安全及环境构成极大危险。可见加强 普光气田的安全高效勘探开发硫化氢气田研究已是当务之急。 由于硫化氢剧毒，当吸入浓度 1000mg/m3H2S（相当天然气中含硫化 氢 0.064）时，在数秒钟内发生闪电型死亡；同时硫化氢化学活动性极大， 会对钻井的钻杆、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 H2S 中含量均大于 1000mg/m，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，H 2S 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 523620 mg/m3（渡 井）。最近发生了强烈井喷，造成人员重大伤亡（死人）的罗家寨大气 田硫化氢含量平均为 149320 mg/m3，均对人畜和钻采设备、输气管网安全 及环境构成极大危险。四川盆地中气田 2/3 含硫化氢。该盆地“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，包括天然气地质和地球化学、钻井、集 输、安全防务系统诸方面。 一、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（20 mg/m3） ，故 其采出后无需经过脱硫即可供民用或工业用。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的分布规律一致。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 ，） 。 二、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且薄弱。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（H 2S 和 CO ） ，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。H 2S 气含量多少和硫同 位素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且 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，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： 高温还原成因：硫化氢形成是由于硫酸盐在烃类（以代表， 即油气）或有机物（以代表）参与下的高温还原而成，其形成可由下式 概括： 生物还原成因：硫酸盐还原菌利用各种有机质（和）作为 给氢体来还原硫酸盐。可用以下反应式概括： 或 以上两种成因硫化氢在天然气中含量高，一般在 4以上，即 61560 mg/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，即 1415880 mg/m3，1976 年 10 月探井赵井发生井喷死亡人；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 石灰岩中，硫化氢高达 98，即 1508220 mg/m3；法国著名高硫化氢气田拉克气田，硫化氢含量 为 15.2，即 233982 mg/m3；加拿大贝尔贝雷气田硫化氢高达 90.6，即 1394334 mg/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 险的硫化氢是两种还原成因的。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。 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 痕量氢。 因此裂解成因天然气中硫化氢一般在以下，即硫化氢浓度为 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。 三、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、强烈腐蚀的硫化氢的安全勘探和开发则 经验不多。以下几个问题有待深化研究： 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。 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。 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。 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。 硫化氢气藏水平井钻井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。 四、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。 普及群众性防毒避免伤亡知识刻不容缓。年赵井喷死 亡人，全为井队人员；年赵井喷死亡人全为居民；最近 罗家寨大气田井喷事故中死亡的人中只有位为井队人员，这表明 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 民防毒知识急待普及加强，以防止事故发生后居民的死亡和尽可能减少死 亡率。 向居民宣传硫化氢的极毒性，说明硫化氢具有极易溶于水而成氢硫酸； 硫化氢比空气重（比重） ，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。利用这些知识在突发事故中， 群众可采取湿毛巾等捂嘴鼻；向高处避毒；向上风向撤离等均可避免或减 轻伤亡。罗家寨事故发生中心地带小阳村死亡者占该村人员以上， 但有位幸存者大多是用湿被子捂嘴才免于死亡；小阳村、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组居民死 亡率最高。这些实例说明居民若掌握防硫化氢毒气基本知识，可以减轻人 员伤亡率；基本知识不掌握则伤亡率高。 迅速消除大范围硫化氢毒气污染是防止大量人员伤亡的宗旨。当 然，用重泥浆防喷是最有效的好办法，能彻底消除毒气源。但由于地质和 工程难度及相关材料筹措往往不能及时压井。如罗家寨事故从月 日时分井喷至月日时分压井成功，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。所以，研究 迅速消除大面积毒气污染的办法是人命关天的大事。我们研究目前可用两 种办法：一是把毒气源从井口引出点火燃烧，使极毒的迅速转化为 有慢性污染的，这是目前普遍应用的一种有效方法，罗家寨事故中 也启用此种方法；二是在污染区及时进行人工降雨，使溶解于水中 转变为氢硫酸，此方法国内外尚未应用。 建议 高硫化氢气田既有烷烃气资源，又有硫化氢经脱硫而产生的硫资源， 故是双资源型气田。我国已发现有气田的个盆地中只有个对硫化氢 进行研究。我国有万平方公里碳酸岩地层，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： 、开展全国性含油气盆地硫化氢地质