摘要：目前井场常用的硫化氢传感器有固定式和便携式两大类，它们被重点安装在井口、钻台、振动筛、泥浆池、脱气器等处，其共同的特点是只检测大气中的硫化氢含量，而且这些传感器参数各异，尤其是反映传感器重要特征的参数——延迟时间也不尽相同，使得某些井场硫化氢监测起不到应有的作用。为此，对井场硫化氢传感器进行了优选，尤其是选用泥浆中硫离子的检测方法，突破了以往只检测大气硫化氢含量的单一方法，主要展开了对硫化氢监测传感器的选型、硫离子(S2-)传感器的选用、硫化氢采集处理系统研制等方面的研究。应用结果表明：①为分析硫化氢进入井筒后的反应，增加了喇叭口泥浆内测量传感器，保证第一时间最大限度的发现硫化氢溢出；②在充分考虑传感器结构和风向的影响后，优选了大气环境下硫化氢传感器；③硫化氢采集处理系统利用先进的计算机技术，不仅实现了远程监控和数据信息的传输，还能自动报警并启用喷淋装置，达到迅速消减硫化氢含量的目的，为安全生产提供了保障。
关键词：硫化氢；传感器；监控系统；大气硫化氢含量；硫离子检测；自动报警；喷淋装置；泵吸式多向测量
近些年我国相继在四川、新疆、陕北以及南海等地区发现了多个大气田，而其中相当部分具有H2S等有毒气体含量高的特点。高含硫气田一旦发生事故则有可能造成巨大的人员伤亡和财产损失[1～3]。
现场调研发现，目前的硫化氢检测存在不少问题，例如渤海某口井上曾发生过硫化氢传感器没有报警而现场人员闻到气味的现象。通过分析重大安全事故案例发现，硫化氢监测及相应的预防应急体系缺乏是制约我国高含硫气井安全开发的主要瓶颈之一。因此，开展高含硫气井硫化氢监测，建立起预防、应急救援体系，是当前油气开发形势的迫切要求。本文对井场硫化氢传感器进行了优选，尤其是选用泥浆中硫离子的检测方法，突破了以往只检测大气硫化氢含量的单一方法；研制了综合分析能力强、实时性好的硫化氢监测的硬件系统，该系统不仅能进行数据采集处理，也能自动启动消减硫化氢气体的喷淋装置。这对于预防和杜绝高含硫气田开发重大特大事故的发生，提升我国钻完井安全技术水平，获得更好的经济效益和社会效益都具有重要意义。
1 目前井场硫化氢监测情况
目前井场常用的硫化氢传感器有固定式和便携式两大类，均采取在空气中检测硫化氢的方法[4]，这些传感器被重点安装在井口、钻台、振动筛、泥浆池、脱气器等处。调研发现，目前各个油田、各个井场使用的硫化氢传感器型号繁多，有国产的、有进口的，它们共同的特点是只检测大气中的硫化氢含量，而且这些传感器参数各异，尤其是反映传感器重要特征的参数一延迟时间也不尽相同，使得某些井场硫化氢监测起不到应有的作用。
1.1 硫化氢传感器结构
井场常用的硫化氢传感器放置高度为0.2～0.5m，探头朝下，下部一层薄的透气膜成为外界硫化氢进入测量单元的通道。传感器检测主要是靠硫化氢在底部堆积、扩散进入到传感器探测面，实际上空气平均分子量29，硫化氢的是34，硫化氢密度比空气的稍重一点，相差并不大，造成泄漏出来的硫化氢不会很快就沉积在底部，而是需要一定的时间慢慢在底部堆积，通过自然扩散到传感器底部。因此即使在无风的理想情况下，目前现场用的硫化氢传感器也不能很快检测泄漏出来的硫化氢(图1)。而当有风时，风向和风速会使硫化氢扩散不容易沉积下来，因而不能通过探头的透气膜进入内部，从而造成硫化氢的检测不准甚至检测不出硫化氢(图2)。
1.2 硫化氢测量报警
井场目前安装的硫化氢传感器大多属于电化学类型[5]且带报警提示，但监测报警内容比较单一，一般只向井场发出“有硫化氢出现”的信息，没有发出现有井场硫化氢危害程度及变化情况的内容[6]。这种方式显示的只是各个独立测量点的硫化氢情况，而没有测点数据之间至关重要的横向关联相关性分析。由于每个传感器只能反应当前硫化氢数据，丢失了纪录该测点硫化氢变化的历史数据，使得数据的延续性被切断，不利于数据的纵向分析和预先警报提示。
事实证明，单一的报警不能满足井场预防措施制订和实施的需要，不能保证防患于未然。因此必须对现行硫化氢监测加以改进和提高。
2 井场硫化氢检测传感器选型
综合前面分析，井场传感器优选、实时检测系统研制以及建立后续消减喷淋系统成为井场H2S监测的当务之急。
2.1 泥浆环境硫离子的测量
常规钻井液的pH值一般控制在弱碱性(8～11)范围，因为在这个pH值范围内，钻井液中的黏土有适当的分散性，钻井液处理剂有足够的溶解性，对Ca2+、Mg2+在钻井液中的浓度有一定的抑制性，钻井液对钻具有较低的腐蚀性。在钻井液中使用的pH抑制剂常有以下几种：NaOH、KOH、Na2C03、NaHC03。其中实际应用中最常用的是NaOH。
H2S是溶于水的二元酸，在水溶液中，H2S的酸性表现形式体现在下面的两个电离平衡中[7]：
主要存在H2S、HS-、S2-3种形式。钻井液pH值升高，S2占的比例就相应变大，同时如果硫化氢跟强碱相比量很少，主要形成的也是S2-形式，因此初次进入井筒的硫化氢主要形成的是S2-形式。在普光气田钻井液的pH值一般介于9.5～10.5，故可以通过测量喇叭口处泥浆里的含S2-的情况，结合大气环境的硫化氢监测值，对井场硫化氢情况进确定，尤其对刚刚进入井筒的硫化氢，这种测量克服了目前井场只测大气中硫化氢的缺点。目前国内已有成熟的S2-在线实时监测传感器(图3)。
2.2 大气环境下井场硫化氢传感器选型
从对井场硫化氢检测传感器的调研结果知道，目前井场常用的硫化氢传感器检测膜都凹进去的，四周的硫化氢并不容易进入检测膜，它主要是靠硫化氢在传感器下部堆积到一定程度后才进入到传感器探测面，而在有风的环境，这种检测形式会造成测量数据不准甚至测量不出有硫化氢，容易贻误大好时机。图4所示的是现场应用最多的国外生产的硫化氢传感器。
研究认为，最好选择膜片四周都有透气膜或透气孔的传感器，这样即使在无风的情况下周边的硫化氢也容易进入测量探头，有风的时候效果更好。这种多向测量的改进，很好地保证了测量的及时性，传感器内部再加上泵吸，效果则更为理想。图5所示的是目前国内厂家生产的一款四周带孔的泵吸式硫化氢检测传感器。
综上所述，将改进后带孔的大气环境硫化氢测量与泥浆中S2-测量相结合，进一步提高了井场硫化氢综合检测能力，同时也在提升了硫化氢实时测量的灵敏性，在很大程度上为现场的安全生产提供了帮助。
3 硫化氢采集处理系统
将现场重要区域，井口、振动筛、除气器、缓冲罐、泥浆池等位置点布上高灵敏度的硫化氢气体传感器[8]，喇叭口和泥浆池泥浆里布置硫离子传感器(图6)。
硫化氢检测仪将测点信号转换成电信号，信号经过程控放大、滤波等调整[9]，通过多路转换开关后进行A/D转换送入计算机，完成信号的实时采集[10]。
计算机软件系统主要针对现场生产数据，基于气液两相流理论建立井筒硫化氢侵入速度模型，用CFD软件建立当前风向和风速下硫化氢易溢出部位的扩散分布模型，结合多测点硫化氢和硫离子的实时测量数据，重点建立各测点之间信号变化的关联分析，以及测点的历史数据和当前数据的概率密度分析甄别，确定当前硫化氢的溢出情况，给出合理建议，并在关键时刻发出报警信号，自动启动重点区域喷淋装置工作，以降低消减漏点位置硫化氢的浓度，保护重点区域工作人员安全，为安全生产提供保障。检测系统流程结构如图7所示。
4 结论
1) 通过分析硫化氢进入井筒后的反应，增加了喇叭口泥浆内S2-测量传感器，保证第一时间最大限度的发现硫化氢溢出。
2) 针对目前现场硫化氢传感器的情况，在充分考虑传感器的结构和风向的影响后，优选了大气环境下泵吸式多向测量硫化氢传感器。
3) 硫化氢采集处理系统利用了先进的计算机技术，不仅实现了远程监控和数据信息的传输，也能自动报警并启用喷淋装置，达到迅速消减硫化氢含量的目的，为安全生产提供了保障。
参考文献
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[2] 李相方.提高深探井勘探效果与减少事故的井控方式[J].石油钻探技术，.2003，31(4)：1-3.
[3] 陈坤，徐龙君.重庆开县“3.25”天然气井泄漏事故原因及影响分析[J].中国安全生产科学技术，2007，3(4)：25-28.
[4] 吴强荣.硫化氢检测仪的测量原理与应用[J].测量与控制，2009，10(2)：83-84.
[5] 崔文霞.含硫油气井中的硫化氢气体检测和防护应急程序[J].企业技术开发，2010，29(1)：89-92.
[6] 方锡贤.井场硫化氢监测问题的思考与对策[J].录井工程，2005，16(2)：27-29.
[7] 鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营：石油大学出版社，2001.
[8] 崔涛.阿曼LEKHWAIR油田钻井过程硫化氢的监控与应急救援[J].中国安全生产科学技术，2009，5(3)：177-180.
[9] 杜鹃.测量仪表与自动化[M].东营：石油大学出版社，2002.
[10] 李华，孙晓民，李红青，等.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.
(本文作者：隋秀香 李相方 尹邦堂 张兴全 中国石油大学石油工程教育部重点实验室 北京)
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