硫化氢气体的检测及其安全防范措施

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摘要:文章介绍了硫化氢气体的来源和危害以及井场硫化氢气体含量的检测方法,阐述了在石油天然气行业中预防硫化氢中毒的必要性和紧迫性,并提出了在硫化氢环境中的一些人身安全防范措施。

关键词:硫化氢;气体检测;安全防范

中图分类号:TE991

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2009)19-0026-03

近年来,无论是石油天然气行业,还是非石油天然气行业,国内发生硫化氢气体中毒案例屡见不鲜,如2003年12月23日晚,重庆开县罗家16H天然气井发生井喷失控,大量含有高浓度硫化氢的天然气喷出地面并扩散到大气中,这起事故造成243人死亡、2142人中毒住院治疗、6.5万名当地居民被紧急疏散,各种经济损失达6432万元的重特大事故,血的教训再次敲响了含硫气藏安全生产的警钟。

20世纪80年代初期,我国探明的含硫化氢天然气占全国气层气储量的1/4。而目前我国含硫气田(含硫2%～4%)气产量占全国气产量的60%。四川盆地含硫天然气产量占总产量的80%。而我国已发现的、开发的气藏主要分布在四川盆地。硫化氢是仅次于氰化物的剧毒物,是易致人死亡的有毒气体。硫化氢不仅严重威胁着人们的生命安全,而且还造成严重的环境污染,对金属设备造成严重的腐蚀破坏。因此,为确保人员的绝对安全,杜绝硫化氢中毒事故的发生,了解硫化氢气体的来源和危害,掌握硫化氢气体的预防与处理知识和硫化氢检测方法非常重要。

一、硫化氢的性质、来源及危害

(一)硫化氢的理化性质

硫化氢(H2S)气体分子是由两个氢原子和一个硫原子组成,为无色、剧毒、酸性气体,有臭鸡蛋味,别名氢硫酸。分子量为34.08,熔点为-85.5℃,沸点为- 60.4 ℃,相对密度为(空气=1)1.19,比空气稍重,能溶于水,溶解度随水温的增高而降低。在空气中易燃,燃烧时发出兰色火焰,并产生对眼和肺非常有害的二氧化硫气体。通常情况下以气态存在,当硫化氢与空气或氧气混合到一定比例(4.3%～46%)时就形成一种爆炸混合物,遇火爆炸。

(二)硫化氢的来源

硫化氢(H2S)是硫和氢结合而成的气体。硫和氢都存在于动植物的机体中,在高温、高压及细菌作用下,经分解可产生硫化氢。在天然气生产、高含硫原油生产中经常能遇到硫化氢。油气井中的硫化氢主要来源于以下四个方面:

1.热作用于油气层时,油气中的有机硫化物分解,产生出硫化氢。

2.石油中的泾类、有机质与储集层水中的硫酸盐经高温还原作用而产生硫化氢。

3.通过地层裂缝等管道,下部地层中硫酸盐层的硫化氢上窜而来。在非热采区,因底水运移,将含硫化氢的地层水推入生产井中。

4.油气井作业中,钻井液的某些处理剂在高温作用下发生热分解以及钻井液中细菌的作用都可能产生硫化氢。

含硫化氢油气田在区域分布上,多存在于碳酸盐岩-蒸发岩地层中,其含量随地层埋深增加而增大。

(三)硫化氢的危害

在钻井过程中,硫化氢的危害可以归结为四个方面:

1.硫化氢对人体的危害。硫化氢是具有刺激性和窒息性的无色气体。低浓度接触仅有呼吸道及眼的局部刺激作用,高浓度时全身作用较明显,表现为中枢神经系统症状和窒息症状。硫化氢具有“臭蛋样”气味,但极高浓度很快引起嗅觉神经麻痹而不觉其味,所以高含量时难发觉,此时人很容易中毒而导致死亡。

不同硫化氢气体体积分数对人体的危害见表1:

2.硫化氢对设备材料的危害。(1)硫化氢对金属材料的腐蚀。硫化氢溶于水形成弱酸,对金属的腐蚀形式有电化学失重腐蚀、氢脆和硫化物应力腐蚀开裂,以后两者为主,一般统称为氢脆破坏。氢脆破坏往往造成井下管柱的突然断落、地面管汇和仪表的爆破、井口装置的破坏,甚至发生严重的井喷失控或着火事故。(2)硫化氢能加速非金属材料的老化。在地面设备、井口装置、井下工具中,有橡胶、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。

3.硫化氢对钻井液的污染。硫化氢主要对水基钻井液具有较大的污染,它会使钻井液性能发生很大变化,表现为:密度下降,pH 值下降,粘度上升,以至形成不动的冻胶,颜色变为瓦灰色、墨色和墨绿色。

此外,硫化氢对环境的污染主要是对大气和水的污染。

二、硫化氢气体的检测

利用专用仪器和方法,随钻检测硫化氢在钻井液、岩屑和大气中体积分数的方法称为井场硫化氢检测方法。硫化氢是酸性气体,在碱性钻井液中溶解度大,在酸性钻井液中溶解度小,表2是华北油田所做的硫化氢在不同pH值碱性钻井液中的溶解饱和度。目前钻井常用的钻井液呈碱性,pH值9～12。在正常钻进时,浸入钻井液中的硫化氢少,不超过溶解饱和度,因此在钻井液出口槽面检测不出硫化氢。如果大量气侵,以致发生井涌或井喷,这时硫化氢侵入量将大大超过钻井液的溶解饱和度,过量的硫化氢将以气体形式裹在钻井液中迅速窜至地面,这样硫化氢就会严重污染钻台及井场周围的大气,造成严重中毒事故。

(一)标准碘量法

碘量法是一种经典的化学分析方法,因其指示剂灵敏,方法准确可靠,检测限低,操作简单等优点而被石油化工、冶金等行业广泛应用。世界各发达国家和我国均采用碘量法作为天然气中硫化氢含量测定的标准分析方法。其原理是以过量的乙酸锌溶液吸收气样中的硫化氢,生成硫化锌沉淀(反应式:H2S+Zn(Ac)2=ZnS+2HAc),然后加入准确过量的碘溶液氧化生成的硫化锌,剩余的碘用硫代硫酸钠标准溶液滴定。但是,在实验室和现场的硫化氢含量分析中,特别是在做现场天然气中硫化氢含量测定的比对分析时,有时其测定结果不尽人意,得不到良好的重复性、再现性。

(二)快速测定管法

快速测定管法也是现场检测大气中硫化氢含量常用的方法。原理是将吸附醋酸铅(PbAc2)和氯化钡(BaCl2)的硅胶装入细玻璃管内,抽100ml含硫化氢的气体,在60s内注入,形成褐色硫化铅(PbS)。根据硅胶柱变色的长度测定出硫化氢的体积分数。现场录井是在钻井液出口槽面上,用注射器抽取100ml气样,通过测定管,硅胶柱变色长度与标准尺比较,求得硫化氢的体积分数。此法具有简便、快捷、便于携带和灵敏度高的优点。

(三)醋酸铅试纸法

醋酸铅试纸与硫化氢反应生成褐色硫化铅,与标准比色板对比求得硫化氢的体积分数。此法适用于钻井液和大气硫化氢测量,是一种定性和半定量方法。

(四)激光法

激光法原理是将光学检测探头直接安装在气体检测管两侧,半导体激光器射出的调制激光束穿过检测管中的被测气体,落到接收单元中的光电传感器上。激光束能量被所测气体分子吸收而发生衰减,接收单元探测到的光强度所发生的衰减与发射器和接收器之间的被测气体含量成正比。通过分析激光强度衰减可以获得所测气体的浓度。该技术具有现场测量、快速响应(

(五)硫化氢报警法

利用硫化氢与醋酸铅试纸反应使试纸变色这一原理,为了准确测定硫化氢体积分数变化,把发生化学反应的试纸与电路组合在一起,硫化氢的体积分数变化由仪器检测下来并自动报警。它可以连续检测大气中硫化氢体积分数并自动记录,当指针达到预定调节位置(对人体有害的许可值10×10-6)时,仪器就发出警报。这种仪器已成为碳酸盐岩地层录井井场常用的必须配备的仪器,这种仪器我们通常称之为硫化氢传感器。

井场至少安装两个传感器,一个装在井口,一个装在脱气器上,用专用线路与综合录井仪连接,必须实行全天侯监测,保证报警装置正常可靠运行。

三、含硫化氢环境中的安全防护措施

(一)井场及钻井设备的布置

1.井场选址应远离人口稠密的村镇,油气井井口距高压线及其他永久性设施不小于75m;距民宅不小于100m;距铁路、高速公路不小于200m;距学校、医院和大型油库等人口密集性、高危性场所不小于500m。

2.井场周围应空旷,风能在井场前后或左右方向畅通流动;井场上应有两个以上出入口,便于应急时采取抢救措施和疏散人员。

3.钻井设备的安放位置应考虑当地的主要风向和钻开含硫油气层时的季节风风向。井场值班室、工程室、钻井液室、气防器材室等应设置在井场主要风向的上风方向。

4.井场发电房、锅炉房和储油罐的摆放,以及电气设备、照明器具及输电线路的安装应按《石油天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产技术规程》(SY/T5225-2005)中的相应规定执行。

5.井场周围应设置两到三处临时安全区,一个位于当地季节风的上风方向处(一般为生活区方向),其余与之成90℃～120℃分布。

6.在临时安全区、道路入口处、井架上、值班房等处安装风向指示器。

7.在钻进含硫油气层前,应将机泵房、循环系统及二层台等处设置的防风护套和其他类似围布撤除。寒冷地区在冬季施工时,对保温设施可采取相应的通风措施,保证工作场所空气流通。

(二)硫化氢的监测及人身安全防护

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。

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。

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探头,并能同时发出生光报警。

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,并对其采取预防损坏、防污染、防灰尘和防高温的保护措施。

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;建立使用台帐,按时送往具有资质的检验单位检验。

6.硫化氢监测报警仪设置:(1)第一级报警值应设置在阀限值[硫化氢含量15mg/(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阀限值;(2)第二级报警值应设置在安全临界浓度[硫化氢含量30mg/(20ppm)],达到此浓度时,现场作业人员应佩戴正压式空气呼吸器;(3)第三级报警值应设置在危险临界浓度[硫化氢含量150mg/(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。

7.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。

(三)人员培训

1.培训机构负责对含硫化氢环境中作业人员进行硫化氢监测技术和人身安全防护措施的培训。培训机构应随时横向交流情报,了解国际、国内动向。

2.在含硫化氢环境中的作业人员上岗前都应接受培训,经考核合格后持证上岗。培训内容按SY/T6137-2005的相关内容执行。

3.首次培训时间不得少于15h,每两年复训一次,复训时间不得少于6h。

4.现场作业人员、现场监督及管理人员经培训后均应达到以下要求:(1)了解硫化氢的各种物理、化学特性及对人体的危害性;(2)熟悉硫化氢监测仪的性能、使用和维护方法;(3)熟悉各种人身安全防护装置的结构、性能,能正确使用和维护;(4)熟悉进入含硫化氢环境作业的安全规定和作业程序;(5)在发生硫化氢泄漏及人身急性中毒事故时,作业人员应会采取自救及互救措施;(6)应熟悉工作场所的应急预案。

四、结语

近几年来,硫化氢中毒事故时有发生,尤其是石油、化工行业特别突出,例如赵48井及罗家16H井井喷事故。因此在提倡“以人为本,健康、安全、环境为先”的今天,准确检测硫化氢有毒有害气体的浓度,利用技术手段监测作业环境,做好做全作业指导书和应急预案,并时常进行演练是非常重要的,这样才能保持安全生产,保持人和环境的和谐发展。

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作者简介:侯磊(1981-),男,四川广元人,西南石油大学硕士研究生。