Терентьев И.А. “Процесс бурения нагнетательных нефтяных скважин и методы по предотвращению аварий на них”

Терентьев Игорь Александрович, генеральный директор ООО «Экол и НК»

Процесс бурения нагнетательных нефтяных скважин и методы по предотвращению аварий на них.

Бурить скважины человечество начало давно, с того времени прошло около 150 лет. Можно даже сегодня, когда технологии стали более совершенными, сказать, что процесс бурения очень сложен и трудоемок, вот поему на всех этапах производственного процесса важно качественно и своевременно осуществлять тотальный контроль над работой оборудования с соблюдением правил промышленной безопасности сотрудниками.Сегодня есть несколько сверхглубоких скважин. Кольская считалась самой глубокой до 2008 года.

Специалисты говорили, что ее глубина составляет 12262 метра, но в 2001 году появилась еще больше – Одопту-море, которая стала частью проекта Сахалин -1. Длина новой рекордсменки составила 12345 метров. Можно с полной уверенностью сказать, что это не предел.

Специалисты часто сталкиваются с рядом проблем во время бурения. Такая ситуация затрудняет проведение работ. Можно изменить положение дел, если отнестись более внимательно к изучению почвы и точно определить геологический разрез скважины. При таком отношении к делу будет значительно легче определить и ликвидировать многие проблемы.

Чтобы правильно оценить ситуацию важно учитывать много факторов, к примеру, теплофизические свойства породы.

Ниже укажем средний коэффициент теплопроводности ВТ/(мС) некоторых минералов, которые образуют породу λ_м и горных пород λ.

Теплофизические свойства связаны между собой отношением:

λ = αсρ,

где α – температуропроводность.

Также важно учитывать естественные напряжения в земной коре. Такое геостатическое давление вычисляется по формуле:

р_г=ρ_пgH

где ρ_п – объемная плотность вышележащих горных пород.

Если скважина буритсяв море горное давление рассчитывается как:

ρ_г.м = [(ρ_п(H-H_м)+ ρ_м.в • H_м]g,

где Н_м – глубина моря;

ρ_м.в – средняя плотность морской воды.

При этом пластовое давление р_пл (МПа)* – то есть давление жидкости в проницаемой породе. В нормальных условиях при глубине Н давление флюидов будет только приблизительно равно гидростатическому столба воды ρ_в (в МПа) когда плотность ρ_в=1000кг/м3 от кровли пласта до поверхности. Выглядит это следующим образом:

ρ_пл≈ρ_в=ρ_вgH

Какие осложнения возникают в момент бурения скважин

Любой специалист старается избежать лишних проблем во время проведения работ, избежать этого получается не у всех. Это основная причина, по которой важно особенно тщательно подходить к вопросу изучения почвы, ее особенностей.

Наиболее часто все проблемы связаны с обвалами, желобообразованием, набуханием, при обнаружении этих проблем можно оперативно ликвидировать многие сложности в будущем, сохранив не только оборудование, но и обеспечив должный уровень безопасности.

Одним из наиболее частых осложнений во время бурения скважин выступает обвал. Им могут заканчиваться другие, ранее незамеченные осложнения. Если обратиться к статистике, то около 46% осложнений заканчиваются обвалами. Происходит это когда бур проходит уплотнительную глину и глиняные сланцы. В данном случае проходимый слой слишком сильно насыщается буровым раствором или свободной водой в пласте.

Если рассматривать обвалы со стороны опасности, то этот вид осложнений один из наиболее опасных. В момент перенасыщения пласта водой увеличивается давление, и наружу выбрасываются не только буровые насосы, но и большие земляные куски. Очень часто после обвала наблюдают полный выход из строя бурильных труб. В момент обнаружения возможности обвала специалисты стараются снизить нагрузку на долото, уменьшить скорость, что позволит спасти оборудование.

Можно избежать обвалов, если использовать раствор с минимальной водоотдачей, при этом его плотность должна быть максимальной. Помогает снизить уровень риска и увеличение скорости прохождения, только там лишняя влага не успевает полностью впитываться почвой.

Набухание вторая по категории опасность, которая может быть вызвана также использованием бурового раствора. От обвала у этого процесса имеются кардинальные отличия. Если рассматривать в совокупности особенности некоторых почв, последствия могут быть печальными. К примеру, глиняный слой может иметь в составе до 30% минералов, таких как, например, монтмориллонит, который при взаимодействии с раствором для бурения начинает набухать, а соответственно и увеличиваться по размеру. Впоследствии сужается ствол скважины, что приводит к плачевным последствиям. После набухания буровой установке становится трудно дальше проделывать свою работу, в результате все заканчивается ее прихватом и недохождением до забоя.

Можно эту проблему обойти, если использовать в процессе утяжелённый раствор, в составе которого находятся вещества помогающие увеличить предельное напряжение сдвига. Таким раствором наполняют скважину и ждут. Только после того как пошли физико-химические процессы можно проводить меры по предупреждению обвалов.

Есть и другая проблема – желообразование, которое специалисты называют одним из наиболее коварных осложнений. Все потому, что последствия от осложнения наблюдаются не сразу. Происходит процесс практически в любой породе, только отличается от количества погружений, а отсутствует только в самых крепких каменных породах.

Основной причиной желобообразования специалисты считают увеличение углов перегиба ствола пробуренной скважины. Чаще всего желоба образуются при работах с искривленными или наклонными скважинами. Хуже всего то, то такое осложнение вызывает за собой целую цепочку проблем, а именно прихваты, затяжки, заклинивание труб. Все это приводит в нерабочее состояние дорогостоящую технику.

Все проблемы с желобообразованием можно решить путем правильной растановки колонны. Только так искривления будут минимальными. Проблема в том, что даже зная возможные проблемы, которые могут возникнуть в момент бурения, можно их избежать. Весь процесс можно с полной уверенностью назвать сложным и непредсказуемым.

Обсадные колонны для скважин принимают по ГОСТ 6238-77. Основные размеры укажем в следующей таблице:

Максимально растягивающее напряжение, действующее на колонны можно определить по следующей формуле:

Р_о.к=gqL(1-ρ/ρ_м)

где q – масса 1 м трубы, кг;

L – длина обсадной колонны, м;

ρ и ρ_м -плотности промывочной жидкости и материала труб, кг/м3.

Предельная глубина спуска L_пр (в м) колонн находится по следующему выражению:

L_пр=F₀σ_т/2gq(1-σ/ρ_м).

Если учитывать коэффициент запаса прочности труб на растяжение мы имеем:

L’_пр=L_пр/К3

Допустимая растягивающая нагрузка (в Н) может определяться определена по формуле:

P_р = F₀σ_т/K₃

Виды аварий в момент бурения нефтяных скважин.

На 2012 год можно вспомнить две наиболее крупные аварии, произошедшие на территории Пермского края. Будем рассматривать их в своей работе более подробно, чтобы понять, как можно избежать подобных ЧС и какие причины больше всего повлияли на их возникновение.

Первая авария датирована 20.02.2012 годом, когда при работах на скважине 121 Маговского месторождения нефти по затрубному пространству начала распространяться нефтесодержащая жидкость.

Как потом выяснили специалисты, причиной аварии стало то, что был большой разрыв кислотным гидроразрывом и бурением скважины. В зимний период при освоении объекта образовались пробки изо льда не только в затрубном, но и трубном пространстве, вот что и привело к образованию нефти.

Специалистам пришлось двое суток бороться с последствиями аварии, по подсчетам около 33 кубических метров снега было загрязнено нефтью. Пришлось его убрать и передать на переработку на МБР «Озерное».

Розлив жидкости был связан с отсутствием в скважине незамерзайки, которая должна была находиться около устья, а также с отсутствием обогрева и наличием простоя. Нельзя упускать из внимания тот момент, что перед подъемом трубы ее не промыли, впоследствии чего наличие ледяных пробок спровоцировало обрыв резьбы, то привело к розливу жидкости.

Причиной аварии стала простая халатность бригады, увидеть грубейшее нарушение правил промышленной безопасности смогли даже не специалисты. В данном случае с уверенностью можно утверждать о желании сэкономить денежные, лени и отсутствии внимательности, что и привело к последствиям.

Несмотря на то, что пострадавших не было, была испорчена насосно-компрессорная труба НКТ-89. Можно было избежать потерь, достаточно просто, чтобы руководство следило за правильностью выполнения работ и соответствию их стандартам.

В 2012 году 15 мая на скважине 82 Ожгинского месторождения делали аварийные работы. Основная задача была освободить прихваченные трубы, но после того, как подрядная компания допустила ряд наигрубейших ошибок, был выброс газонефтяного флюида, произошло возгорание, а в дальнейшем разрушение буровой установки и ее обрушение. Взрыв был в момент подъема труб из скважины с сифоном.

Такие неумелые действия рабочих, в совокупности с отсутствием на объекте противовыбросового оборудования не дали своевременно загерметизировать устье.

Анализируя ситуацию, специалисты задались вопросом, что произошло. Как было выяснено в процессе, неизвестно по какой причине никто не регулировал объем вливаемого раствора, вследствие этого оказалось, что на момент проведения работ необходимого количества раствора не было. Более того, ошибка выявилась в программировании оборудования, параметры не соответствовали действительности, поэтому и возникла критическая ситуация и ПВО не сработало в нужный момент. Все это дополнили неумелые действия бригады, а инженер-технолог даже не прошел курсы контроля скважин и управления ими при газонефтепроявлениях. Бригада не проходила инструктаж, партии ГТИ не прошли геотехнические исследования, все это дополнило отсутствие контрольных приборов.

Избежать аварии было невозможно лишь по той причине, что на площадке, где велись работы, нарушили огромное количество правил безопасности, проектной документации, норм проведения работ, а кроме того отсутствовало оборудование и знания у персонала, в том числе и руководителей бригады. Специалисты пришли к выводу, что рано или поздно эта площадка стала бы все равно местом аварии, слишком много причин для этого было сосредоточено в одном месте. Для создания аварийной ситуации на объекте достаточно было бы просто малейшего осложнения технологического процесса.

Наиболее часто встречающиеся аварии и способы решения проблемы

Стоит сказать, что аварии и осложнения принципиально два разных понятия. В отличие от осложнений аварии нельзя предугадать, важно направлять действия на правильную ликвидацию. Зачастую причиной возникновения аварии становится отсутствие у рабочих ответственности за соблюдение технологического процесса и правил безопасности. Порой они не стараются придерживаться требуемого режима, а иногда у них просто не хватает опыта и знаний, и в ряде случаев причиной аварии становится элементарная невнимательность. Среди причин аварий можно выделить поломки:

• Долото.
• Трубопроводов.

Кроме указанных причин может происходить отвинчивание бурильных труб, прихваты, попадание в скважину посторонних предметов.

Прихваты колонн могут происходить по разным причинам. Это может быть резкий перепад давления внутри скважины, в некоторых случаях контакт инструментов со стенками на протяжении долгого времени. Возможен прихват и при нарушении целостности скважины, если был обвал или вытекание породы.

В этом случае главными виновниками становятся рабочие, не отличающиеся внимательностью. Специалисты говорят, что можно избежать проблемы, достаточно хорошо изучить почву и ее особенности и соблюсти требования безопасности.

Если избежать сложной ситуации с прихватом не удалось есть несколько методов борьбы с ними. В первую очередь используют метод «расхаживания», для этого колонну поднимают, потом опускают и поворачивают ее роутер. Бывает так, что освободить колонну таким образом не удается, тогда используют более серьезный метод – нефтяная, водяной или кислотная ванна.

Есть у этих методов свои тонкости и недостатки. На практике было выявлено, что нефтяная ванна не принесет должного результата, если скважина бурилась с промывкой забоя, потому что нефть всплывает наружу очень быстро. Можно воспользоваться другим путем – после и до закачки нефти стоит несколько кубов прокачать глинистого раствора, которые ее не отпускает. Только там можно будет добиться желаемого результата.

Можно освободить колонны, которые прихватило, и убрать заклинивание долота в карбонатных глинистых породах с помощью кислотной ванны. При этом методе скважину заливают раствором, в котором содержатся вещества, способные уменьшить набухание минералов.

Если даже это не помогает и колонна продолжает заседать, ее развинчивают по частям. Используют в этот момент бурильные трубы, на который нанесена левая резьба. Стоит отметить, что такой метод занимает много времени, процесс малоэффективен, поэтому чаще просто оставляют колонну на своем месте и отходят в сторону.

При аварии с долотом и бурильными трубами ликвидация зависит от того, насколько будут внимательны сами рабочие. Чем скорее они обнаружат слом, тем меньше будет вероятность серьезных последствий. Как только бурильщик обнаружил аварию, он должен немедленно поднимать бурильные трубы, очищать и производить осмотр, чтобы выяснить характер поломки. После этого ведется подсчет числа свечей, тех, что остались внутри скважины и определяется глубина, на которой расположился верхний конец обломанной трубы. Только после этого выполняются мероприятия по ликвидации аварии.

Ликвидация ситуаций сопровождающихся срывом резьбы трубобура стоит производить быстро, с помощью навинчивания калибра на сорванную резьбу.

Наиболее тяжелым видам аварии считают появление открытого фонтана, который чаще всего возникает от грубого нарушения техники безопасности. От такой поломки ущерб будет зависеть от того, как произведен разрез и какова глубина скважины.

Говоря о хорошем руководителе нельзя не сказать, что он должен обладать хладнокровием в любой ситуации, особенно в момент возникновения аварии. Его задача грамотно и быстро организовать работу по ликвидации ЧС. Если авария произошла там, где необходимы ловильные работы и уборка прихватов, нужно всегда знать, что мероприятия требуют от человека большой ответственности, а неумелые действия приведут к полному выходу из строя оборудования. Восстановить его потом будет невозможно, скважина будет полностью разрушена, а возможны даже несчастные случаи с сотрудниками, и не только травмы, но и летальный исход.

Если авария уже произошла, основная задача бурильщика оповестить немедленно о ней мастера, но при этом предпринять все возможные меры для ее устранения. При крупных авариях, устранение которых требует времени, необходимо составить план действий, утвердить его у руководства бурового хозяйства. В дальнейшем все действия выполняются в соответствии с этим планом и правилами безопасности, но быстро, потому что инструмент находящийся долгое время в скважине убрать сложно. Чем больше времени проходит, тем меньше шансов на удачный исход. В момент ликвидации ЧС допускается использование оборудования в условиях повышенной нагрузки, как и бурильный колонн и узлов конструкции.

Бурение – достаточно сложный с технической стороны процесс, который сложно предсказать заранее, это основная причина, почему руководство в обязательном порядке должно инструктировать, обучать персонал, задействованный на объекте. В процессе обучения важно ознакамливать с правилами безопасности и нормами проведения работ, а также объяснять специфику работы на объекте. Более того, перед началом работ должен быть четкий план действий с прослеживающейся последовательностью при возникновении аварии.

Если подобная ситуация возникнет или положение дел будет максимально к ней приближено, все сотрудники должны знать, что необходимо делать, чтобы исключить панику и хаос. Если руководство будет грамотно подходить к вопросу обучения, то действия сотрудников будут не только четкими, но и слаженными, обдуманными. Обеспечение строгого контроля соблюдения правил безопасности и технологического процесса риск возникновения С удается свести к минимуму, потому что при должном отношении каждого работника к своим обязанностям даже небольшие отклонения сразу выявят и ликвидируют пока они не привели к серьезным последствиям. Диагностика и устранение неполадок, которые производятся своевременно, могут помочь сохранить не только оборудование, но и здоровье и жизни людей, которые его обслуживают.

Литература:

1. ГОСТ 11223-88 «Угли бурые и каменные. Метод отбора проб бурением скважин».
2. ГОСТ 22609-77 «Геофизические исследования в скважинах. Термины, определения и буквенные обозначения».
3. ГОСТ 12.2.125-91 «Система стандартов безопасности труда. Оборудование тросовое наземное. Требования безопасности».