автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Научные основы предупреждения перехода газопроявлений в выбросы и открытые фонтаны при бурении нефтяных и газовых скважин

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ПЕРЕХОДА ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯ В ВЫБРОСЫ И ОТКРЫТЫЕ ФОНТАНЫ.

1.1. Обзор литературных источников по исследованию процесса газопроявления с точки зрения предупреждения выбросов и открытых фонтанов.

1.2. Анализ промысловых материалов, характеризующих процесс газопроявления выбросы и фонтаны.

1.3. Обоснование методики исследования процесса газопроявления.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯ КАК СЛОЖНОГО ОБЪЕКТА ВЕРОЯТНО СТНО - СТАТИ. СТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ.

2.1. Оценка изменения параметров, характеризующих процесс газопроявления.

2.2. Выбор выходного параметра.

2.3. Исследование взаимного влияния параметров, характеризующих процесс газопроявления во всех фазах.

2.4. Создание математической модели процесса газопроявления.

2.5. Разработка системы критериев, характеризующих переход газопроявления в более опасный вид.

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ПЕРЕХОДА ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯ В БОЛЕЕ ОПАСНУЮ ФАЗУ.

3.1. Моделирование перехода процесса газопроявления в более опасную фазу методом последовательной диагностической процедуры.

3.2. Моделирование перехода процесса газопроявления в более опасную фазу на основе метода потенциальных функций.

3.3. Моделирование перехода газопроявления в выброс и фонтан комбинированным методом. III

3.4. Выбор значений управляемых параметров, обеспечивающих предупреждение выбросов и открытых фонтанов. ИЗ

3.5. Структура и состав математического обеспечения системы предупреждения выбросов и фонтанов.

3.6. Рекомендации по созданию автоматизированной системы предупреждения выбросов и открытых фонтанов.

В программном документе ЦК КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" предусмотрено обеспечить в 1985 году добычу нефти (с газовым конденсатом) в объеме 620-640 млн.тонн и газа о

640 млрд.м. Причем, выполнение этих планов должно достигаться за счет улучшения технико-экономических показателей буровых работ и дальнейшего совершенствования их организации.

В деле улучшения технико-экономических показателей буровых работ большим резервом является борьба за предотвращение аварий и сокращение сроков ликвидации их последствий. По статистическим данным на устранение аварий и осложнений тратится до 10-20$ рабочего времени.

При бурении нефтяных и газовых скважин одним из серьёзных видов аварий и осложнений являются газонефтепроявления, которые могут привести к открытому фонтанированию. Фонтаны и прорывы газа на поверхность представляют собой большую опасность для обслуживающего персонала, занятого в бурении и на работах по ликвидации возникающих фонтанов, а также угрозу для населённых пунктов и промышленных сооружений, окружающих аварийный объект.

Нефтегазопроявления, выбросы, открытые газовые и нефтяные фонтаны могут привести к скоплению газа и паров нефти в помещениях, погребах, оврагах и других малопроветриваемых местах в концентрациях, опасных для жизни людей, а также к взрыву и прекращению всех работ в районах распределения газа.

С освоением возрастающих объёмов бурения, ростом глубин скважин.вскрытием нефтяных и газовых горизонтов с аномально высокими пластовыми давлениями и температурами увеличивается и опасность возникновения газонефтедроявлений и открытых фонтанов.

На всех стадиях развития нефтяной промышленности большое внимание уделялось вопросам борьбы с нефтяными и газовыми выбросами, проявлениями и открытыми фонтанами.

В общем комплексе задач борьбы с осложнениями существенную роль играет анализ предаварийных ситуаций. На практике анализ предаварийных ситуаций (принятие решения о переходе газопроявления в выброс или фонтан), выбор методов борьбы с осложнениями носят субъективный характер, зависят от опыта, быстроты реакции членов буровой бригады и своевременного принятия мер.

Каждый из этих факторов приводит к тому, что газопроявления нередко переходят в выбросы и открытые фонтаны со всеми вытекающими отсюда последствиями.

В то же время, протекание процесса газопроявления и переход его в более осложненную фазу определяется большим числом разнородных факторов. Своевременное обнаружение газопроявления, успешная борьба с ним и предотвращение его перехода в выброс и открытый фонтан зависят от учета влияния каждого из этих показателей на процесс.

В связи с изложенным, для обеспечения объективного анализа пред выброс овой и предфонтанной ситуации, с чем, в первую очередь, связано принятие необходимых и своевременных мер для успешной борьбы с этими видами осложнений, весьма актуальным является разработка научных основ предупреждения перехода газопроявления в выброс и открытый фонтан, что и составляет предмет исследования настоящей работы.

В ходе исследований были решены следующие задачи:

- на основе анализа промысловых материалов дана количественная оценка изменения параметров, характеризующих газопроявления, выбросы и открытые фонтаны, выявлена степень влияния этих параметров как друг на друга, так и в комплексе, на процесс, создана математическая модель процесса газопроявления;

- выявлены характер и условия перехода газопроявления в выброс и открытый фонтан, разработана методика прогнозирования ситуаций и определения степени опасности осложнения и математическая модель переходного процесса;

- задача определения в период начавшегося газопроявления, при наличии информации о значениях неуправляемых параметров, диапазонов изменения управляемых для предотвращения перехода газопроявления в выброс и открытый фонтан.

Научная новизна исследований нашла отражение в следующих результатах:

- процессы газопроявления, выброса и фонтана исследуются как сложные многофакторные процессы с учетом всех контролируемых параметров, влияющих на их протекание и развитие;

- впервые оценено количественное влияние указанных параметров как друг на друга, тан и в комплексе на процесс;

- построена математическая модель процесса газопроявления в форме уравнения регрессии, связывающего параметры, влияющие на процесс, исследование которой позволяет сделать ряд выводов о характере протекания процесса;

- разработана система критериев, позволяющая характеризовать переход газопроявления в более опасный вид;

- выработаны решающие правила для принятия решения о переходе газопроявления в выбросы и открытые фонтаны, которые дают возможность прогнозировать развитие процесса в условиях существующей контрольно-измерительной системы современных буровых установок.

Практическая ценность результатов выражена в:

- в возможности прогнозировать величину снижения плотности промывочной жидкости на выходе скважины, используя построенную математическую модель;

- в возможности прогнозирования протекания процесса газопроявления с помощью разработанных решающих правил, которые, помимо предсказания динамики протекания процесса, дают возможность выбрать значения управляемых параметров, при известных значениях неуправляемых, в таких пределах, чтобы предотвратить выбросы и открытые фонтаны;

- в возможности увеличения коммерческой скорости бурения вследствие предотвращения аварий и сокращения сроков ликвидации их последствий.

На основании проведенных исследований разработаны "Методические указания по предупреждению выбросов и открытых фонтанов при бурении скважин","Методика по применению критериев оценки степени опасности ведения буровых работ на месторождении Тенгиз",утвержденные БПО "Каспморнефтегазпром" и ПО "Зибанефть" и широко внедренные на буровых предприятиях указанных объединений и объединения "Аз-нефть", которые также могут быть внедрены на предприятиях Мингео-логия СССР.

Использование "Методических указаний." позволяет в период начавшегося газопроявления прогнозировать динамику протекания процесса и выбрать оптимальный путь ликвидации осложнения и тем самым предотвратить переход газопроявления в выброс и открытый фонтан.

Своевременное обнаружение газопроявлений, заблаговременное принятие мер по их ликвидации существенно сокращают затраты средств и материалов за счет предотвращения последствий перехода газопроявления в более опасную фазу и увеличивает коммерческую скорость бурения. Экономический эффект от внедрения методических указаний составляет 120 тыс.руб.в год.

В первой главе работы дан анализ отечественных и зарубежных литературных источников по вопросам предупреждения выбросов и отбытых фонтанов. Приведены результаты анализа промысловых материалов, отражающих обстоятельства газопроявлений, выбросов и открытых фонтанов, выявлены основные параметры, характеризующие эти процессы.

Проведенные исследования показали, что процесс газопроявления, определяемый многими факторами, может быть выражен целым набором параметров - измеряемых факторов, - поэтому своевременное обнаружение газопроявления и успешная борьба с ним зависит от учета влияния каждого из этих параметров на процесс. Качественное влияние на процесс большинства параметров определено нефтепромысловой практикой, количественное же влияние остается почти неизученным. Кроме того, недостаточно изучено взаимовлияние этих параметров во время газопроявления. Иначе говоря, отсутствует математическая модель, с достаточной степенью адекватности описывающая процесс. Решению этих вопросов посвящена П глава работы.

Во второй главе рассматривается вопрос о наличии двух фаз в процессе газопроявления, условно называемых "газопроявление" и "более опасная" - открытый фонтан.

Как уже отмечалось, анализ предаварийных ситуаций затрудняется в связи со специфическим характером протекания процесса в каждом нефтяном районе.

Следовательно следует выявить возможность описания процесса посредством системы критериев производных параметров так, чтобы результирующее явление зависило бы только от значения этих критериев и не требовало бы учета дополнительных факторов. Эти вопросы также рассматриваются в главе 2.

В условиях начавшегося газопроявления, когда ситуация определяется большим числом факторов, лишь частично контролируемых и управляемых, важное значение имеет определение степени опасности этого вида осложнения, отчего зависит эффективность принятых мер по предотвращению выбросов и открытых фонтанов. Таким образом,возникает задача о прогнозировании ситуаций, в данном случае - к их классификации. Классификация должна иметь объективный характер,для чего требуется разработать математическую модель переходного процесса.

Третья глава работы посвящена построению модели переходной стадии процесса газопроявления на основе применения различных методов теории распознавания образов. При этом были использованы последовательная диагностическая процедура Вальда, метод потенциальных функций и предложенный автором комбинированный метод распознавания.

Модель, построенная на основе последовательной процедуры Вальда, обладает достаточно простой вычислительной структурой, в связи с чем её использование на практике возможно даже без специальных вычислительных средств. Такая модель обладает ещё и тем достоинством, что она позволяет в период начавшегося газопроявления при зафиксированных значениях неуправляемых параметров выбрать значения управляемых таким образом, чтобы предотвратить переход газопроявления в более опасную фазу: выброс или открытое фонтанирование.

Однако такая модель допускает широкую зону неопределенных ответов. Б модели, основанной на методе потенциальных функций, неопределенных ответов нет,но,используя эту модель, можно получить и неправильные ответы, хотя в нашем случае вероятность получения таких ответов довольно мала. Комбинированный (процедура Вальда, дополненная методом потенциальных функций) метод распознавания, сочетая в себе основные достоинства первых двух, устраняет указанные недостатки.

Алгоритм, реализующий комбинированный метод, составляет основу методики прогнозирования выбросов и открытых фонтанов.

Результаты третьей главы легли в основу разработки методических указаний по предупреждению выбросов и фонтанов при бурении нефтяных и газовых скважин.

И наконец, на основе синтеза результатов предыдущих разделов даются структура и состав математического и программного обеспечения автоматизированных систем предупреждения выбросов и открытых фонтанов, а также технические требования к её созданию. В работе защищаются следующие основные положения:

1. Методика исследования процесса газопроявления с точки зрения предупреждения выбросов и фонтанов.

2. Оценка изменения параметров, характеризующих процесс, во время газопроявления.

3. Исследования по выявлению взаимного влияния параметров, характеризующих процесс.

4. Математические модели процесса газопроявления для конкретных нефтяных районов.

5. Исследования по прогнозированию перехода процесса в более опасную фазу: выброс и фонтан.

6. Разработка системы критериев производных параметров, описывающих переход процесса в более опасную фазу, использование которых позволяет устранить влияние специфики протекания процесса в конкретном нефтяном районе на анализ предаварийных ситуаций.

7. Комплекс мероприятий, обеспечивающий предупреждение выбросов и открытых фонтанов.

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных статьях и методических указаниях, неоднократно докладывались на городских, республиканских и всесоюзных научно-технических конференциях, сессиях, семинарах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Составлено физическое уравнение процесса газопроявления, выявлены закономерности, описывающие процесс, определены доверительные интервалы и наиболее вероятные значения параметров,входящих в физическое уравнение, даны количественные оценки изменения параметров при осложнениях, выявлены степени влияния их как друг на друга, так и в комплексе на процесс.

2. Установлено, что процесс газопроявления можно описать линейным уравнением регрессии, построена математическая модель в указанной форме, которая позволяет в условиях начавшегося газопроявления прогнозировать величину снижения плотности бурового раствора на входе скважины.

3. Установлено, что протекание процесса газопроявления в каждом нефтяном районе имеет специфический характер, что проявляется в различии коэффициентов модели, а также других статистических оценок.

4. Предложена система критериев, то есть набор комплексов параметров с соответствующими вычисленными значениями этих комплексов, характеризующие переход газопроявления в более опасную фазу - выбросы и открытые фонтаны, применение этих критериев позволяет выводить универсальные зависимости и оценки,то есть исключать при исследованиях фактор специфического протекания процесса.

5. Путем применения различных методов классификационного анализа установлена возможность прогнозирования перехода газопроявления в более опасную фазу на основе значений контролируемых параметров; при этом значения рассматриваемых параметров распадаются на две многомерные области, пересечение которых сравнительно невелико.

6. Реализован комбинированный метод классификации, основанный на применении в дополнении друг к другу двух классификационных правил, что позволяет значительно уменьшить вероятность правильных и неопределенных ответов при анализе предвыбросовой и предфонтанной ситуаций.

7. Выработаны решающие правила для прогнозирования протекания процесса газопроявления, принятия решения о переходе его в выброс и открытый фонтан, которые дают возможность, помимо прогнозирования динамики протекания процесса, выбрать значения управляемых параметров при известных значениях неуправляемых в таких пределах, чтобы предотвратить дальнейшую интенсификацию процесса.

1. Сеид-Рза M.K. Технология бурения глубоких скважин в осложнен-ных условиях.-Баку: Азернешр,1963.- 338 с.

2. Газопроявления в скважинах и борьба с ними /А.И.Булатов,Б.И.

3. Рябченко,И.А.Сибирко,H.A.Сидоров.-М.:Недра,1969. -279 с.

4. Малеванский В.Д. Открытые газовые фонтаны и борьба с ними.

5. М.: Гостоптехиздат,1963.- 212 с.

6. Сеид-Рза М.К.,Иоанесян P.A.,Шерстнев Н.М. Предупреждение осложнений при проводке скважин в условиях месторождений Азербайджана. Обзорная информация, сер."Нефтедобывающая промышленность". -Баку: АзНИИНТИ,1965.-79 с.

7. Расизаде Я.М. О факторе, способствующем газопроявлению.- Нефтяное хозяйство,1964,№ 4,с.II-13.

8. Шерстнев Н.М.,Расизаде Я.М.,Ширинзаде С.А. Предупреждение иликвидация осложнений в бурении.-М.: Недра,1979.- 302 с.

9. Предупреждение и ликвидация газонефтепроявлений при бурениискважин /А.О.Озоренко,А.К.Куксов,А.И.Булатов и др.-М.:Недра, 1978.-280 с.

10. Хасаев P.M. Вопросы газобезопасности при бурении скважин.-Баку:1. Азернешр,1973.-76 с.

11. Геллер Е.М. Об условиях поступления газа и нефти в глинистыйраствор бурящихся скважин.-Труды/ ВНЖГГР,1954,вып.2,с.23-27.

12. Мовсуглов A.A. Гидродинамические причины осложнений при проводкенефтяных и газовых скважин.-Баку:Азернешр, 1985.-229 с.

13. Коротаев Ю.П.,Бабалов М.А. Акустический способ измерения дебитааварийных газовых фонтанов.-Газовое дело,1970,В I,c.I5-I7.

14. Куликов Б.В.,Леонов Е.Г.,Малевский В.Д. Измерение дебита аварийных фонтанов газовых и газоконденсатных скважин.-Газовая промышленность,1970,№ 10, с.II-13.

15. Мамиконянц Г.М. Тушение пожаров мощных газовых и нефтяныхфонтанов.-М.:Недра,1971.-96 с.

16. Предупреждение выбросов при бурении скважин: Обзор зарубежной литературы.-М.:ВНИИОЭНГ,1974.-55 с.

17. Предотвращение загрязнения окружающей среды в нефтяной промышленности зарубежных стран: Обзор зарубежной литературы, сер."Нефтепромысловое дело".-М.:ВНИИОЭНГ,1975.-152 с.

18. Предупреждение и ликвидация осложнений при бурении скважин:

19. Обзор зарубежной литературы.-М.:ВНИИ0ЭНГ,1968.-131 с.

20. Вопросы длительной устойчивости стенок глубоких скважин/ М.К.

21. Сеид-Рза,М.Д.Фаталиев,Т.Г.Фараджев,В.Ф.Целовальников.-Баку:Аз ернешр,1969.-146 с.

22. Сургучев М.А. О причинах нефтегазопроявлений продуктивныхпластов при бурении.-Труды/ Гипровостокнефть,1961,вып.Ш, с.100-110.

23. Хасаев P.M. Пути повышения эффективности глубокого бурения.

24. Баку: Азернешр,1978.-98 с.

25. Хасаев P.M. Вопросы газобезопасности в нефтеотдаче.-Баку:1. Азернешр,1979.-71 с.

26. Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи .-М.:Недра,1952.-25 с.

27. Булатов В.В. Температурные напряжения пород стенок скважины.

28. Нефтяное хозяйство,1965,№ 2,с.23-26.

29. Прочность и деформация в неравномерных температурных помех:

30. Сб.научн.работ (под ред.проф.JI.Б.Фридмана.-М.-.Физматгиз, 1952.- с.24,25