автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Повышение уровня промышленной безопасности при строительстве скважин в сложных горно-геологических условиях Западной Сибири

УДК 622.248.3:504.5

На правах рукописи

САВИНОВ РОМАН АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ (на примере Приобского месторождения)

Специальность 05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

5 ДЕК т

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2013

005541»^

005541812

Работа выполнена в Институте нефти и газа Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель - Губайдуллин Марсель Галиуллович,

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Официальные оппоненты: - Нугаев Раис Янфурович,

доктор технических наук, профессор, Государственное унитарное предприятие «Институт проблем транспорта энергоресурсов» (ГУП «ИПТЭР»), главный научный сотрудник отдела «Гидродинамическое моделирование технологических процессов в добыче нефти»

— Дудников Юрии Владимирович,

доктор технических наук, Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Республике Башкортостан, руководитель Управления

Ведущая организация - ОАО «Институт «Нефтегазпроект»

Защита состоится 12 декабря 2013 г. в II30 часов на заседании диссертационного совета Д 222.002.01 при Государственном унитарном предприятии «Институт проблем транспорта энергоресурсов» по адресу: 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП «ИПТЭР». Автореферат разослан 12 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

чЛЪ-

-Худякова Лариса Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Перспективы расширения минерально-сырьевой базы в России, и в частности Западной Сибири, связаны с темпами геолого-разведочных работ, бурением и освоением новых скважин. Примерно две трети углеводородных запасов России и половина связанных с их добычей производственных ресурсов сосредоточены в Западно-Сибирском нефтегазоносном бассейне, одном из крупнейших в мире. К настоящему моменту практически не осталось месторождений с традиционными для него терригенными коллекторами, т.к. они практически все введены в разработку. В этих условиях поддержание добычи углеводородов невозможно без повышения эффективности выработки остаточных трудноизвлекаемых запасов, а также разработки новых месторождений, расположенных в сложных горногеологических и природно-климатических условиях.

Нефтяные и газовые скважины, являясь горно-техническими сооружениями, изначально представляют собой опасные производственные объекты. Большие глубины бурения, высокая литологическая неоднородность и сложность термобарических условий разрабатываемых месторождений только повышают уровень опасности технологических процессов, происходящих на скважинах, и усиливают техногенное воздействие на объекты окружающей среды (ОС).

Анализ строительства скважин в сложных горно-геологических условиях показал, что, как правило, все возникающие осложнения взаимосвязаны и взаимообусловлены. Их сочетание в одном стволе приводит к дополнительным затратам, увеличению сроков строительства скважины, затрудняет их ликвидацию. На борьбу с осложнениями в глубоком бурении в среднем приходится до 20...25 % календарного времени. В ряде случаев в силу некачественных и несвоевременных работ по ликвидации осложнений они переходят в категорию аварий.

Совершенствование и разработка технологических решений, направленных на предупреждение осложнений и аварий, локализацию и ликвидацию их последствий, имеют большую актуальность и научно-прикладную значимость. Обеспечение . технико-экономической

эффективности работ и требований промышленной безопасности при строительстве скважин невозможно без наличия эффективных природоохранных мероприятий, в том числе в области обращения с отходами производства.

Цель работы — обеспечение требований промышленной безопасности при строительстве скважин за счёт совершенствования, разработки ресурсосберегающих, экологически безопасных способов борьбы с осложнениями и авариями, возникающими в сложных горно-геологических условиях.

Основные задачи исследований:

1. Изучение особенностей сложных горно-геологических условий Западной Сибири (на примере Приобского месторождения), влияющих на промышленную и экологическую безопасность технологического процесса нефтегазового освоения;

2. Анализ существующих технологий, направленных на обеспечение требований промышленной безопасности, при строительстве скважин в сложных геологических условиях;

3. Обоснование оптимальных термодинамических режимов систем «скважина - буровой раствор - горная порода», «атмосфера - буровой раствор» при строительстве нефтяных и газовых скважин в сложнопостроенной геологической среде;

4. Совершенствование, разработка технологий бурения глубоких скважин в сложных геологических условиях, глушения открытых фонтанов из нефтегазовых скважин, обеспечивающих выполнение требований промышленной безопасности;

5. Разработка ресурсосберегающих технологий сбора разливов нефти с поверхности водоёмов, нового способа утилизации нефтесодержащих буровых отходов.

Методы решения поставленных задач

При выполнении работы были использованы результаты анализа опубликованных фондовых данных, материалов лабораторных и натурных исследований, полученных автором за период с 2007 по 2012 годы. Лабораторные исследования проводились в Северном (Арктическом) федеральном университете (САФУ) имени М.В. Ломоносова. Основной

объём экспериментальных работ выполнен с участием автора при строительстве скважин на Приобском месторождении Ханты-Мансийского автономного округа Западной Сибири. Для анализа, обработки результатов исследований использовались стандартные компьютерные программы.

Научная новизна результатов работы:

1. Усовершенствован способ бурения скважин, предусматривающий изменение температуры, давления бурового раствора, используемого при вскрытии пластов, характеризующихся высокой литологической неоднородностью и сложностью термобарических условий;

2. Разработан способ ликвидации на месторождениях открытого фонтана из нефтегазовых скважин путем замораживания жидким азотом выделяющего флюида пласта и восходящего потока;

3. Установлено, что закачка охлажденного воздуха под аварийный разлив нефти на поверхности водоёмов с целью поддержания кинематической вязкости нефти свыше 2-10"5м2/с повышает эффективность противоаварийных мероприятий;

4. Теоретически обоснован и практически подтвержден способ утилизации нефтесодержащих отходов путём их послойного вымораживания с последующим разделением и обезвреживанием жидкой и твёрдой фаз буровых отходов.

Защищаемые научные положения:

1. Обеспечение промышленной безопасной эксплуатации скважины путем повышения устойчивости стенок открытого ствола, предупреждения поглощений бурового раствора, притоков в скважину пластовых флюидов, а также сохранения проницаемости продуктивных пластов на 80...90 % от исходных значений при строительстве скважин в сложных горногеологических условиях достигается за счёт охлаждения на 15...25 °С малоглинистого бурового раствора при одновременном увеличении в нём давления на 3...6 % от пластового;

2. Глушение фонтана пластового флюида из скважины путём нагнетания сжиженного азота в аварийную зону ствола скважины, ликвидация разливов нефти с поверхности водоёмов за счет закачки под разлив охлажденного воздуха и поддержания кинематической вязкости

нефти свыше 2-10"5 м2/с обеспечивают увеличение эффективности противоаварийных мероприятий;

3. Утилизация нефтесодержащих отходов путём послойного вымораживания для разделения жидкой и твердой фаз, последующая термическая обработка при температурах свыше 110 °С оставшихся нефтепродуктов и твердых остатков дают возможность их применения в качестве строительных материалов. Таким образом, снижается объём неутилизированных отходов, оказывающих негативное влияние на объекты окружающей среды.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны способы повышения промышленной безопасности при бурении скважин в сложных горно-геологических условиях за счёт регулирования давления и температуры малоглинистого бурового раствора, при глушении открытого фонтана пластового флюида путём нагнетания в аварийную скважину жидкого азота и замораживания поступающей жидкости.

2. Определены и обоснованы показатели термодинамических режимов в системах «скважина - буровой раствор - горная порода», «атмосфера -буровой раствор», необходимые для реализации предлагаемых способов строительства скважин и утилизации отходов бурения.

3. Предложен способ ликвидации разливов нефти, нефтепродуктов с поверхности водоёмов суши, участков морских акваторий, предусматривающий охлаждение, закачку под разлившийся нефтяной слой воздуха, что позволяет снизить затраты и сроки противоаварийных мероприятий.

4. Усовершенствован ресурсосберегающий способ утилизации отходов бурения путём послойного вымораживания и разделения жидкой и твердой фаз отходов, позволяющий без использования дополнительных химических реагентов осуществлять обезвреживание отходов до экологически допустимых норм с минимальными материальными затратами.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на II международной научно-практической конференции «Перспективы и проблемы освоения месторождений нефти и газа в

прибрежно-шельфовой зоне Арктики» (Архангельск, 2010 г.), XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках XIII Российского энергетического форума (Уфа, 2013 г.). Результаты работы апробированы и планируются к внедрению на предприятиях ОАО «Варандейский терминал», ООО «Морнефтесервис» и ООО «НордФлот».

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных трудах, в т.ч. 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получено 4 патента РФ на изобретение.

Структура и объём диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 162 наименования, и 1 приложения. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы, 18 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, обозначены основные защищаемые положения, показаны научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе показана актуальность разработки нефтяных и газовых месторождений, приуроченных к сложным горно-геологическим условиям. На примере Приобского месторождения рассмотрены особенности геологического разреза Западной Сибири в осложненных условиях. Выполнен анализ осложнений и аварий, возникающих при бурении скважин в рассматриваемом регионе, на снижение количества которых направлена диссертационная работа. Показано влияние технологического процесса, строительства скважин на промышленную и экологическую безопасность рассматриваемой территории.

По мере опережающей выработки запасов легких нефтей становится все более актуальной проблема вовлечения в активную разработку огромных ресурсов тяжелых, вязких нефтей, приуроченных к сложным горно-

геологическим условиям. Это обусловлено, во-первых, большими запасами таких углеводородов, во-вторых, многогранностью, сложностью, наукоёмкостью задач, решаемых при их освоении. Осложняющими факторами являются сложнопостроенные коллекторы, возросшие глубины бурения, сложные термобарические условия залежей.

Сложность условий бурения в Западной Сибири определяется, прежде всего, высокой глинистостью разреза. Геологический разрез большинства месторождений представляет собой чередование глин, глинистых сланцев, алевролитов и песчаников. Увеличивается объём геолого-разведочных работ по разработке юрских и палеозойских отложений, характеризующихся наличием аномально высоких пластовых давлений, зон высоких пластовых температур. С другой стороны, по мере выработки углеводородных запасов повышается количество пород-коллекторов с аномально низкими пластовыми давлениями. Все это приводит к многочисленным проблемам проводки стволов вертикальных и особенно наклонно направленных и горизонтальных скважин, пересекающих на больших глубинах динамически напряженные зоны, в том числе горизонты разуплотнённых пород. В этих условиях широко распространены такие виды осложнений, как поглощение буровых растворов, набухание пород стенок скважины, осыпи и обвалы, посадки и затяжки бурильных и обсадных колонн, газонефтеводопроявления.

Обеспечение технико-экономической эффективности работ, требований промышленной и экологической безопасности на опасных производственных объектах, каковыми являются скважины, невозможно без наличия эффективных и доступных решений по предупреждению осложнений и аварий, а также обеспечения готовности организаций к локализации и ликвидации последствий аварийных ситуаций.

Вторая глава посвящена вопросам обеспечения промышленной безопасности при строительстве нефтяных и газовых скважин путём предупреждения и борьбы с осложнениями, возникающими при бурении в сложных горно-геологических условиях. Качественное и своевременное проведение работ по борьбе с осложнениями позволит предупредить развитие аварийных ситуаций и снизить уровень техногенной нагрузки на объекты окружающей среды.

Проведенный автором обзор работ по предотвращению и борьбе с осложнениями и авариями, возникающими при строительстве скважины в сложных геологических условиях, показывает следующее. Каждая из существующих технологий имеет свои ограничения в применении и зачастую носит дискретный характер, т.е. нацелена на решение конкретной задачи, не учитывая комплексность и взаимосвязанность геологических факторов. В данных условиях теоретические и экспериментальные исследования по разработке и совершенствованию технологий, направленных, в первую очередь, на предупреждение осложнений и аварий, способных решать комплексные задачи, являются актуальными и имеют большое научно-практическое значение. При решении таких задач следует уделять внимание конечной цели строительства всех эксплуатационных скважин, а именно получению максимального притока углеводородного флюида, что может быть достигнуто минимизацией негативного воздействия технологического процесса на естественную проницаемость пород-коллекторов.

Одним из важных аспектов, требующих постоянного контроля при строительстве скважин в условиях высоких пластовых температур, является реология буровых растворов. Наличие термодинамических Градиентов между устьем и забоем скважины существенно отражается на процессах обмена энергией между конструкцией скважины, прокачиваемым буровым раствором и горной породой. В зависимости от исходных меняющихся значений температур раствора и разбуриваемых пород происходит нагрев или охлаждение забоя скважины, пород, слагающих стенки скважины, и, соответственно, изменение физических характеристик промывочных жидкостей (плотности, вязкости, водоотдачи и т.п.), что особенно характерно для буровых растворов на углеводородной основе. Известно, что для месторождений Западной Сибири температуры пластов, приуроченных к баженовской свите (мезозойские отложения), коре выветривания (палеозойские отложения), могут достигать 130 °С. При таких высоких температурах реологические параметры промывочных жидкостей могут сильно отличаться от проектных значений, тем самым не обеспечивая возложенные на буровые растворы технологические функции (поддержание стабильности стенок

скважины, качественная очистка ствола скважины от выбуренной породы и т.п.), что повышает риск развития осложнений и аварий.

Разработка и совершенствование технологий, обеспечивающих эффективность строительства скважин, невозможны без учета и понимания термодинамических особенностей взаимодействия объекта исследований с окружающей его средой. Натурные наблюдения за изменениями термодинамического режима системы «скважина - буровой раствор - горная порода» относятся к трудоёмким, дорогостоящим исследованиям. Во многих случаях при осложнениях в ходе строительства скважин, а тем более в процессе развития в них аварий, проводить такие исследования не представляется возможным. Многообразие существующих теоретических расчетов и приближений не всегда позволяет добиться требуемой точности расчётов и, соответственно, определить наиболее эффективные значения регулируемых параметров. В связи с этим существует необходимость обоснования теоретической модели для оценки показателей термодинамического режима бурящейся скважины, обеспечивающей приемлемую точность расчётов.

Анализ результатов теоретических исследований позволил подобрать модель, предложенную Hasan A.R., Kabir C.S. (2002 г.), наиболее точно описывающую изменение температуры бурового раствора в процессе бурения. При этом температуру промывочных жидкостей на любой глубине скважины в произвольный момент времени можно определить по формуле: Tf=Te+gG{\-^{^))A, (1)

где Tf - температура бурового раствора на глубине z; Те - температура породы на той же глубине; gG - геотермический градиент вдоль ствола скважины; L - глубина скважины; А - величина, обратная параметру релаксации LR.

Параметр релаксации LR можно рассматривать как обобщенный коэффициент теплопередачи и давления в системе «скважина - буровой раствор - горная порода». Он измеряется в обратных единицах длины и рассчитывается по формуле:

Т _ 2 Я" ( ftQUloke ) ^R cpw \ke+rt0Ut0TD /'

где ср - теплоемкость раствора; w - скорость прокачки раствора; г,0 -внешний радиус обсадной трубы; U,0 - обобщенный коэффициент теплопередачи, учитывающий перераспределение тепловой энергии при циркуляции бурового раствора; кг ~ теплопроводность породы; TD -безразмерный параметр температуры, учитывающий изменения теплофизических характеристик пород.

Компьютерная реализация приведенного выше алгоритма была проведена автором с учётом исследований Коробова C.B. (2002 г.) при помощи математического пакета Mathcad. Для проверки • решений, полученных с использованием данного алгоритма, были использованы материалы термодинамических исследований на скважине № 8561 Приобского месторождения. Полученные результаты расчетов в целом соответствовали промысловым данным (рисунок 1). Так, например, буровой раствор начальной температурой на поверхности 20 °С при достижении забоя скважины на глубине 2500 м, где пластовая температура составляет 89 °С, нагревается до 51 °С.

1 - фактические значения температуры закачиваемого бурового раствора;

2 - расчётные значения температуры закачиваемого раствора;

3 - геотермический профиль скважины

Рисунок 1 - Сравнение расчётных значений температуры бурового раствора с фактическими (промысловыми) данными

Использование данной теоретической модели позволяет определять начальную

температуру нагнетаемого в скважину бурового раствора с учетом технологических параметров бурения, при которой не произойдет его нагрев выше установленных значений. Охлаждение бурового раствора на дневной поверхности производится при помощи промышленно выпускаемых теплообменников.

Следующим фактором, осложняющим горно-геологические условия в скважине, является малая разница («окно») между градиентом пластового давления и градиентом гидроразрыва пород. Это характерно для многих месторождений Западной Сибири, когда по мере истощения продуктивных пластов образуются зоны аномально низких пластовых давлений, а при закачке в них технической воды для поддержания пластового давления образуются зоны аномально высоких пластовых давлений. В таких условиях сложно, а зачастую невозможно подобрать плотность бурового раствора, обеспечивающую стабильность ствола скважины при остановке циркуляции и в то же время предотвращающую разрыв наиболее слабых пластов при циркуляции раствора (рисунок 2, а). Использование закрытой системы циркуляции бурового раствора с созданием противодавления в затрубном пространстве (ЗП) обеспечивает безопасное ведение работ даже с меньшей начальной плотностью промывочной жидкости при прочих равных условиях (рисунок 2, б).

400 500

\ \ ^ \ * \ \ 1

V \ 3 - л 5

\ \ Vх \

\\ ^ \

\ / ч\ К

1 1 1 \\ Л ^ ч % Л \

а) б)

а) открытая система циркуляции: 1 - кривая пластового давления; 2 - кривая гидростатического давления бурового раствора; 3 - кривая давления гидроразрыва пород; 4 - кривая гидродинамического (при циркуляции) давления бурового раствора; б) система циркуляции с поддержанием противодавления в затрубном пространстве скважины: 1 - кривая пластового давления; 2 - кривая гидростатического давления при начальной плотности раствора; 3 - кривая давления гидроразрыва пород; 4 - кривая гидростатического давления бурового раствора с созданием противодавления в ЗП скважины; 5 - кривая гидродинамического давления бурового раствора с созданием противодавления в ЗП скважины

Рисунок 2 - Графики зависимости давления от глубины скважины

С учетом вышеизложенного при непосредственном участии автора усовершенствован и предлагается к внедрению способ строительства скважин, обеспечивающий комплексное решение геолого-технических задач, связанных с поддержанием устойчивости стенок скважин, предупреждением поглощения бурового раствора, предотвращением притока в скважину пластовых флюидов, а также сохранением проницаемости продуктивных пластов на 80.. .90 % от исходных значений.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании малоглинистого бурового раствора для бурения различных по свойствам горных пород, при этом содержание ингибитора и кольматанта может меняться в зависимости от типа разбуриваемых пород. При этом постоянно поддерживается определенная величина противодавления в затрубном пространстве (порядка 3...6 % от величины горного давления) и осуществляется охлаждение бурового раствора на поверхности на 15...25 °С. Принципиальная схема системы циркуляции представлена на рисунке 3.

6

1 - скважина; 2 - ёмкость с буровым раствором; 3 - установка охлаждения бурового раствора; 4 - насос для создания противодавления в затрубном пространстве скважины; 5 - блок противовыбросового оборудования; 6 - буровой насос

Рисунок 3 - Принципиальная схема циркуляции при бурении

с управляемыми давлением и температурой бурового раствора

Для снижения объёма фильтрата, проникающего во вскрываемые пласты, а также минимизации загрязнения пород-коллекторов твёрдыми

частицами и сохранения их естественной проницаемости на 80...90 % содержание и фракционный состав кольматантов необходимо подбирать, используя теорию идеальной упаковки, разработанную Кауффером.

Применение усовершенствованного автором способа бурения скважин позволит в сложных горно-геологических условиях Западной Сибири, характеризующихся высокими температурами, зонами аномально высоких и аномально низких пластовых давлений, эффективно предупреждать комплекс осложнений геологического характера, обеспечивая качественное вскрытие продуктивных пластов и требования промышленной безопасности, что особенно актуально при строительстве глубоких нефтяных и газовых скважин.

Третья глава посвящена совершенствованию технологий ликвидации аварийных фонтанов пластового флюида из скважин, что обеспечит соблюдение требований промышленной безопасности и снизит экологическую нагрузку на объекты окружающей среды.

Особую опасность из всех видов осложнений при бурении скважин представляют непрогнозируемые и неконтролируемые

газонефтеводопроявления, которые зачастую приводят к выбросу пластового флюида и открытому фонтанированию скважин и, как следствие, к большим материальным и экологическим ущербам. Несмотря на достигнутый уровень техники и технологии бурения, аварии, связанные с открытым фонтанированием скважин, имеют место и в настоящее время. Современные способы ликвидации аварий не всегда способны обеспечить эффективное и оперативное глушение открытых фонтанов. Поэтому совершенствование имеющихся и разработка новых технологий глушения открытых фонтанов позволят повысить готовность предприятий, эксплуатирующих опасный производственный объект, к проведению противоаварийных мероприятий.

Для глушения фонтана пластового флюида из скважины был разработан способ, предусматривающий нагнетание и замораживание аварийной зоны ствола скважины и восходящего потока пластового флюида сжиженным азотом. После резкого переохлаждения в аварийной зоне скважины горной породы и блокирования пластового флюида в соответствии с действующими технологическими регламентами производятся установка цементных мостов и работы по ликвидации участка ствола или всей скважины. Способ глушения

неконтролируемого открытого фонтана на скважине реализуется следующим образом. В аварийную скважину (рисунок 4, а), имеющую обсадную колонну 1 и открытый (необсаженный) ствол 3, до продуктивного горизонта (пласта) 5 спускают колонну труб 2. В призабойную зону скважины нагнетают расчетный объём жидкого азота (рисунок 4, б). После охлаждения призабойной зоны скважины (продуктивный пласт 5, затрубное пространство 4, вышерасположенные породы мощностью 150...300 м), понижения вязкости и блокирования восходящего флюида устанавливают цементный мост путем закачки расчётного объема цементного раствора (рисунок 4, в). Во время установки цементного моста рекомендуется одновременный подъем колонны труб 2.

а) б) в)

а) приток пластового флюида в скважину; б) закачка жидкого азота в призабойную зону скважины; в) установка цементного моста в стволе аварийной скважины

1 - обсадная колонна скважины; 2 - колонна бурильных труб; 3 - открытый ствол скважины; 4 - затрубное пространство; 5 - продуктивный горизонт; 6 - призабойная зона скважины; 7 - зона промерзания; 8 - цементный мост

Рисунок 4 - Способ глушения открытого фонтана путем закачки жидкого азота и установки цементного моста

Реализация данного способа основана на свойствах жидкого азота охлаждать окружающую среду при быстром его расширении, в результате чего происходят резкое повышение вязкости и блокирование восходящего

аварийного потока жидкости. Использовать данный способ возможно при ликвидации аварий как на добывающих, так и бурящихся скважинах.

В четвёртой главе обоснован способ, позволяющий повысить эффективность мероприятий по сбору разливов нефти и нефтепродуктов с поверхности водоемов.

Неизбежными результатами аварийных ситуаций, связанных с открытым фонтанированием нефтяных и газовых скважин, являются разливы нефти на поверхности суши или водоемов. Воздействие нефти на природные объекты проявляется в виде токсического эффекта как на биосферу, так и на биотопы различных трофических уровней, объекты абиотической среды. Процессы самоочищения, восстановления плодородия почв происходят десятки лет. При определяющем значении контакта атмосферы и гидросферы в производстве водной флоры, фауны загрязнение водоёмов углеводородным сырьем наносит ощутимый вред экосистемам, приводит к негативным экономическим и социальным последствиям. Наглядным примером того служит авария на нефтяной платформе «Deepwater Horizon», произошедшая в 2010 г. в Мексиканском заливе, в результате которой в воды залива поступило свыше 4 млн баррелей нефти.

Особо сложными являются локализация и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов с поверхности водоёмов в силу быстрого и обширного распространения разлива по поверхности воды с образованием тонкой нефтяной плёнки. Считается, что одна тонна нефти способна покрыть площадь до 12 квадратных километров поверхности водоёма.

Среди существующих мероприятий по сбору с водной поверхности аварийных разливов нефти одним из основных и наиболее приемлемых с экологической точки зрения является механический способ. Наибольшая эффективность его достигается в первые часы после разлива. Это связано с тем, что толщина слоя нефти остается достаточно большой. При малой толщине нефтяного слоя, большой площади его распространения и постоянном движении поверхностного слоя под воздействием ветра и волн механический сбор достаточно затруднен.

С целью повышения эффективности противоаварийных мероприятий автором предлагается новый способ сбора, удаления разливов нефти, нефтепродуктов в различных погодных условиях (рисунок 5). Разработанный

способ основан на особенностях термодинамического взаимодействия -водной поверхности и разлива нефти, а также максимального контакта нефтесборной воронки судна с поверхностью разлива.

А-А

2

1 - судно-нефтесборщик; 2 - боновое заграждение; 3 - разлив нефти; 4 - гибкие шланги от компрессорной установки; 5 - компрессор; б - вакуумный насос; 7 - приёмная ёмкость; 8 - нефтесборная воронка; 9 - шарниры элементов нефтесборной воронки; 10 - поплавки; 11 - пригрузы; 12 - эластичные вкладыши; 13 - холодильный агрегат; 14 - гибкие шланги вакуумного насоса; 15 - диспергированный воздухом слой воды

Рисунок 5 - План разлива нефти, судна и нефтесборной воронки

Реализация предлагаемого способа осуществляется в следующей последовательности. После установки с судна бонового заграждения, сжатия и локализации нефтяного разлива на поверхности водоёма производят закачку под разлив нефти охлажденного воздуха с целью повышения и поддержания её кинематической вязкости свыше 2-10'5 м2/с. Стендовые и теоретические исследования, проведённые автором, подтвердили 5...7-кратное повышение кинематической вязкости плавающей на водной

поверхности нефти в результате изменения её температуры с 20 °С до 6 °С. Далее производят удаление нефти с поверхности водоёма при помощи нефтесборной воронки, соединенной гибкими шлангами с вакуум-насосом и приёмной ёмкостью. Предлагаемый способ позволит более чем в два раза снизить затраты и сроки противоаварийных работ.

Предлагаемый автором способ сбора, локализации, удаления разливов нефти, нефтепродуктов планируется включить в состав плана ликвидации аварийных разливов нефти на предприятии ООО «НордФлот», на балансе которого состоит нефтетанкер «Сёмжа».

Пятая глава посвящена совершенствованию способа утилизации отходов бурения, в том числе и нефтесодержащих, позволяющего без использования дополнительных химических реагентов осуществлять обезвреживание отходов до экологически допустимых норм с минимальными материальными затратами.

Увеличение в последние годы объёмов бурения неизбежно приводит к увеличению количества промышленных отходов и повышению уровня техногенной нагрузки на объекты окружающей среды. В процессе строительства скважин наиболее негативное воздействие на объекты окружающей среды оказывают отходы бурения, включающие отработанные буровые растворы, буровые сточные воды и буровые шламы. Так, для условий Западной Сибири на 1 м проходки образуется от 0,2 до 0,6 м3 отходов бурения. С позиций опасности для почвенно-растительных покровов, водоёмов особое внимание уделяется промышленным отходам, содержащим в своем составе нефть или нефтепродукты.

Большинство решений по разделению и нейтрализации нефтесодержащих отходов основано на использовании различных физико-химических способов, предусматривающих использование дополнительных реагентов. При этом показатели очистки, обезвреживания буровых отходов чаще всего не соответствуют международным и отечественным экологическим регламентам. С целью снижения негативного воздействия на объекты окружающей среды разработка и совершенствование способов обращения с отходами, основанных на их физическом разделении и обезвреживании до установленных нормативов, приобретают особую

значимость на фоне повышения требований промышленной и экологической безопасности.

Разработка способа разделения, утилизации нефтесодержащих отходов бурения, в частности буровых растворов, была основана на особенностях теплофизического взаимодействия продуктов разделения с окружающей их средой.

Для описания режимов охлаждения, промораживания жидких буровых отходов использованы дифференциальное уравнение теплопроводности льда и уравнение баланса тепла в качестве граничного условия. Уравнение теплопроводности для льда с горизонтальной поверхностью, много большей его толщины, с учётом исследований Доронина Ю.П. (1975 г.), Степаненко В.М. (2007 г.) можно записать в виде:

где сI - теплоёмкость льда; Л/ — коэффициент теплопроводности льда; / - мощность тепловых источников в толще нарастающего льда; £ - толщина льда; р! — плотность льда; Т\ — температура льда; х — вертикальная координата, направленная от поверхности льда вниз; ? — время.

Решение уравнения (3) сопряжено с трудностями, поскольку теплоёмкость и теплопроводность льда являются функциями его температуры, а сама толщина льда со временем возрастает. Если внутреннее промерзание в образовавшейся толще льда не учитывать и его теплофизические характеристики принимать за постоянные величины, то уравнение (3) можно представить в виде:

ЗГ, д2т.

При этом на границе «лёд - вода» выполняются следующие условия:

0 < ж < £(/),

(3)

(5)

(6)

В выражениях (4) - (7) использованы следующие обозначения: а - коэффициент температуропроводности льда; Ь - удельная теплота кристаллизации воды; 0„ и Ош - потоки тепла на границах «лёд - воздух» и «вода - лёд»; Т0 - температура замерзания воды; Т2 - температура воды подо льдом. •

После выполнения многочисленных преобразований и упрощений задача Стефана сводилась к решению системы дифференциальных уравнений по методу, предложенному Меламедом В.Г. В расчётной схеме учитываются изменения теплофизических характеристик льда при промерзании и оттаивании. Проведённая автором компьютерная реализация предлагаемой расчётной методики с использованием известных численных методов, конкретных исходных метеорологических и других данных позволяет отметить следующее. По расчётам, выполненным на ПК численным методом, и натурным наблюдениям за временем промерзания в ёмкости буровой жидкости начальной температурой 0,5 °С при объёме 20 м3на глубину 0,15 м (исходная толщина слоя жидкости 0,35 м при температуре воздуха минус 22 °С) время промерзания промывочной жидкости составило соответственно 10 и 12 часов.

Предлагаемая автором расчётная модель позволяет с необходимой для инженерных решений точностью определять объёмы и время охлаждения (промораживания) сточных вод, промывочных жидкостей за счёт естественного или искусственного источника холода, обезвреживания до 40 % исходного объёма загрязнённой жидкости без использования для этого токсичных химико-биологических веществ.

С учётом выполненного теоретического обоснования был разработан и предлагается способ утилизации отходов бурения, не требующий использования дополнительных химических реагентов (рисунок 6). Он предусматривает послойное (сверху вниз) вымораживание и разделение промышленных отходов на твёрдую и жидкую фазы при одновременном (частичном, до 40 %) обезвреживании последней. Рассол (высокоминерализованную жидкость) при необходимости заливают в дополнительные ёмкости и известными химическими способами производят обезвреживание воды до уровня предельно допустимой концентрации. В случаях, когда это не удаётся, целесообразно дополнительно использовать очистку воды активированным углем. Очищенные воды сбрасываются в

водоёмы, на рельеф местности или утилизируются в ходе строительства скважин. Утилизацию оставшейся твёрдой фазы отходов и нефти производят в процессе последующей термической их обработки при температуре свыше 110 °С, а после охлаждения получают строительные материалы для строительства дорог, технологических площадок и других сооружений. Способ можно реализовать зимой за счёт естественного холода, а в период положительных температур - с использованием холодильных агрегатов.

4

1 - ёмкость для разделения отходов; 2 - днище емкости; 3 - твердая фаза отходов; 4 - ледяной блок; 5 - эмульсия (жидкая составляющая отходов); 6 - поворотная ось емкости; 7 - вибрационная установка; 8 - перфорированные трубки

Рисунок 6 — Схема утилизации отходов бурения

С целью практического подтверждения эффективности предлагаемого способа совместно с Петровой A.B. (2012 г.) был выполнен ряд лабораторных исследований. Испытания включали обезвреживание и определение содержания нефтепродуктов в 4 образцах нефтезагрязненных льяльных вод с различными концентрациями в них водородных и гидроксильных ионов. Результаты определения концентраций нефтепродуктов в водах до и после обезвреживания и разделения с использованием предлагаемого способа приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Содержание нефтепродуктов в воде до и после применения технологии

Стадия очистки нефтесодержащих вод Содержание нефтепродуктов в воде с различными концентрациями в ней водородных и гидроксильных ионов, мг/дм3

pH = 4,1 pH = 7,2 pH = 9,5 рН= 10,8

До очистки 3,83 4,21 3,92 4,08

После очистки 0,12 0,15 0,13 0,14

Исследованиями подтверждены возможности выполнения эффективного обезвреживания сточных вод от нефтезагрязнений, очистки нефтепродуктов от воды за счёт их охлаждения в диапазоне 0...4 °С. Согласно действующим нормативам очищенная вода пригодна для сброса в водоемы санитарно-бытового водопользования. Данный способ планируется внедрять на объектах нефтегазового комплекса, в частности в ОАО «Варандейский терминал», ООО «Роснефть - Архангельскнефтепродукт» и ООО «Морнефтесервис».

Экономическая эффективность способа была рассчитана на примере утилизации 1000 м3 нефтесодержащих отходов при содержании твердой фазы 30 % по объёму. Основные технико-экономические показатели предлагаемого способа представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Технико-экономические показатели предлагаемого способа

утилизации нефтесодержащих отходов

Стоимость установки, тыс. руб. Производительность установки, м3/сут Стоимость утилизации отходов, руб./м3 Срок окупаемости установки, сут (м3 отходов)

941 40...45 1620 19 (770)

Принимая среднюю стоимость утилизации отходов бурения на полигонах Западной Сибири равной 1900 руб./м3, предлагаемая технология обеспечивает экономию средств в размере 17,3 %.

Применение предлагаемого автором способа разделения и утилизации жидких отходов, в том числе нефтесодержащих, позволит повысить экологическую безопасность в нефтегазовой отрасли. Данное техническое решение может быть успешно применено на предприятиях, занимающихся строительством скважин, переработкой и транспортировкой нефти или нефтепродуктов, что подтверждается выполненными теоретическими и лабораторными исследованиями.

Основные выводы

1. Показана актуальность разработки месторождений нефти и газа Западной Сибири, характеризующихся сложными горно-геологическими условиями. Рассмотрены осложнения, возникающие при строительстве скважин, их влияние на промышленную и экологическую безопасность осваиваемого региона.

2. Исследованы существующие технологии борьбы с осложнениями и авариями, возникающими при строительстве скважин в сложных горногеологических условиях, выявлены их недостатки и ограничения, проанализированы мероприятия в области обращения с отходами производства.

3. Осуществлены анализ и выбор расчётных методик, позволяющих с необходимой для инженерных решений точностью определять значения термодинамических показателей систем «скважина - буровой раствор -горная порода», «атмосфера - буровой раствор», необходимых для реализации предлагаемых автором способов строительства скважин в сложных геологических условиях и утилизации буровых отходов.

4. Усовершенствован способ строительства скважин, предусматривающий регулирование давления и температуры малоглинистого бурового раствора и обеспечивающий устойчивость стенок скважин, предупреждение поглощений буровых растворов, притоков пластового флюида, а также сохранение проницаемости продуктивных коллекторов на 80.. .90 % от исходных значений.

5. Разработан способ ликвидации открытых фонтанов пластового флюида из нефтяных и газовых скважин путём замораживания аварийного потока жидким азотом, что обеспечит повышение уровня промышленной безопасности при строительстве и эксплуатации скважин.

6. Предложен способ сбора разливов нефти с поверхности водоёмов суши или участков морских акваторий, включающий охлаждение, закачку под нефтяной разлив воздуха для увеличения кинематической вязкости нефти и повышения эффективности сбора пленки нефти. Способ принят к внедрению в ООО «НордФлот».

7. Усовершенствован способ обезвреживания, утилизации буровых отходов, предусматривающий послойное вымораживание, разделение промышленных отходов на составляющие и частичное (до 40 %) обезвреживание жидкой фазы отходов. Эффективность данного способа была подтверждена в лабораторных условиях. Способ планируется к внедрению на предприятиях ОАО «Варандейский терминал», ООО «Роснефть -Архангельскнефтепродукт» и ООО «Морнефтесервис».

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных трудах:

Ведущие рецензируемые научные журналы

1. Савинов, Р. А. Анализ и совершенствование методов обращения с отходами бурения скважин [Текст] / Р. А Савинов, А. В. Калашников, Д. А. Конюхов, А. В. Петрова // НТЖ «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе». - 2011. - № 8. - С. 34-36.

2. Савинов, Р. А. Совершенствование технологий бурения скважин в сложных горно-геологических условиях [Текст] / Р. А. Савинов, М. Г. Губайдуллин, Д. А. Конюхов // НТЖ «Нефтепромысловое дело». - 2012. -№8.-С. 34-35.

3. Савинов, Р. А. Глушение аварийных фонтанов пластовых флюидов из скважин и ликвидация их негативного воздействия на объекты окружающей среды [Текст] / Р. А. Савинов, А. В. Конюхов // НТЖ «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе». - 2013. - № 1. - С. 39-42.

4. Савинов, Р. А. Повышение уровня промышленной безопасности при строительстве нефтяных и газовых скважин в сложных горно-геологических условиях [Текст] / Р. А. Савинов, М. Г. Губайдуллин, А. В. Конюхов // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов» / ИПТЭР. -2013. - Вып. 2 (92). - С. 78-83.

Патенты

5. Пат. 2451786 Российская Федерация, МПК Е 21 В 21/14, С 09 К 8/20. Способ строительства глубоких скважин в сложных геологических условиях [Текст] / Конюхов А. В., Савинов Р. А., Усачев И. А., Конюхов Д. А.; патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет». - № 2011100766/03; заявл. 12.01.2011; опубл. 27.05. 2012, Бюл. № 15.

6. Пат. 2454440 Российская Федерация, МПК С 08 I 11/00. Способ утилизации отходов нефтегазовой промышленности [Текст] / Калашников А. В., Конюхов Д. А., Савинов Р. А., Усачев И. А.; патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет». - № 2011100761/05; заявл. 12.01.2011; опубл. 27. 06.2012, Бюл. № 18.

7. Пат. 2473779 Российская Федерация, МПК Е 21 В 33/10. Способ глушения фонтана флюида из скважины [Текст] / Конюхов А. В., Савинов Р. А., Конюхов Д. А., Усачёв И. А.; патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет». - № 2011110670/03; заявл. 21.03.2011; опубл. 27. 01. 2013, Бюл. № 3.

8. Пат. 2475590 Российская Федерация, МПК Е 02 В 15/04, Е 02 В 15/10. Способ и устройство для сбора, удаления нефти с поверхности водоёмов [Текст] / Губайдуллин М. Г., Калашников А. В., Конюхов Д. А., Мосягин А. И., Савинов Р. А.; патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет». - № 2011120552/13; заявл. 20.05.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.

Прочие печатные издания

9. Савинов, Р. А. О состоянии и направлениях утилизации нефтесодержащих отходов бурения наклонно направленных скважин в северных регионах [Текст] / Р. А. Савинов, А. В. Конюхов // Вестн. АГТУ. Сер. «Прикладная геоэкология». -2009.-Вып. 82.-С. 28-31.

10. Савинов, Р. А. Актуальность разработки новых составов промывочных жидкостей с регулируемыми свойствами для сложных геологических условий [Текст] / Р. А. Савинов, А. В. Конюхов, М. Г. Губайдуллин // Перспективы и проблемы освоения месторождений нефти и газа в прибрежно-шельфовой зоне Арктики: матер, междунар. научн.-практ. конф. - Архангельск, 2010. - С. 149-152.

11. Савинов, Р. А. Предложения по утилизации буровых отходов [Текст] / Р. А. Савинов // Журнал «Научный аспект», - Самара: ООО «Аспект», 2013. - № 2. -С. 263-266.

12. Савинов, Р. А. О повышении эффективности противоаварийных мероприятий при ликвидации разливов нефти с водной поверхности [Текст] / Р. А. Савинов, М. Г. Губайдуллин // Энергоэффективность. Проблемы и решения: матер. XIII Всеросс. научн.-практ. конф. 23 октября 2013 г. - Уфа, 2013. - С. 221222.

Фонд содействия развитию научных исследований.

Подписано к печати 11.11.2013 г. Формат 60 х 90 1/16.

Усл. печ. л. 1,112. Бумага писчая.

Тираж 100 экз. Заказ № 231.

Ротапринт ГУП «ИПТЭР». 450055, г. Уфа, пр. Октября, 144/3.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТРАНСПОРТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ»

(ГУП «ИПТЭР»)

САВИНОВ РОМАН АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

ЗАПАДНОЙ СИБИРИ (на примере Приобского месторождения)

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность

(нефтегазовый комплекс)

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, профессор Губайдуллин Марсель Галиуллович

04201452087

ДИССЕРТАЦИЯ

Уфа 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4

1. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ИХ ВЛИЯНИЕ

НА ПРОМЫШЛЕННУЮ И ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ

БЕЗОПАСНОСТЬ РАССМАТРИВАЕМОГО РЕГИОНА............... 9

1.1. Актуальность разработки месторождений нефти и газа в сложных горно-геологических условиях Западной Сибири........................ 9

1.2. Особенности геологических условий Западной Сибири

(на примере Приобского месторождения)................................. 14

1.3. Осложнения, возникающие при строительстве скважин в сложных горно-геологических условиях............................................... 19

1.4. Влияние технологического процесса строительства скважин

на промышленную и экологическую безопасность рассматриваемой территории........................................................................ 27

2. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАДИЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОСЛОЖНЕНИЙ И АВАРИЙ. ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ............ 30

2.1. Анализ эффективности традиционных технологий предупреждения осложнений и аварий при бурении скважин в условиях Западной

Сибири............................................................................... 31

2.1.1. Проблемы обеспечения устойчивости стенок скважин и пути

их решения......................................................................... 31

2.1.2. Поглощения буровых растворов и мероприятия

по их ликвидации................................................................ 39

2.1.3. Осложнения и аварии, связанные с поступлением пластового

флюида в ствол скважины. Мероприятия по их предупреждению.... 42

2.1.4. Изменение проницаемости призабойной зоны пласта

при вскрытии её бурением..................................................... 48

2.2. Определение показателей термодинамического режима в системе «скважина - буровой раствор - горная порода»....................................................54

2.3. Совершенствование способа строительства скважин, направленного на предупреждение геологических осложнений за счёт регулирования температуры и давления бурового раствора....................61

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ ФОНТАНОВ ПЛАСТОВОГО ФЛЮИДА ИЗ НЕФТЯНЫХ

И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН......................................................... 69

31. Анализ существующих способов ликвидации открытого

фонтанирования скважин........................................................ 69

3.2. Разработка способа глушения фонтана пластового флюида

из скважины, основанного на использовании жидкого азота....................82

3.3. Расчёт необходимого объёма жидкого азота для замораживания аварийного потока нефти........................................................ 85

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ НЕФТИ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЕМОВ........................................................................ 88

4.1. Анализ эффективности современных технологий ликвидации

аварийных разливов нефти с водной поверхности........................ 89

4.2. Совершенствование технологии ликвидации аварийных разливов нефти с поверхности водоёмов................................................ 94

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАЩЕНИЯ С НЕФТЕСОДЕРЖАЩИМИ ОТХОДАМИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН......................................... 99

5.1. Анализ эффективности современных способов разделения и утилизации промышленных отходов, возникающих

при строительстве скважин...................................................... 99

5.2. Моделирование теплофизического процесса при обезвреживании нефтесодержащих буровых отходов......................................... 106

5.3. Совершенствование технологии разделения и обезвреживания нефтесодержащих отходов бурения................................................................................108

5.4. Оценка экономической эффективности усовершенствованного способа утилизации нефтесодержащих отходов........................... 113

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................................................ 116

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................ 118

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Акты внедрения................................................... 138

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований

Перспективы расширения минерально-сырьевой базы в России, и в частности Западной Сибири, связаны с темпами геолого-разведочных работ, бурением и освоением новых скважин. Примерно две трети углеводородных запасов России и половина связанных с их добычей производственных ресурсов сосредоточены в Западно-Сибирском нефтегазоносном бассейне, одном из крупнейших в мире. К настоящему моменту практически не осталось месторождений с традиционными для него терригенными коллекторами, т.к. они практически все введены в разработку. В этих условиях поддержание добычи углеводородов невозможно без повышения эффективности выработки остаточных трудноизвлекаемых запасов, а также разработки новых месторождений, расположенных в сложных горногеологических и природно-климатических условиях.

Нефтяные и газовые скважины, являясь горно-техническими сооружениями, изначально представляют собой опасные производственные объекты. Большие глубины бурения, высокая литологическая неоднородность и сложность термобарических условий разрабатываемых месторождений только повышают уровень опасности технологических процессов, происходящих на скважинах, и усиливают техногенное воздействие на объекты окружающей среды (ОС).

Анализ строительства скважин в сложных горно-геологических условиях показал, что, как правило, все возникающие осложнения взаимосвязаны и взаимообусловлены. Их сочетание в одном стволе приводит к дополнительным затратам, увеличению сроков строительства скважины, затрудняет их ликвидацию. На борьбу с осложнениями в глубоком бурении в среднем приходится до 20...25 % календарного времени. В ряде случаев в силу некачественных и несвоевременных работ по ликвидации осложнений они переходят в категорию аварий.

Совершенствование и разработка технологических решений, направленных на предупреждение осложнений и аварий, локализацию и ликвидацию их последствий, имеют большую актуальность и научно-прикладную значимость. Обеспечение технико-экономической эффективности работ и требований промышленной безопасности при строительстве скважин невозможно без наличия эффективных природоохранных мероприятий, в том числе в области обращения с отходами производства.

Цель работы - обеспечение требований промышленной безопасности при строительстве скважин за счёт совершенствования, разработки ресурсосберегающих, экологически безопасных способов борьбы с осложнениями и авариями, возникающими в сложных горно-геологических условиях.

Основные задачи исследований:

1. Изучение особенностей сложных горно-геологических условий Западной Сибири (на примере Приобского месторождения), влияющих на промышленную и экологическую безопасность технологического процесса нефтегазового освоения;

2. Анализ существующих технологий, направленных на обеспечение требований промышленной безопасности, при строительстве скважин в сложных геологических условиях;

3. Обоснование оптимальных термодинамических режимов систем «скважина - буровой раствор - горная порода», «атмосфера - буровой раствор» при строительстве нефтяных и газовых скважин в сложнопостроенной геологической среде;

4. Совершенствование, разработка технологий бурения глубоких скважин в сложных геологических условиях, глушения открытых фонтанов из нефтегазовых скважин, обеспечивающих выполнение требований промышленной безопасности;

5. Разработка ресурсосберегающих технологий сбора разливов нефти с поверхности водоёмов, нового способа утилизации нефтесодержащих буровых отходов.

Методы решения поставленных задач

При выполнении работы были использованы результаты анализа опубликованных фондовых данных, материалов лабораторных и натурных исследований, полученных автором за период с 2007 по 2012 годы. Лабораторные исследования проводились в Северном (Арктическом) федеральном университете (САФУ) имени М.В. Ломоносова. Основной объём экспериментальных работ выполнен с участием автора при строительстве скважин на Приобском месторождении Ханты-Мансийского автономного округа Западной Сибири. Для анализа, обработки результатов исследований использовались стандартные компьютерные программы.

Научная новизна результатов работы:

1. Усовершенствован способ бурения скважин, предусматривающий изменение температуры, давления бурового раствора, используемого при вскрытии пластов, характеризующихся высокой литологической неоднородностью и сложностью термобарических условий;

2. Разработан способ ликвидации на месторождениях открытого фонтана из нефтегазовых скважин путем замораживания жидким азотом выделяющего флюида пласта и восходящего потока;

3. Установлено, что закачка охлажденного воздуха под аварийный разлив нефти на поверхности водоёмов с целью поддержания кинематической

5 2

вязкости нефти свыше 2 10" м /с повышает эффективность противоаварийных мероприятий;

4. Теоретически обоснован и практически подтвержден способ утилизации нефтесодержащих отходов путём их послойного вымораживания с последующим разделением и обезвреживанием жидкой и твёрдой фаз буровых отходов.

Защищаемые научные положения:

1. Обеспечение промышленной безопасной эксплуатации скважины путем повышения устойчивости стенок открытого ствола, предупреждения поглощений бурового раствора, притоков в скважину пластовых флюидов, а также сохранения проницаемости продуктивных пластов на 80...90 % от исходных значений при строительстве скважин в сложных горногеологических условиях достигается за счёт охлаждения на 15...25 °С малоглинистого бурового раствора при одновременном увеличении в нём давления на 3.. .6 % от пластового;

2. Глушение фонтана пластового флюида из скважины путём нагнетания сжиженного азота в аварийную зону ствола скважины, ликвидация разливов нефти с поверхности водоёмов за счет закачки под разлив охлажденного воздуха и поддержания кинематической вязкости нефти

5 2

свыше 2-10" м/с обеспечивают увеличение эффективности противоаварийных мероприятий;

3. Утилизация нефтесодержащих отходов путём послойного вымораживания для разделения жидкой и твердой фаз, последующая термическая обработка при температурах свыше 110 °С оставшихся нефтепродуктов и твердых остатков дают возможность их применения в качестве строительных материалов. Таким образом, снижается объём неутилизированных отходов, оказывающих негативное влияние на объекты окружающей среды.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны способы повышения промышленной безопасности при бурении скважин в сложных горно-геологических условиях за счёт регулирования давления и температуры малоглинистого бурового раствора, при глушении открытого фонтана пластового флюида путём нагнетания в аварийную скважину жидкого азота и замораживания поступающей жидкости.

2. Определены и обоснованы показатели термодинамических режимов в системах «скважина - буровой раствор - горная порода», «атмосфера -буровой раствор», необходимые для реализации предлагаемых способов строительства скважин и утилизации отходов бурения.

3. Предложен способ ликвидации разливов нефти, нефтепродуктов с поверхности водоёмов суши, участков морских акваторий, предусматривающий охлаждение, закачку под разлившийся нефтяной слой воздуха, что позволяет снизить затраты и сроки противоаварийных мероприятий.

4. Усовершенствован ресурсосберегающий способ утилизации отходов бурения путём послойного вымораживания и разделения жидкой и твердой фаз отходов, позволяющий без использования дополнительных химических реагентов осуществлять обезвреживание отходов до экологически допустимых норм с минимальными материальными затратами.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на II международной научно-практической конференции «Перспективы и проблемы освоения месторождений нефти и газа в прибрежно-шельфовой зоне Арктики» (Архангельск, 2010 г.), XIII Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность. Проблемы и решения» в рамках XIII Российского энергетического форума (Уфа, 2013 г.). Результаты работы апробированы и планируются к внедрению на предприятиях ОАО «Варандейский терминал», ООО «Морнефтесервис» и ООО «НордФлот».

1. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОМЫШЛЕННУЮ И ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ РАССМАТРИВАЕМОГО РЕГИОНА

Основная добыча в России сосредоточена в уникальном по масштабу Западно-Сибирском нефтегазоносном бассейне (НГБ), который более сорока лет является главным районом добычи нефти и газа. По мере опережающей выработки запасов легких нефтей дальнейший прирост минерально-сырьевой базы страны и наращивание объёмов добычи требуют открытия новых месторождений, доразведки уже разрабатываемых и вовлечения трудноизвлекаемых запасов за счёт освоения глубоких горизонтов, характеризующихся более сложными горно-геологическими условиями бурения и эксплуатации скважин.

Несмотря на возросший уровень технологий строительства скважин, осложнения, связанные с нестабильностью вскрываемых горных пород, поглощениями технологических жидкостей, проявлениями пластовых флюидов и др., имеют место и в настоящее время. Всё это в совокупности с постоянно увеличивающейся сложностью геологических условий только повышает уровень опасности технологических процессов, происходящих на скважинах, и усиливает техногенное воздействие на объекты окружающей среды.

Поэтому совершенствование и разработка новых технологических решений, направленных на предупреждение и борьбу с осложнениями и авариями, в особенности при бурении глубоких скважин, остаются актуальными вопросами, требующими дополнительных теоретических и лабораторных исследований.

1.1. Актуальность разработки месторождений нефти и газа в сложных горно-геологических условиях Западной Сибири

Российская Федерация занимает одно из лидирующих мест по запасам и добыче углеводородного сырья во всем мире. Так, в 2010 г. в стране было добыто 501,4 млн тонн нефти и конденсата и 623 млрд м газа, что составило

более 18 % мирового производства углеводородного сырья [39]. По добыче сырой нефти Россия занимает первое место, на её долю приходится около 13 % мировой добычи. При этом две трети добычи российской нефти и половина объёма конденсата в 2010 г. пришлись на Западно-Сибирский НГБ, большая их часть получена из недр Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО).

Российская сырьевая база нефти оценивается примерно в 10 % мировой. По этому показателю страна уступает только Саудовской Аравии, Канаде и Ирану. При этом перспективы наращивания сырьевой базы России рассматриваются как очень значительные - потенциальные ресурсы нефти составляют более трети мировых, а наиболее достоверная их часть -перспективные ресурсы (категории Сз) - оцениваются более чем в 12 млрд тонн. Разведанные запасы свободного газа (категорий А + В + С[) составляют примерно четверть мировых [39].

Распределение запасов и ресурсов нефти, конденсата и газа по нефтегазоносным регионам России неравномерно. Примерно две трети этих запасов и около половины ресурсов сосредоточено в Западно-Сибирском НГБ (рисунки 1.1, 1.2), одном из крупнейших в мире. Нефтегазоносный бассейн охватывает территории Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого (ЯНАО) автономных округов, Тюменской, Омской, Томской, частично Свердловской, Новосибирской областей, западную часть Красноярского края и Приямальский шельф Карского моря. Более трети запасов нефти бассейна заключено в девяти уникальных месторождениях (с текущими извлекаемыми балансовыми запасами более 300 млн. тонн), ещё около трети - в 56 крупных объектах с извлекаемыми запасами 60...300 млн тонн. В сумме уникальные и крупные месторождения Западно-Сибирского НГБ заключают почти половину (45 %) российских запасов нефти. К числу уникальных относятся Приобское, Красноленинское, Самотлорское, Приразломное месторождения (территория ХМАО), Уренгойское, Русское, Восточно-Мессояхинское

месторождения (территория ЯНАО) и Ванкорское месторождение, расположенное на западе Красноярского края.

Рисунок 1.1— Распределение прогнозных ресурсов нефти

по