Технологические и методологические основы предупреждения и ликвидации газовых фонтанов при эксплуатации и ремонте скважин
Изучением вопросов и проблем предотвращения и ликвидации аварийного фонтанирования нефтяных и газовых скважин, восстановления их продуктивности занимались многие ведущие ученые как у нас в стране, так и за рубежом. Среди них: Х.А. Асфандияров, А.Д. Амиров, А.А. Ахметов, Ю.М. Басарыгин, Ю.Е. Батурин, А.И. Булатов, О.А. Блохин, В.И. Вяхирев, А.П. Гасанов, Г.М. Гульянц, А.В. Григорьев, Ю.В. Зайцев, Г.П. Зозуля, В.И. Игревский, А.Г. Калинин, К.А. Карапетов, И.И. Клещенко, Ю.П. Коротаев, Ю.С. Кузнецов, А.К. Куксов, А.В. Кустышев, Ю.Е. Ленкевич, Ю.Д. Логанов, В.Д. Малеванский, К.И. Мангушев, Р.И. Медведский, М.А. Мыслюк, А.Ф. Озоренко, А.С. Повзик, В.Р. Радковский, Д.В. Рымчук, В.И. Рябченко, Н.А. Сидоров, В.В. Соболевский, В.М. Симонов, Р.М. Тагиев, Р.А. Тенн, В.Д. Шевцов, В.Г. Ясов, A.S. Visram, I. Goins, E.P. Daneberger, P. Holand, V.M.P. Hughes, A. Podio, P. Skaple, P. Sheffild, W.W. Wylie и многие другие.
Одними из самых распространенных осложнений при строительстве и эксплуатации газовых скважин являются газопроявления, которые могут привести к возникновению открытого фонтана и его возгоранию – пожару.
Проникновение газа в раствор существенно изменяет его технологические свойства: увеличивает условную вязкость, изменяет статическое напряжение сдвига (СНС), снижает плотность и др. При низких значениях вязкости наблюдается «вскипание» выходящего бурового раствора на устье скважины. Во время остановок без промывки раствор насыщается газом и начинается перелив раствора через устье скважины, увеличивается объем раствора в емкостях циркуляционной системы. При резком снижении противодавления на пласт (слом обратного клапана, подъем труб с «сифоном») в скважину начинает интенсивно поступать пластовый флюид, и газопроявления приобретают характер неуправляемых выбросов.
Открытые фонтаны наносят большой экономический и экологический ущерб окружающей природной среде, принимая иногда характер стихийных бедствий. На разных расстояниях от фонтанирующей скважины могут возникнуть грифоны, появиться скопления газа в понижениях местности, что реально угрожает взрывами и пожарами.
Под открытым фонтаном понимается неуправляемый выброс пластовых флюидов, который нельзя немедленно прекратить.
Под газопроявлениями понимается неконтролируемое поступление газа, нефти и воды на поверхность через негерметичные резьбовые соединения и дефекты, возникающие в результате нарушения герметичности стволов скважин при бурении и эксплуатации.
Практика показывает, что частота возникновения аварий, газопроявлений и открытых фонтанов составляет в среднем 0,12 случая на 100 скважин. Например, на месторождениях, расположенных в штате Техас, число выбросов при разведочном бурении составляет порядка 244, при эксплуатационном бурении 180, при заканчивании скважин 64, при капитальном ремонте скважин 197, при эксплуатации скважин 85. На месторождениях, расположенных на американском континентальном шельфе, число выбросов меньше и составляет соответственно 45, 49, 25, 23 и 12. Это объясняется меньшим количеством скважин и применением более надежных конструкций скважин и внутрискважинного и устьевого оборудования.
Анализ информации показывает, что выбросы, как правило, приурочены к интервалам после спуска направления (первый пик выбросов) и при вхождении в зону аномально высокого пластового давления (АВПД) (второй пик выбросов). Кроме того, частота выбросов возрастает с увеличением глубины скважины. Так, по утверждению американских исследователей W.W. Wylie и A.S. Visram, частота выбросов зависит от продолжительности работы в открытом стволе, от протяженности открытого ствола, от количества спуско-подъемных операций. Как правило, наиболее опасным видом работ является разведочное бурение вследствие недостатка или полного отсутствия достоверной геологической информации. Здесь частота выбросов в три раза выше, чем при эксплуатационном бурении. В то же время, по утверждению исследователя P. Holand, значительное количество выбросов связано с КРС, а частота выброса в процессе заканчивания скважин наибольшая в период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ).
За рубежом наибольшее распространение получили методы ликвидации открытых нефтяных и газовых фонтанов с предварительным тушением пламени и последующей ликвидацией фонтанирующей скважины как объекта добычи.
Например, в Иране при ликвидации открытых фонтанов на скважинах с большим дебитом нефти (более 5600 т/сут) и большим содержанием попутного нефтяного газа используется технология тушения открытого фонтана созданием водяной завесы с последующим срезанием фонтанной арматуры при помощи струйной пушки.
В Кувейте применяется традиционная технология тушения пожаров методом подачи водяных струй из гидромониторов или с помощью взрывов. На некоторых скважинах для тушения пламени применялась венгерская реактивная установка «Большой веер», состоящая из двух реактивных двигателей.
Находят применение и другие методы ликвидации фонтана. Например, в штате Техас при ликвидации открытого фонтана на скв. 1-11 Кэй глубиной 4880 м и при начальном дебите 2500 тыс. м3/сут использовалась технология проводки наклонной ликвидационной скважины, которая пересекла ствол фонтанирующей скважины на глубине 4870 м (по вертикали).
В России и странах СНГ при тушении пожаров в процессе ликвидации открытых фонтанов чаще всего применяются лафетные стволы (гидромониторы), автомобили газоводяного тушения АГВТ-100 и АГВТ-150, пневматические порошковые пламеподавители ППП-200.
Лафетные стволы применяются при тушении газовых, газоконденсатных и нефтяных фонтанов небольшой мощности. При тушении более мощных фонтанов (средней мощности), когда используется значительное количество лафетных стволов, подачу водяных струй осуществляют в два яруса.
Автомобили газоводяного тушения АГВТ-100 и АГВТ-150 применяются для тушения пожаров всех видов фонтанов, но чаще для тушения мощных фонтанов. Газоводяные струи, создаваемые этими установками, представляют собой смесь выкидных газов турбореактивного двигателя и распыленной воды. Обладая высокой теплоемкостью, газоводяные струи могут применяться для охлаждения устьевого оборудования, металлоконструкций и прилегающей к скважине территории.
Пневматические порошковые пламеподавители ППП-200 применяются при тушении пожара фонтанов большой мощности. Тушение пожара осуществляется за счет воздействия на горящий факел распыленного порошка, выброс которого осуществляется за счет энергии сжатого воздуха. В зоне горения фонтана в течение короткого времени (1…2 с) импульсно создается огнетушащая концентрация порошка путем направленного залпового выброса установкой.
Помимо тушения пожара с помощью вышеупомянутых средств нередко применяются технологии, основанные на тушении пожара с вертолета водой или жидким азотом. Иногда для тушения пожара применяются металлические колпаки или железобетонные плиты, надвигаемые на устье фонтанирующей скважины. Однако практика показала, что этот метод не всегда дает положительные результаты.
Реже применяются методы засыпки скважины большим количеством земли путем взрыва или с помощью бульдозеров, а также сбрасыванием бомб с самолетов. Все эти методы, как показала практика, недостаточно эффективны даже при тушении слабых фонтанов, хотя они широко практиковались на месторождениях Азербайджана и Северного Кавказа. Например, при ликвидации открытых фонтанов в этих регионах обычно применяются взрывчатые вещества, такие как аммоний.
В условиях Крайнего Севера при низких отрицательных температурах окружающего воздуха и сильных ветрах проходит апробация новых методов ликвидации открытых фонтанов в пламени пожара, то есть без его предварительного тушения. Необходимость применения такого метода объясняется тем, что после тушения пламени фонтана через некоторое время может происходить воспламенение «разлитых» возле устья углеводородов. В этом случае может пострадать аварийная бригада, выполняющая работы по монтажу устьевого оборудования. Примером являются фонтаны на ряде скважин севера Тюменской области и Красноярского края (№ № Р-703, Р-715 Уренгойского месторождения, № 42 Северо-Уренгойской площади, № 11 Соленинской площади и др.).
Для наведения на устье фонтанирующих скважин запорной арматуры применяются различные натаскиватели: канатные, гидравлические, шарнирные. Общим для них является возможность управляемого наведения запорной арматуры в пламени фонтана с постоянным орошением устья горящей скважины и наводимого оборудования.
Наибольшее распространение в условиях Крайнего Севера получил канатный натаскиватель, с помощью которого наводимое на устье фонтанирующей скважины запорное оборудование устанавливается краном КП-25. Оснастка крана КП-25 отличается сравнительной простотой монтажа и компактностью, что дает возможность использовать его в самых неблагоприятных природно-климатических условиях Крайнего Севера. В качестве тяговых механизмов используются тракторы, тягачи, ручные и гидроприводные лебедки, подъемники. При этом на наводимое запорное оборудование устанавливается патрубок для вывода фонтанирующей струи выше талевой системы крана.
В последнее время в связи с развитием колтюбинговых технологий при капитальном ремонте скважин начаты работы по апробации технологий ликвидации газопроявлений и открытых фонтанов с использованием непрерывной гибкой трубы колтюбинговой установки (скважина № 207 Ямбургского месторождения, скважина № 450 Федоровского месторождения).
Второй раздел посвящен совершенствованию методологического подхода к классификации работ по ликвидации открытых газовых фонтанов.
По действующей классификации открытые газовые фонтаны подразделяются по мощности на:
— небольшие с дебитом менее 0,5 млн м3/сут газа и менее 100 т нефти;
— средние с дебитом 0,5…1,0 млн м3/сут газа и 100…300 т нефти;
— мощные с дебитом 1,0…10,0 млн м3/сут газа и 300…1000 т нефти;
— большой мощности с дебитом более 10 млн м3/сут газа и более 1000 т нефти.
По состоянию устья скважины подразделяются на фонтаны с доступным или с недоступным устьем; по составу пластового флюида на газовые, газонефтяные, нефтяные, газоводяные или газоводонефтяные; по состоянию фонтанирующей струи – на горящие или негорящие фонтаны; по характеру и режиму действия фонтана – на непрерывного или пульсирующего действия; по конфигурации фонтанной струи – на компактный вертикальный (4,5 млн м3/сут) или горизонтальный (3,5 млн м3/сут), распыленный и комбинированный (2,0 млн м3/сут).
Методы ликвидации открытых газовых фонтанов подразделяются на методы, осуществляемые путем:
— герметизации устья скважины с последующим ее задавливанием жидкостью глушения;
— создания искусственного пакера в стволе скважины;
— закачивания жидкости глушения в ствол скважины;
— отвода газа в наклонные скважины;
— интенсивного отбора газа из призабойной зоны пласта фонтанирующей скважины через наклонные скважины;
— заводнения газового пласта,
а также с помощью подземных взрывов и самопроизвольным прекращением открытого фонтана.
В данной работе методы ликвидации открытых газовых фонтанов предложено классифицировать на две большие группы (рисунок 1): ликвидация газопроявлений и ликвидация фонтанов. По схеме, приведенной на рисунке 1, группа ликвидации газопроявлений подразделяется на предупреждение и на ликвидацию газопроявлений, а группа ликвидации фонтанов – на ликвидацию фонтанов без возгорания и ликвидацию фонтанов с возгоранием. В подгруппе ликвидации фонтанов с возгоранием следует выделить ликвидацию фонтанов с предварительным тушением пожара и проведение работ без тушения пожара, в которой необходимо разделить работы по наведению запорной арматуры в пламени фонтана и по наведению запорной арматуры с отрывом пламени от устья.
Наиболее освоен метод ликвидации открытых фонтанов герметизацией устья скважины с последующим задавливанием жидкостью. Он основан на создании превышения забойного давления в фонтанирующей скважине над пластовым путем закачивания в нее жидкости после герметизации устья. Применяется метод в том случае, когда в скважину спущена и надежно зацементирована обсадная колонна и устье доступное.
Метод ликвидации открытых фонтанов и перетоков газа путем установки искусственного пакера в стволе основан на создании в фонтанирующей скважине условий для превышения забойного давления над пластовым давлением за счет закачивания в нее жидкости. Формирование «искусственного» пакера в кольцевом пространстве между обсадной колонной и бурильными или насосно-компрессорными трубами (НКТ) осуществляется ниже места повреждения колонны за счет давления газа при глушении скважины. Для ликвидации фонтана указанным методом используют спущенные в скважину бурильные трубы, а при их отсутствии устье скважины оборудуют приспособлением для спуска под давлением насосно-компрессорных или бурильных труб, на которых спускают пакерную решетку. Затем через лубрикатор вводят алюминиевые шары, которые при прокачивании промывочной жидкости через трубы восходящим потоком флюида доставляются в расчетную зону и «группируются» в наиболее «стесненном» сечении.
Рисунок 1 – Предлагаемая классификация методов ликвидации открытых газовых фонтанов
После формирования каркаса пакера из шаров различных диаметров для окончательного перекрытия потока флюида в трубы вводятся различные инертные закупоривающие материалы (алюминиевая стружка и другие). Намыв инертных закупоривающих материалов продолжается до момента, когда переток через создаваемый пакер флюида и закачиваемой жидкости снижается до минимума и смесь начинает поступать на забой скважины. В результате приток флюида из пласта прекращается, а скважина «задавливается» последовательным закачиванием воды и промывочной жидкости необходимой плотности.
Метод ликвидации открытых фонтанов путем закачивания жидкости в ствол аварийной скважины на расчетном режиме применяется в тех случаях, когда устье скважины не может быть перекрыто по различным причинам (разрушение или недостаточная прочность крепи скважины, когда есть опасность возникновения грифонов при герметизации). Ликвидация фонтанов осуществляется подачей жидкости глушения в поток фонтанирующего газа как через спущенные для этой цели трубы, так и через специально пробуренные наклонно направленные скважины. Наклонные скважины могут соединяться с аварийной скважиной через трещину гидроразрыва, которую целенаправленно формируют в непроницаемом пропластке. Темп закачивания и необходимое при этом количество задавочной жидкости являются расчетными параметрами для правильного выбора наземного насосного оборудования, объема жидкости и проектирования конструкции наклонных скважин.
Метод ликвидации открытых фонтанов путем отвода газа в наклонные скважины применяется в случае, когда имеются специально пробуренные наклонные скважины, при наличии большого кратера на устье фонтанирующей скважины, заполненного жидкой пульпой, или при условии создания надежного гидравлического канала между стволами фонтанирующей и наклонных скважин выше газового пласта. Метод основан на заполнении ствола фонтанирующей скважины кратерной пульпой при выпуске газа из наклонных скважин. При этом газ выпускается в атмосферу через наклонные скважины при минимально возможном противодавлении на устье.
Метод ликвидации открытых фонтанов путем интенсивного отбора газа из призабойной зоны пласта фонтанирующей скважины (через наклонные скважины) основан на уменьшении забойного давления фонтанирующей скважины путем увеличения отбора газа из ПЗП скважины. Создание глубокой воронки депрессии обеспечивает снижение забойных давлений до величин, при которых жидкость из кратера проникает в ствол и глушит фонтан. При реализации этого метода необходимо пробурить вокруг фонтанирующей скважины достаточное количество наклонных скважин с расположением их забоев в продуктивном горизонте.
Метод ликвидации открытых фонтанов путем заводнения газового пласта основан на снижении притока газа к забою фонтанирующей скважины в результате увеличения гидравлических сопротивлений в продуктивном горизонте при введении в него жидкости. При подаче воды в пласт по кольцу, в центре которого находится фонтанирующая с определенным расходом скважина, выброс газа может резко сократиться вплоть до полного прекращения работы фонтана. Этому способствует увеличение забойного давления за счет целевого попадания в ствол скважины воды, нагнетаемой в пласт. Закачивание большого количества воды в продуктивный горизонт приводит к заводнению отдельных участков и оттеснению газа от забоя фонтанирующей скважины. При осуществлении этого метода необходимо сооружение наклонных скважин для подачи воды в продуктивный пласт.
Метод ликвидации открытых фонтанов с помощью подземных направленных взрывов основан на создании сдвиговых деформаций пород горного массива, которые приводят к их уплотнению и разрушению аварийного ствола на значительном интервале, измеряемом десятками и сотнями метров. Из-за смещения пород горного массива образуется экран, препятствующий выходу потока газа на поверхность. Метод имеет ряд преимуществ: высокая эффективность выполняемых операций, независимость технологии от дебита, пластового давления и скорости истечения природного или нефтяного газа через устье скважины, перекрытие ствола аварийной скважины на большой глубине и недопущение повторного фонтанирования в будущем. Для осуществления метода достаточно пробурить одну наклонную скважину.
Методы ликвидации фонтанов с предварительным тушением пожара в настоящее время достаточно освоены.
Методы ликвидации фонтанов без предварительного тушения до настоящего времени пока недостаточно освоены. Технологии ликвидации находятся на стадии апробации и поиска новых технических решений.
Таким образом, под стратегией ликвидации открытых газовых фонтанов автором понимается направление работ по оптимальному выбору способа ликвидации открытого фонтана и тушения пожара, а под тактикой – конкретная технология и ее эффективное применение.
На основании анализа типов фонтанов целесообразно выделять основные методы ликвидации открытых фонтанов: герметизацией устья скважины с последующим задавливанием жидкостью, созданием в стволе скважины искусственного пакера, закачиванием жидкости в ствол аварийной скважины, отводом газа в наклонно направленные скважины, интенсивным отбором газа из призабойной зоны фонтанирующей скважины через наклонно направленные скважины, заводнением газового пласта, с помощью подземных направленных взрывов.
Затем на основании анализа геолого-промысловой информации и условий возникновения и развития открытого фонтана и исходя из того, что каждый фонтан индивидуален, тактически выбирается наиболее подходящая для данных условий известная технология или разрабатывается новая. В то же время следует учитывать, что технология ликвидации фонтана, хорошо зарекомендовавшая себя на одной скважине, может оказаться непригодной на другой.
Источник