Технологические и методологические основы предупреждения и ликвидации газовых фонтанов при эксплуатации и ремонте скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.03, доктор технических наук Чабаев, Леча Усманович

• Чабаев, Леча Усманович
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Чабаев, Леча Усманович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ РАБОТ ПО ЛИКВИДАЦИИ ОТКРЫТЫХ ГАЗОВЫХ И НЕФТЯНЫХ ФОНТАНОВ.

1.1 Анализ работ по ликвидации фонтанов за рубежом.

1.2 Анализ работ по ликвидации фонтанов в России и странах СНГ.

1.3 Анализ работ по ликвидации фонтанов в условиях

Крайнего Севера.

1.4 Выводы по разделу 1.

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА

К ЛИКВИДАЦИИ ОТКРЫТЫХ ГАЗОВЫХ ФОНТАНОВ.

2.1 Существующая классификация ликвидации открытых нефтяных и газовых фонтанов.

2.2 Предлагаемая классификация ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в условиях Крайнего Севера.

2.3 Стратегия и тактика ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в условиях Крайнего Севера.

2.4 Выводы по разделу 2.

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ И

ЛИКВИДАЦИИ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ.

3.1 Анализ работ по предотвращению и ликвидации газопроявлений на месторождениях Крайнего Севера.

3.2 Предотвращение газопроявлений.

3.3 Технология ликвидации газопроявлений заменой коренной задвижки фонтанной арматуры под давлением.

3.4 Технология ликвидации газопроявлений заменой стволовых задвижек фонтанной арматуры под давлением.

3.5 Технология ликвидации газопроявлений заменой боковых задвижек фонтанной арматуры под давлением.

3.6 Технология ликвидации газопроявлений одновременной заменой двух стволовых задвижек фонтанной арматуры под давлением.

3.7 Технология ликвидации газопроявлений заменой негерметичных элементов задвижек фонтанной арматуры под струей газа.

3.8 Технология ликвидации газопроявлений заменой негерметичного пакерующего узла колонной головки под струей газа.

3.9 Выводы по разделу 3.

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ЛИКВИДАЦИИ ОТКРЫТЫХ

ГАЗОВЫХ ФОНТАНОВ И ПОЖАРОВ.

4.1 Определение радиуса видимости в зависимости от температуры окружающего воздуха и расхода воды.

4.2 Определение радиуса видимости в зависимости от температуры окружающего воздуха, расхода воды и скорости ветра.

4.3 Технология ликвидации открытого фонтана наведением противовыбросового оборудования с помощью канатного натаскивателя.

4.4 Технология ликвидации открытого фонтана наведением противовыбросового оборудования с помощью шарнирного натаскивателя.

4.5 Технология ликвидации открытого фонтана на скважинах с наклоненным устьем.

4.6 Технология ликвидации открытого фонтана методом орошения.

4.7 Технология ликвидации открытого фонтана при отсутствии на устье фонтанной арматуры.

4.8 Технология ликвидации открытого фонтана отрывом пламени пожара от устья фонтанирующей скважины.

4.8.1 Планирование эксперимента по определению высоты отрыва пламени от устья фонтанирующей скважины.

4.8.2 Проведение эксперимента по определению высоты отрыва пламени от устья фонтанирующей скважины.

4.8.3 Обработка результатов. Математическое описание процесса отрыва пламени от устья фонтанирующей скважины по методике регрессивного анализа.

4.8.4 Практическое применение уравнения регрессии.

4.8.5 Математическое описание процесса отрыва пламени от устья фонтанирующей скважины в зависимости от расположения лафетных стволов относительно устья.

4.8.6 Технология ликвидации открытого фонтана путем отрыва пламени от устья фонтанирующей скважины.

4.9 Выводы по разделу 4.

5 РАЗРАБОТКА УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ

ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕПОДГОТОВКИ КАДРОВ.

5.1 Профилактика газопроявлений и открытых фонтанов.

5.2 Ликвидация газопроявлений и открытых фонтанов.

5.3 Обучение, подготовка и переподготовка кадров.

5.4 Промыслово-экономическая оценка разработанных технологий ликвидации открытых газовых и нефтяных фонтанов.

5.5 Выводы по разделу 5.

6 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФОНТАНИРУЮЩИХ СКВАЖИН ПОСЛЕ ЛИКВИДАЦИИ

ОТКРЫТОГО ГАЗОВОГО ФОНТАНА.

6.1 Совершенствование концепции ликвидации открытого газового фонтана и пожара.

6.2 Совершенствование технологии глушения скважины в процессе ликвидации открытого фонтана.

6.3 Совершенствование технологии освоения скважины в процессе ликвидации открытого фонтана.

6.4 Выводы по разделу 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологические и методологические основы предупреждения и ликвидации газовых фонтанов при эксплуатации и ремонте скважин»

Актуальность проблемы. Западная Сибирь является крупнейшим нефтегазовым регионом России, основой ее минерально-сырьевой базы. Здесь эксплуатируются наиболее крупные месторождения природного газа: Медвежье, Уренгойское, Ямбургское, Заполярное и др.

Разработка газовых месторождений осуществляется скважинами большой производительности. Эксплуатация таких скважин, расположенных в суровых климатических условиях, при наличии в разрезе мерзлых пород (МП) требует повышенной надежности, фонтанной и пожарной безопасности их эксплуатации.

Усовершенствование и внедрение передовой техники и технологии строительства, эксплуатации и ремонта газовых и газоконденсатных скважин снизили остроту, но не решили полностью проблемы повышения надежности и технологичности их эксплуатации и ремонта, обеспечения их фонтанной и экологической безопасности. С вводом в эксплуатацию газовых скважин с наклонно направленными и горизонтальными стволами, пробуренными кустовым методом в районах распространения МП при аномальных (пониженных или повышенных) пластовых давлениях, необходимы новые технологические и технические решения, повышающие надежность и экологическую безопасность производственных процессов.

Заметно изменился спектр капитальных ремонтов скважин. Появились новые виды ремонта скважин, выполняемые с использованием канатной техники и колтюбинговых установок. В целом в 2,0-2,5 раза увеличилась доля фонтаноопасных ремонтов газовых скважин, возросла их продолжительность, технологическая сложность, увеличилась степень риска проводимых ремонтов.

За годы строительства и эксплуатации газовых и газоконденсатных скважин на месторождениях Крайнего Севера зафиксировано более 40 открытых газовых фонтанов и пожаров, которые создали реальную угрозу безопасности жизни и здоровью обслуживающего персонала и населения, нанесли непоправимый ущерб окружающей среде.

В изменившихся условиях эффективность существующей классификации работ по ликвидации открытых газовых фонтанов снижается. Появившиеся новые технологии и технологические приемы ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров требуют корректировки действующего в нефтегазовой отрасли классификатора работ. Необходимо пересмотреть технологические и методологические основы работ по ликвидации открытых газовых фонтанов, учесть специфические особенности ведения аварийно-восстановительных работ в условиях Крайнего Севера.

Необходимо совершенствовать применяемые и разработать новые технологии и технические средства ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров, обучать этим технологиям персонал противофонтанных служб, буровых и ремонтных бригад.

Необходимо для условий Крайнего Севера решать проблемную задачу восстановления и ввода в эксплуатацию фонтанирующих скважин. Для сохранения проектных решений разработки месторождений, в частности решения проблемы разработки той же сеткой эксплуатационных скважин, которая предусмотрена проектными решениями, необходимо исключить непредвиденное внедрение подошвенных вод в залежь в процессе открытого фонтана, обеспечить скорейшее восстановление нарушенного во время фонтана газоводяного контакта.

Необходимо пересмотреть стратегию и тактику ведения работ по ликвидации фонтанов, уделив особое внимание их профилактике, то есть работам по предупреждению аварий, осложнений, газопроявлений, открытых фонтанов и пожаров. Необходимо особое внимание уделять вопросам подготовки и переподготовке кадров, вопросам создания учебно-тренировочных центров по повышению квалификации буровых бригад и бригад капитального ремонта скважин, аварийно-восстановительных формирований, вопросам обучения специалистов в системе высшего образования.

Постоянное совершенствование и внедрение передовых технологий при ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в процессе эксплуатации и ремонта газовых и газоконденсатных скважин обуславливает необходимость оптимального выбора технологии аварийно-восстановительных и ликвидационных работ, постоянного обучения и тренинга по самым современным методикам. Такие методики должны учитывать как эффективность технологий аварийно-восстановительных и ликвидационных работ, так и современные требования промышленной и пожарной безопасности, являющихся ключевыми при предотвращении экологических катастроф. Поэтому продолжает оставаться актуальным как поиск новых технических решений и технологий, так и совершенствование методологических основ обучения этим технологиям, снижающих затраты и повышающих эффективность и пожарную безопасность технологических процессов при ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров.

Целью работы является разработка новых технологий и методологических подходов и основ для обеспечения успешной ликвидации газовых фонтанов и пожаров при строительстве, эксплуатации и ремонте скважин в сложных климатических условиях Крайнего Севера, обеспечивающих надежность и безопасность производственных процессов и снижающих экологическое загрязнение окружающей природной среды.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи.

1. Обобщение и анализ применяемых технологий ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в условиях Крайнего Севера при эксплуатации и ремонте газовых и газоконденсатных скважин.

2. Разработка технологических основ ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в условиях Крайнего Севера.

3. Разработка комплекса новых технологий ликвидации открытых газовых фонтанов в пламени пожара и аварийно-восстановительных работ на газовых и газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера, направленных на восстановление и ввод в эксплуатацию ремонтируемых скважин.

4. Разработка новых составов технологических растворов и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности ликвидации открытых газовых фонтанов и восстановления работоспособности скважин.

5. Разработка современных методологических подходов и основ обучения персонала противофонтанных служб, бригад КРС и бурения скважин.

6. Создание учебно-методической базы подготовки и переподготовки кадров, учебно-тренировочных центров по повышению квалификации аварийно-восстановительных формирований, организация обучения специалистов в системе высшего образования по направлению фонтанной и пожарной безопасности.

7. Промысловые испытания предложенных технологий предотвращения и ликвидации газопроявлений и открытых газовых фонтанов и пожаров на газовых и газоконденсатных месторождениях Крайнего Севера, оценка эффективности их внедрения в производство.

Методика исследований основана на обобщении и анализе имеющихся теоретических, экспериментальных и промысловых данных по рассматриваемым проблемам и на результатах собственных аналитических, лабораторных, стендовых и промысловых исследований и испытаний с использованием современных установок и математических методов.

Научная новизна заключается в следующем.

1. На основании обобщения статистических исследований и опыта ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в суровых климатических условиях предложена новая классификация, включающая ликвидацию открытых газовых фонтанов как с предварительным тушением пламени на устье фонтанирующих газовых и газоконденсатных скважин, так и без его тушения.

2. На основании теоретических и экспериментальных данных разработан комплекс новых технологий ликвидации открытых газовых фонтанов в пламени пожара. Определены граничные условия безопасного производства аварийно-восстановительных работ при ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров (радиус зоны безопасного производства работ -радиус видимости, безопасная для работы аварийно-спасательного персонала высота отрыва пламени от устья, оптимальные расстояния лафетных стволов от устья фонтанирующей скважины, расчетные схемы размещения лафетных стволов относительно устья фонтанирующей скважины).

3. На основании экспериментальных исследований разработаны новые составы технологических растворов и технические средства, позволяющие повысить эффективность предотвращения и ликвидации газопроявлений и открытых газовых фонтанов, обеспечить безопасность производственных процессов, устранить экологическое загрязнение окружающей природной среды и восстановить скважину для дальнейшей эксплуатации.

Основные защищаемые положения.

1. Технологические и методологические основы ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров на газовых и газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера.

2. Технологии ликвидации открытых газовых фонтанов в пламени пожара на газовых и газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера.

3. Новые технические средства, оборудование и приспособления для ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров на газовых и газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера.

4. Методология обучения новым приемам и технологиям предупреждения и ликвидации фонтанов и пожаров на эксплуатируемых газовых скважинах.

Практическая ценность работы.

1. Предложена новая классификация ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров, включающая ликвидацию открытых газовых фонтанов как с предварительным тушением пожара на устье фонтанирующих газовых и газоконденсатных скважин, так и без тушения пламени. Данная классификация в сочетании с предложенной нормативной базой руководящих и учебно-методических документов позволяет осуществлять оперативный поиск оптимальной технологии для конкретных условий фонтанирования газовых и газоконденсатных скважин.

2. Экспериментально обоснованы и определены граничные условия безопасного производства аварийно-восстановительных работ при ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров (радиус зоны безопасного производства работ - радиус видимости, безопасная для работы аварийно-спасательного персонала высота отрыва пламени от устья, оптимальные расстояния размещения лафетных стволов вокруг устья скважины) (заявка № 2008137192 РФ).

3. Разработан комплекс технологий по ликвидации открытых газовых фонтанов: в пламени пожара (патент РФ № 2231627, заявка РФ № 2008111386); с отрывом пламени пожара от устья фонтанируемой скважины (патент РФ № 2261982), с наклоненным устьем (патенты РФ № 81251, № 81252, заявка РФ № 2008142610). Предложенный комплекс технологий обеспечивает безопасность производства работ, сокращает их продолжительность на 50 % и предотвращает загрязнение окружающей природной среды, обеспечивает возвращение скважин в действующий фонд и получение из них дополнительной добычи ценного углеводородного сырья.

4. Разработаны технические средства, оборудование и приспособления: для ликвидации газопроявлений (патент РФ № 2231630); для замены задвижек фонтанной арматуры под давлением (патенты РФ № 18730, № 38821, заявка РФ № 2008000008); для замены элементов задвижек под струей газа (патент РФ № 51088); для замены пакерующих узлов колонной головки в пламени пожара (патент РФ № 2254440); для наведения на устье фонтанирующей скважины запорной арматуры (заявка РФ № 2008142613), которые обеспечивают надежность технологического процесса.

5. Разработан комплекс методологических документов и программное обеспечение для тренажеров, обучающих безопасному ведению работ при тушении газовых фонтанов.

Разработана учебно-методическая база для подготовки и переподготовки кадров, созданы учебно-тренировочные центры для повышения квалификации буровых бригад и бригад капитального ремонта скважин, аварийно-восстановительных формирований противофонтанной службы.

6. Проведенные исследования явились основой для разработки 7 руководящих документов (технологических регламентов, инструкций, обучающих программ, технических правил, отраслевых стандартов и стандартов организаций), использующихся при строительстве, эксплуатации и ремонте газовых и газоконденсатных скважин, а также применяемых в проектах на строительство скважин на газовых и газоконденсатных месторождениях Крайнего Севера.

7. Результаты исследований и экспериментов легли в основу монографий и учебных пособий по курсу «Противофонтанная и пожарная безопасность на объектах нефтегазодобывающей промышленности», применяемых в учебном процессе ряда высших и средних специальных образовательных учреждений нефтегазового профиля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы развития топливно-энергетического комплекса Западной Сибири на современном этапе» (г. Тюмень, 2001 г.); Международной научно-практической конференции «Газовой отрасли -новые технологии и новая техника (г. Ставрополь, 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ТюмГНГУ «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий» (г. Тюмень, 2002 г.); научно-практической конференции «Повышение эффективности работы нефтегазодобывающего комплекса Ямала путем применения прогрессивных технологий и совершенствования транспортного обслуживания» (г. Салехард, 2002 г.); научно-практической конференции «Нефть и газ: проблемы недропользования, добычи и транспортировки, посвященной 90-летию В.И. Муравленко» (г. Тюмень, 2002 г.); VI Конгрессе нефтегазопромышленников России «Проблемы освоения трудноизвлекаемых запасов углеводородов» (г. Уфа, 2005 г.); Региональной научно-практической конференции, посвященной 5-летию образования Института нефти и газа «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2005 г.); III Российской межвузовской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 50-летию образования ТюмГНГУ «Методы компьютерного проектирования и расчета нефтяного и газового оборудования» (г. Тюмень, 2006 г.); Региональной научно-практической конференции, посвященной 50-летию Тюменского нефтегазового университета «Инновации и эффективность производства» (г. Сургут, 2006 г.); Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых нефтегазового направления, посвященной 50-летию ТюмГНГУ «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2006 г.); Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых нефтегазового направления, посвященной 50-летию ТюмГНГУ «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2007 г.); IX Международной конференции по колтюбинговым технологиям и внутрискважинным работам (г. Тюмень, 2008 г.); Межрегиональной научно-технической конференции нефтегазового направления с Международным участием, посвященной 45-летию ТИИ «Подготовка кадров и современные технологии для ТЭК Западной Сибири» (г. Тюмень, 2008 г.); отраслевых совещаниях ОАО «Газпром» «Состояние фонтанной безопасности на месторождениях ОАО «Газпром» (г. Москва, 1999-2007 гг.); НТС ООО «Газобезопасность» (г. Москва, 2002-2008 гг.); заседаниях кафедр «Ремонт и восстановление скважин» и «Машины и оборудование нефтяной промышленности» Тюменского государственного нефтегазового университета (г. Тюмень, 2002-2008 гг.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 57 печатных работ, в том числе 4 монографии, 1 справочник, 3 научно-технических обзора, 28 статей и тезисов докладов, получено 10 патентов РФ на изобретения и полезные модели, разработано 7 руководящих документов (инструкции, технологические регламенты, технические правила, отраслевые стандарты) и 1 учебного пособия.

Автор искренне благодарен за помощь, ценные советы и консультации научным консультантам д.т.н., профессору Зозуле Г.П., д.т.н. Кустышеву A.B. Считает своим долгом выразить признательность д.т.н., профессору Сызранцеву В.Н., д. г.-м. н., профессору Клещенко И.И., а также сотрудникам Северной военизированной части по предупреждения возникновения и по ликвидации открытых газовых фонтанов к.т.н. Бакееву P.A., к.т.н. Сизову О.В., Иллюку Н.И., Куколю Е.С., Журавлеву В.В., Тимирсултанову Л.Я., Гульцеву В.Е., Гриценко A.A., Тарханову С.С., Ятлуку О.В., Яковенко Д.Н., сотрудникам ООО «ТюменНИИгипрогаз» Чижовой Т.И., Шестаковой H.A., Кряквину Д.А., Немкову A.B., оказавшим содействие при проведении исследований и сотрудникам предприятий ОАО «Газпром» д.т.н. Гноевых А.Н., к.т.н. Довбня Б.Е., к.т.н. Гейхману М.Г., способствующим внедрению разработок.

Заключение диссертации по теме «Пожарная и промышленная безопасность (по отраслям)», Чабаев, Леча Усманович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе научного обобщения и анализа опыта ликвидации открытых газовых фонтанов предложена новая классификация методов их ликвидации открытых газовых фонтанов для условий месторождений природного газа Крайнего Севера, прежде всего в Западной Сибири.

2. Разработаны технологические основы ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров, включающие:

- обоснованную и экспериментально подтвержденную возможность тушения пламени фонтанирующих газовых и газоконденсатных скважин с помощью водяных струй лафетных стволов, применяемых до этого при тушении пожаров на хозяйственных объектах;

- аналитически определенный и экспериментально подтвержденный оптимальный радиус зоны безопасного производства работ, в пределах которой можно безопасно размещать оборудование и аварийно-спасательный персонал.

- необходимую и безопасную высоту отрыва пламени от устья фонтанирующей скважины;

- оптимальную схему размещения лафетных стволов сегментом с наветренной стороны, расстоянием между лафетами 1-2 м.

3. Разработан комплекс высокоэффективных технологий ликвидации открытых газовых фонтанов в пламени пожара, в том числе с наклоненным устьем, а также технологии с отрывом пламени от устья фонтанирующей скважины с возможностью восстановления работоспособности и повторного ввода фонтанирующих скважин в эксплуатацию.

4. Разработаны новые составы технологических растворов для растепления и глушения скважин, восстановления их производительности после ликвидации открытых газовых фонтанов.

5. Разработан комплекс методических документов и обучающих программ, что позволило создать методологию обучения персонала бригад и

ИТР, занимающихся ликвидацией фонтанов.

6. Усовершенствована учебно-методическая база для подготовки и переподготовки кадров, создано два учебно-тренировочных центра для повышения квалификации инженерно-технических работников и персонала буровых бригад и бригад капитального ремонта скважин, а также персонала аварийно-восстановительных формирований противофонтанной службы.

7. Разработаны и внедрены в производство новые технические средства и оборудование, обеспечивающие безопасное производство работ и высокую надежность ликвидации открытого газового фонтана. Внедрение разработанных технологий позволило за счет сокращения продолжительности ликвидационных и аварийно-восстановительных работ получить дополнительные объемы добываемого природного газа и газового конденсата. При этом в 2,5 раза снизились затраты на ликвидацию фонтанов, сокращено их количество с 5 (в 1998 г.) до 1 (в 2007 г.). Восстановлены после фонтана и введены в эксплуатацию 34 скважины (97 %) при условии сохранения проектной системы разработки месторождений. Экономический эффект от применения разработанных технологий и технических средств составил более 900 млн. рублей.