Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ПЕРЕХОДА ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯ В ВЫБРОСЫ И ОТКРЫТЫЕ ФОНТАНЫ 10
1.1. Обзор литературных источников по исследованию процесса газопроявления с точки зрения предупреждения выбросов и открытых фонтанов 12
1.2. Анализ промысловых материалов, характеризующих процесс газопроявления выбросы и фонтаны 24
1.3. Обоснование методики исследования процесса газопроявления 29
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯ КАК СЛОЖНОГО ОБЪЕКТА ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИШ МЕТОДАМИ 33
2.1. Оценка изменения параметров, характеризующих процесс газопроявления 33
2.2. Выбор выходного параметра 47
2.3. Исследование взаимного влияния параметров, характеризующих процесс газопроявления во всех фазах 58
2.4. Создание математической модели процесса газопроявления 73
2.5. Разработка системы критериев, характеризующих переход газопроявления в более опасный вид 82
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ПЕРЕХОДА ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯ В БОЛЕЕ ОПАСНУЮ ФАЗУ 88
3.1. Моделирование перехода процесса газопроявления в более опасную фазу методом последовательной диагностической процедуры 89
3.2. Моделирование перехода процесса газопроявления в более опасную фазу на основе метода потенциальных функций 108
3.3. Моделирование перехода газопроявления в выброс и фонтан комбинированным методом III
3.4. Выбор значений управляемых параметров, обеспечивающих предупреждение выбросов и открытых фонтанов ИЗ
3.5. Структура и состав математического обеспечения системы предупреждения выбросов и фонтанов 116
3.6. Рекомендации по созданию автоматизированной системы предупреждения выбросов и открытых фонтанов 120
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 123
ЛИТЕРАТУРА 125
ПРИЛОЖЕНИЕ 134
- Обзор литературных источников по исследованию процесса газопроявления с точки зрения предупреждения выбросов и открытых фонтанов
- Оценка изменения параметров, характеризующих процесс газопроявления
- Моделирование перехода процесса газопроявления в более опасную фазу методом последовательной диагностической процедуры
Введение к работе
В программном документе ЦК КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусмотрено обеспечить в 1985 году добычу нефти (с газовым конденсатом) в объеме 620-640 млн.тонн и газа 640 млрд.ми. Причем, выполнение этих планов должно достигаться за счет улучшения технико-экономических показателей буровых работ и дальнейшего совершенствования их организации.
В деле улучшения технико-экономических показателей буровых работ большим резервом является борьба за предотвращение аварий и сокращение сроков ликвидации их последствий. По статистическим данным на устранение аварий и осложнений тратится до 10-20$ рабочего времени.
При бурении нефтяных и газовых скважин одним из серьёзных видов аварий и осложнений являются газонефтепроявления, которые могут привести к открытому фонтанированию. Фонтаны и прорывы газа на поверхность представляют собой большую опасность для обслуживающего персонала, занятого в бурении и на работах по ликвидации возникающих фонтанов, а также угрозу для населённых пунктов и промышленных сооружений, окружающих аварийный объект.
Нефтегазопроявления, выбросы, открытые газовые и нефтяные фонтаны могут привести к скоплению газа и паров нефти в помещениях, погребах, оврагах и других малопроветриваемых местах в концентрациях, опасных для жизни людей, а также к взрыву и прекращению всех работ в районах распределения газа.
С освоением возрастающих объёмов бурения, ростом глубин сква- жин.вскрытием нефтяных и газовых горизонтов с аномально высокими пластовыми давлениями и температурами увеличивается и опасность возникновения газонефтедроявлений и открытых фонтанов.
На всех стадиях развития нефтяной промышленности большое внимание уделялось вопросам борьбы с нефтяными и газовыми выбросами, проявлениями и открытыми фонтанами.
В общем комплексе задач борьбы с осложнениями существенную роль играет анализ предаварийных ситуаций. На практике анализ предаварийных ситуаций (принятие решения о переходе газопроявления в выброс или фонтан), выбор методов борьбы с осложнениями носят субъективный характер, зависят от опыта, быстроты реакции членов буровой бригады и своевременного принятия мер.
Каждый из этих факторов приводит к тому, что газопроявления нередко переходят в выбросы и открытые фонтаны со всеми вытекающими отсюда последствиями.
В то же время, протекание процесса газопроявления и переход его в более осложненную фазу определяется большим числом разнородных факторов. Своевременное обнаружение газопроявления, успешная борьба с ним и предотвращение его перехода в выброс и открытый фонтан зависят от учета влияния каждого из этих показателей на процесс.
В связи с изложенным, для обеспечения объективного анализа пред выброс овой и предфонтанной ситуации, с чем, в первую очередь, связано принятие необходимых и своевременных мер для успешной борьбы с этими видами осложнений, весьма актуальным является разработка научных основ предупреждения перехода газопроявления в выброс и открытый фонтан, что и составляет предмет исследования настоящей работы.
В ходе исследований были решены следующие задачи: на основе анализа промысловых материалов дана количественная оценка изменения параметров, характеризующих газопроявления, выбросы и открытые фонтаны, выявлена степень влияния этих параметров как друг на друга, так и в комплексе, на процесс, создана математическая модель процесса газопроявления; выявлены характер и условия перехода газопроявления в выброс и открытый фонтан, разработана методика прогнозирования ситуаций и определения степени опасности осложнения и математическая модель переходного процесса; - задача определения в период начавшегося газопроявления, при наличии информации о значениях неуправляемых параметров, диапазо нов изменения управляемых для предотвращения перехода газопроявле ния в выброс и открытый фонтан.
Научная новизна исследований нашла отражение в следующих результатах: процессы газопроявления, выброса и фонтана исследуются как сложные многофакторные процессы с учетом всех контролируемых параметров, влияющих на их протекание и развитие; впервые оценено количественное влияние указанных параметров как друг на друга, так и в комплексе на процесс; построена математическая модель процесса газопроявления в форме уравнения регрессии, связывающего параметры, влияющие на процесс, исследование которой позволяет сделать ряд выводов о характере протекания процесса; разработана система критериев, позволяющая характеризовать переход газопроявления в более опасный вид; выработаны решающие правила для принятия решения о переходе газопроявления в выбросы и открытые фонтаны, которые дают возмож- ность прогнозировать развитие процесса в условиях существующей контрольно-измерительной системы современных буровых установок. Практическая ценность результатов выражена в: в возможности прогнозировать величину снижения плотности промывочной жидкости на выходе скважины, используя построенную математическую модель; в возможности прогнозирования протекания процесса газопроявления с помощью разработанных решающих правил, которые, помимо предсказания динамики протекания процесса, дают возможность выбрать значения управляемых параметров, при известных значениях неуправляемых, в таких пределах, чтобы предотвратить выбросы и открытые фонтаны; в возможности увеличения коммерческой скорости бурения вследствие предотвращения аварий и сокращения сроков ликвидации их последствий.
На основании проведенных исследований разработаны "Методические указания по предупреждению выбросов и открытых фонтанов при бурении скважин","Методика по применению критериев оценки степени опасности ведения буровых работ на месторождении Тенгиз",утвержденные БПО "Каспморнефтегазпром" и ПО "Зибанефть" и широко внедренные на буровых предприятиях указанных объединений и объединения "Аз-нефть", которые также могут быть внедрены на предприятиях Мингео-логия СССР.
Использование "Методических указаний..." позволяет в период начавшегося газопроявления прогнозировать динамику протекания процесса и выбрать оптимальный путь ликвидации осложнения и тем самым предотвратить переход газопроявления в выброс и открытый фонтан.
Своевременное обнаружение газопроявлений, заблаговременное принятие мер по их ликвидации существенно сокращают затраты средств и материалов за счет предотвращения последствий перехода газопроявления в более опасную фазу и увеличивает коммерческую скорость бурения. Экономический эффект от внедрения методических указаний составляет 120 тыс.руб.в год.
В первой главе работы дан анализ отечественных и зарубежных литературных источников по вопросам предупреждения выбросов и открытых фонтанов. Приведены результаты анализа промысловых материалов, отражающих обстоятельства газопроявлений, выбросов и открытых фонтанов, выявлены основные параметры, характеризующие эти процессы.
Проведенные исследования показали, что процесс газопроявления, определяемый многими факторами, может быть выражен целым набором параметров - измеряемых факторов, - поэтому своевременное обнаружение газопроявления и успешная борьба с ним зависит от учета влияния каждого из этих параметров на процесс. Качественное влияние на процесс большинства параметров определено нефтепромысловой практикой, количественное же влияние остается почти неизученным. Кроме того, недостаточно изучено взаимовлияние этих параметров во время газопроявления. Иначе говоря, отсутствует математическая модель, с достаточной степенью адекватности описывающая процесс. Решению этих вопросов посвящена П глава работы.
Во второй главе рассматривается вопрос о наличии двух фаз в процессе газопроявления, условно называемых "газопроявление" и "более опасная" - открытый фонтан.
Как уже отмечалось, анализ предаварийных ситуаций затрудняется в связи со специфическим характером протекания процесса в каж- дом нефтяном районе.
Следовательно следует выявить возможность описания процесса посредством системы критериев производных параметров так, чтобы результирующее явление зависило бы только от значения этих критериев и не требовало бы учета дополнительных факторов. Эти вопросы также рассматриваются в главе 2.
В условиях начавшегося газопроявления, когда ситуация определяется большим числом факторов, лишь частично контролируемых и управляемых, важное значение имеет определение степени опасности этого вида осложнения, отчего зависит эффективность принятых мер по предотвращению выбросов и открытых фонтанов. Таким образом,возникает задача о прогнозировании ситуаций, в данном случае - к их классификации. Классификация должна иметь объективный характер,для чего требуется разработать математическую модель переходного процесса.
Третья глава работы посвящена построению модели переходной стадии процесса газопроявления на основе применения различных методов теории распознавания образов. При этом были использованы последовательная диагностическая процедура Вальда, метод потенциальных функций и предложенный автором комбинированный метод распознавания.
Модель, построенная на основе последовательной процедуры Вальда, обладает достаточно простой вычислительной структурой, в связи с чем её использование на практике возможно даже без специальных вычислительных средств. Такая модель обладает ещё и тем достоинством, что она позволяет в период начавшегося газопроявления при зафиксированных значениях неуправляемых параметров выбрать значения управляемых таким образом, чтобы предотвратить переход газопроявления в более опасную фазу: выброс или открытое фонтанирование.
Однако такая модель допускает широкую зону неопределенных ответов. Б модели, основанной на методе потенциальных функций, неопределенных ответов нет,но,используя эту модель, можно получить и неправильные ответы, хотя в нашем случае вероятность получения таких ответов довольно мала. Комбинированный (процедура Вальда, дополненная методом потенциальных функций) метод распознавания, сочетая в себе основные достоинства первых двух, устраняет указанные недостатки.
Алгоритм, реализующий комбинированный метод, составляет основу методики прогнозирования выбросов и открытых фонтанов.
Результаты третьей главы легли в основу разработки методических указаний по предупреждению выбросов и фонтанов при бурении нефтяных и газовых скважин.
И наконец, на основе синтеза результатов предыдущих разделов даются структура и состав математического и программного обеспечения автоматизированных систем предупреждения выбросов и открытых фонтанов, а также технические требования к её созданию.
В работе защищаются следующие основные положения:
Методика исследования процесса газопроявления с точки зрения предупреждения выбросов и фонтанов.
Оценка изменения параметров, характеризующих процесс, во время газопроявления.
Исследования по выявлению взаимного влияния параметров, характеризующих процесс.
Математические модели процесса газопроявления для конкретных нефтяных районов.
Исследования по прогнозированию перехода процесса в более опасную фазу: выброс и фонтан. - II -
Разработка системы критериев производных параметров, описывающих переход процесса в более опасную фазу, использование которых позволяет устранить влияние специфики протекания процесса в конкретном нефтяном районе на анализ предаварийных ситуаций.
Комплекс мероприятий, обеспечивающий предупревдение выбросов и открытых фонтанов.
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных статьях и методических указаниях, неоднократно докладывались на городских, республиканских и всесоюзных научно-технических конференциях, сессиях, семинарах.
Обзор литературных источников по исследованию процесса газопроявления с точки зрения предупреждения выбросов и открытых фонтанов
Вопросы исследования процесса газопроявлений, условий и причин его возникновения, описание различных ситуаций перехода процесса в более опасную фазу, а также методы борьбы с этим видом осложнения при бурении скважин,составляют предмет изучения и разработок как отечественных, так и зарубежных авторов [Ї-Іб .
Однако степень изученности перечисленных вопросов различна, а в ряде случаев, ввиду сложности сопутствующих явлений для разработки эффективных мер борьбы с осложнениями, недостаточна. Ввиду многообразия факторов, определяющих этот вид осложнения, существуют различные точки зрения, каждая из которых отдаёт предпочтение в отношении значимости одной или совокупности отдельных причин возникновения газопроявления. Действительно, в каждом конкретном случае, в зависимости от условий, определяющей процесс является та или иная группа причин. Поэтому дать единое объяснение возникновению осложнения затруднительно.
Мнения, изложенные в литературных источниках, а также бытующие в практике, сводятся, в основном, к тому, что газ может поступать в скважину путём диффузии из газо-насыщенных горизонтов, за счет разности между пластовым и гидростатическими давлениями,из тектонических трещин, образовавшихся вследствие гидравлического разрыва пласта, из газонасыщенных каверн вместе с выбуренной и обвалившейся породой, вместе с глинистой коркой при сдирании её элементами бурильной колонны [2,4,б] .
Следует отметить, что несмотря на разнообразие путей поступления газа в скважину, наиболее вероятным и опасным случаем газопроявлений является тот, когда газ поступает в скважину в результате превышения пластового давления над гидростатическим.
Появление перепада давления, способствующего поступлению газа из пласта в скважину, может быть вызвано двумя основными причинами: геологической и технологической.
Как указывают авторы монографий [7J ,к геологическим причинам могут быть отнесены следующие факторы: тектонические нарушения, каверны, заполненные газом, поглощение и гидроразрыв пласта и наличие зоны аномально-высоких пластовых давлений.
Низкая плотность жидкости, зависание, фальтрания или конвекция, гидродинамический эффект, поршневание, падение уровня жидкости, понижение давления под долотом, а также искусственные зоны АВПД являются технологическими причинами снижения давления на га-зонасыщенный пласт. При этом наиболее распространенной причиной снижения высоты столба промывочной жидкости является несвоевременный долив скважины при СПО, а также поглощение промывочной жидкости. Эти причины снижения давления на забой скважины могут быть учтены, а вызывающие их факторы - регламентированы.
При этом на величину падения гидростатического давления решающее влияние оказывает статическое напряжение сдвига бурового раствора.
Однако, как показывает практика бурения, в ряде случаев газ поступает в скважину и при значительном превышении гидростатического давления над пластом. Причём объем поступающего газа значительно превышает тот, который может быть обусловлен диффузией. Газопроявление при бурении скважин без снижения давления (Р3аб Pj ) наблюдаются во многих районах страны, например, в Краснодарском крае, ЧИАССР,на Украине, в Туркмении, Узбекистане. Проявления, как правило, приурочены к вполне определённым участкам разреза. Такие газопроявления имеют характер "пачек" газированного бурового раствора ограниченного объема [6,7J .
Проявления при условии Рдаб. Рпл част0 не изменяют своей интенсивности при дальнейшем увеличении плотности бурового раствора, а существующая в настоящее время вынужденная перестраховка в выборе и корректировании плотностей бурового раствора наносит огромный материальный ущерб народному хозяйству.
Причины газопроявлений при превышении гидростатического и гидродинамического давления над пластовым рассмотрены во многих литературных источниках [5,6,I0J . Как указывают авторы этих работ, основные причины поступления пластового флюида в скважину - поступление флюида со шламом и глинистой коркой при её разрушении, диффузия из вскрытых горизонтов, гравитационное взаимодействие между флюидом пласта и промывочной жидкостью, капиллярное перемещение, осмотическое давление.
Степень изученности перечисленных причин различна и во всем комплексе проблем по борьбе с осложнениями до настоящего времени исследователи в основном занимались лишь двумя аспектами: методами и средствами по ликвидации осложнений и методами и средствами исследования параметров и свойств поглощающих и проявляющих горизонтов с целью правильного выбора средств ликвидации [зз] . Таким же проблемам, как разработка методов анализа ситуаций, возникающих при бурении скважин, создание на основе такого анализа методов и средств обнаружения и диагностики осложнений до недавнего времени серьёзно не занимались, в то время как одним из важнейших критериев оптимальности процесса бурения скважин является недопущение аварий и осложнений, в связи с чем большое внимание должно уделяться вопросам предупреждения и своевременного обнаружения осложнений ,91, 93] .
Особенно остро стоит задача предупреждения осложнений с увеличением глубин скважин, так как в этих условиях ликвидация осложнений становится весьма трудоёмкой, требует больших затрат времени и материальных ресурсов, а иногда становится вообще невозможной, что приводит к ликвидации скважины и к большим материальным потерям.
Оценка изменения параметров, характеризующих процесс газопроявления
Естественное многообразие и многочисленность технико-технологических, геологических, организационных и других факторов,определяющих процессы газопроявления, выброса и фонтана при бурении, дают возможность рассматривать эти процессы как случайные,стохао-тические. Этим фактом объясняются широкие интервалы изменения параметров, характеризующих процесс,для конкретного нефтяного района, что было выявлено в результате анализа промыслового материала.
Эти соображения, наряду с изложенными в разделе 1.3, оправдывают применение вероятностно-статистических методов для изучения процессов газопроявления с точки зрения предупреждения его перехода в выбросы и в открытые фонтаны.
Элементарный статистический анализ данных предполагает первую очередь, построение эмпирических кривых плотностей распределения с целью оценки теоретических совокупностей, выборками из которых, по предположению, являются анализируемые данные, оценка параметров распределений, наиболее вероятных значений, доверительных интервалов. Такой анализ позволяет, в частности, по значениям параметров, характеризующих процесс газопроявления: определить изменение частоты случаев того или иного вида осложнения в зависимости от значений параметра;
- определить средние и наиболее вероятные значения того или иного параметра при осложнении;
- определить меру разброса значений параметров вокруг среднего значения.
Кроме того, такая обработка даёт возможность установить ряд эмпирических закономерностей, необходимых для дальнейшего построения моделей процесса.
Опишем детально статистическую обработку значений параметров, характеризующих газопроявление, на примере параметра: гидростатическое давление в момент проявления для нефтяных районов Грозного.
Прежде всего строим ряд распределений, для чего расположим значения для случаев газопроявлений, имевших место в нефтяных районах Грозного (см.табл.2.1.), в возрастающем порядке (вариационный ряд).
Для построения эмпирической кривой плотности распределения определяются интервалы, средние значения интервалов разбиения и эмпирическая частота для каждого интервала,то есть число данных, попадающих в данный интервал значений. Все эти величины для Rw сведены в табл.2.2 и по ним построена эмпирическая кривая плотности распределения (см.рис.2.1).
Моделирование перехода процесса газопроявления в более опасную фазу методом последовательной диагностической процедуры
Вопрос о моделировании фазы перехода процесса газопроявления в более опасное осложнение требует, прежде всего, принципиального решения вопроса о возможности такого моделирования на основе собранных данных и регистрируемых в нефтепромысловой практике сегодняшнего дня параметров.
Поэтому для начала воспользуемся наиболее простым в вычисли - 90 тельном и содержательном смысле методом последовательной диагностической процедуры. Этот метод представляет собой принцип принятия статистических гипотез (в данном случае, газопроявление перейдет в выброс или фонтан - класс А, не перейдет - класс В), основанный на идее последовательного анализа, выдвинутого Валь-дом L76,77j . Метод основан на рассмотрении упорядоченных рядов признаков в сравниваемых группах наблюдений и на последовательном анализе построенных на их основе пар распределений.
Для принципиального решения вопроса был взят промысловый материал по нефтяным районам Грозного ввиду наиболее удовлетворительной постановки информационно-измерительной системы в этом районе L82 J
В методе диагностической процедуры можно выделить три этапа:
- составление диагностических таблиц и определение величины информативности признаков;
- выработка решающего правила;
- собственно последовательная диагностическая процедура, заключающаяся в нашем случае в проверке по решающему правилу и диагностическим таблицам правильности отнесения случаев к газопроявлениям или выбросам и фонтанам.
Имея по классу А и по классу В наборы значений вектора состояния, разобьем интервал изменения каждой компоненты вектора на некоторое целесообразное число диапазонов. Согласно рекомендациям литературы [.78 J , оптимальным оказывается разбиение каждой из компонент на 8-12 диапазонов. В нашем случае выбрано 10 интервалов разбиения для каждой компоненты. Так, для признака % такое разбиение представляется в таблице 3.1.
