Введение к работе
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 передовых техники и технологий 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 (КРС). 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, возросли 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 (АВР) в условиях Крайнего Севера.
Необходимо совершенствовать применяемые и разрабатывать 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 (ГВК).
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 переподготовки кадров, вопросам создания учебно-тренировочных центров по повышению квалификации персонала 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 обуславливают 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, являющиеся ключевыми при предотвращении экологических катастроф. Поэтому продолжают оставаться актуальными как поиск новых технических решений и технологий, так и совершенствование методологических основ обучения этим технологиям, снижающим затраты и повышающим 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:
обобщение и анализ применяемых технологий ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в условиях Крайнего Севера при эксплуатации и ремонте газовых и газоконденсатных скважин;
разработка технологических основ ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров в условиях Крайнего Севера;
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;
разработка новых составов технологических растворов и технических средств, обеспечивающих повышение эффективности ликвидации открытых газовых фонтанов и восстановление работоспособности скважин;
разработка современных методологических подходов и основ обучения персонала противофонтанных служб, бригад КРС и бурения скважин;
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;
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.
Методы решения поставленных задач основаны 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 данных 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 результатов 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:
технологические и методологические основы ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров на газовых и газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера;
технологии ликвидации открытых газовых фонтанов в пламени пожара на газовых и газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера;
новые технические средства, оборудование и приспособления для ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров на газовых и газоконденсатных скважинах месторождений Крайнего Севера;
методология обучения персонала новым приемам и технологиям предупреждения и ликвидации фонтанов и пожаров на эксплуатируемых газовых скважинах.
Практическая ценность работы
1. Предложена новая классификация методов ликвидации открытых газовых фонтанов и пожаров, включающая ликвидацию открытых газовых фонтанов как с предварительным тушением пламени пожара на устье фонтанирующих газовых и газоконденсатных скважин, так и без тушения. 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 фонтанирующей скважины (патент РФ № 2261982), скважины с наклоненным устьем (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 дополнительного объема 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
№ 2008162908); 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. Разработаны комплекс методологических документов и программное обеспечение для тренажеров, обучающие безопасному ведению работ при тушении газовых фонтанов.
Разработана учебно-методическая база для подготовки и переподготовки кадров, созданы учебно-тренировочные центры для повышения квалификации персонала 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 «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий», посвященной 40-летию ТюмГНГУ (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.);
научно-практической конференции «Проблемы освоения трудноизвлекаемых запасов углеводородов» в рамках VI Конгресса нефтегазопромышленников России (г. Уфа, 2005 г.);
Региональной научно-практической конференции «Новые технологии для ТЭК Западной Сибири», посвященной 5-летию образования Института нефти и газа (г. Тюмень, 2005 г.);
III Российской межвузовской научно-практической конференции «Методы компьютерного проектирования и расчета нефтяного и газового оборудования» с международным участием, посвященной 50-летию образования ТюмГНГУ (г. Тюмень, 2006 г.);
Региональной научно-практической конференции «Инновации и эффективность производства», посвященной 50-летию Тюменского нефтегазового университета (г. Сургут, 2006 г.);
Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых нефтегазового направления «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири», посвященной 50-летию ТюмГНГУ (г. Тюмень, 2006 г.);
Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых нефтегазового направления «Современные технологии для ТЭК Западной Сибири», посвященной 50-летию ТюмГНГУ (г. Тюмень, 2007 г.);
IХ Международной конференции по колтюбинговым технологиям и внутрискважинным работам (г. Тюмень, 2008 г.);
Межрегиональной научно-технической конференции нефтегазового направления «Подготовка кадров и современные технологии для ТЭК Западной Сибири» с международным участием, посвященной 45-летию ТИИ (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 55 печатных работ, в том числе
4 монографии, 1 справочник, 1 учебное пособие, 3 научно-технических обзора, 38 статей и тезисов докладов, получено 8 патентов РФ на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 125 наименований, и 2 приложений. Изложена на 289 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 9 таблиц.
