Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы. цель и задачи исследования 13
1.1. Постановка проблемы 13
1.1.1. Состояние бурения скважин 14
1.1.2. Причины неудовлетворительного состояния бурения скважин
1.1.3. Системный подход в бурении 23
1.2. Управление качеством в бурении 32
1.2.1. Регламентирование оценки качества скважин в нормативных документах
1.2.2. Научные исследования по квалиметрии скважин 37
1.2.3. Менеджмент качества 58
1.2.4. Практика использования систем менеджмента качества в бурении
1.3. Технологические проблемы бурения скважин 61
1.4. Техническое регулирование строительства скважин 62
1.5. Цель и основные задачи исследования 65
2. Системный анализ процесса бурения скважин 68
2.1. Общие положения 68
2.2. Скважина как горнотехническое сооружение 69
2.3. Жизненный цикл скважины 71
2.3.1. Проектирование строительства скважин 72
2.3.2. Строительство скважин 73
2.3.3. Эксплуатация скважин 77
2.3.4. Капитальный ремонт и реконструкция скважин 79
2.3.5. Ликвидация скважин 83
2.4. Скважина как горнотехническая система 84
2.4.1. Горная подсистема 88
2.4.2. Техническая подсистема 89
2.5. Буровая технологическая система 90
2.5.1. Структура буровой технологической системы 90
2.5.2. Структурно-функциональная модель БТС 92
2.5.3. Функционирование буровой технологической системы 97
Выводы по разделу 2 101
3. Научные методические основы управления качеством вбурении
3.1. Оценка качества в бурении .103
3.1.1. Практические аспекты квалиметрии в бурении 103
3.1.2. Идентификация объектов оценки соответствия в бурении
3.1.3. Показатели качества законченной строительством скважины ,
3;1.4. Оценивание показателей качества ИГ
3.1.5... Комплектование показателей качества 116
3;1 .б; Оценка соответствия; процессов бурения 123
3.2, Концепция управленияі качеством;скважина 124
3 2.1. Стратегическое ишперативное управление качеством уровни качества;скважин?
Буров суперваизинг как элемент системы , управления качеством
3:3:2: Практикаїбуровогоїсупервайзингаа , 134?
3;3:3 Теоретическиеосновьцбуровогоїсупервайзинга
3.3.4: Проектнаядокументацйяжа строительствОїСкважиньь 1401
3.3.5. Кадровое обеспечение буровогоїсупервайзингал 144
Выводыпо разделу Зг 145;
4. Профилактика,физикотхимического, разупрочнения;: глинистыхгпород
4.1.3: Методика исследований 159,;
4.1.4. Приготовление образцовглинистых пород 160;
4:1.5. Рабочая гипотеза; 165
4:1.6; Экспериментальная.проверка.рабочейкгипотезы, 167
4.1.7: Механизм физико-химического разупрочнениям глинистых пород 1/9
4.1.8. Методика выбора промывочной жидкости для бурения» в глинистых породах 194
4.1.9. Ингибированиеразупрочнения глинистых.пород микрополидобавками; 198
4.2. Буримость горных пород в среде минерализованных промывочных жидкостей
4.2.1. Анализ промысловых данных 206
4.2.2. Лабораторные исследования 212
4.2.3. Стендовые исследования 214
4.3. Разработка безглинистых минерализованных промывочных 2 Q
жидкостей
4.3.1. Промывочные жидкости с микрополидобавками 220
4.3.2. Гидрогельмагниевые промывочные жидкости „ пониженной материалоемкости
4.4. Гель-технология буровых технологических жидкостей 228
4.4.1. Сущность гель-технологии 228
4.4.2. Гидроизолирующий состав «Невод» 229
4.5. Очистка ствола наклонно направленной скважины от шлама 235
Выводы по разделу 4 237
5. Экологические аспектылгехнического регулирования безопасности буровой технологической системы ,
5.1. Экологическая безопасность буровой технологической системы
5.2. Исследование экологичное отработанной промывочной жидкости
5.2.1. Содержание химических элементов wорганических примесей
5.2.2. Влияние на органолептические свойства воды 245
5.2.3. Влияние на общийханитарный режим водоемов 246
5.2.4. Воздействие на гидробионты 248
5.3. Исследование экологичности бурового шлама 249
5.3.1. Содержание химических элементов 250
5.3.2. Фитотоксическое действие 253
5.3.3. Воздействие на гидробионты 259
5.3.4. Выводы по результатам исследований 262
5.4. Производственный экологический контроль веществ, обращающихся в технологических процессах бурения
5.4.1. Практика использования рыбохозяйственных нормативов в бурении 3
5.4.2. Предложения по оценке экологичности веществ, обращающихся в буровой технологической системе
5.5. Экологический паспорт промывочной жидкости и технологических отходов бурения 2 2
5.6. Специфика обеспечения экологической безопасности при бурении на море 274
Выводы по разделу 5 282
Основные выводы и рекомендации 289
Литература
- Регламентирование оценки качества скважин в нормативных документах
- Строительство скважин
- Показатели качества законченной строительством скважины
- Влияние на органолептические свойства воды
Введение к работе
Актуальность проблемы. В структуре ежегодных капиталовложений в нефтегазодобычу затраты на строительство и реконструкцию скважин по разным оценкам составляют от 30 до 50 %. При этом доля дефектных законченных строительством скважин достигает десятков процентов. Поэтому в большинстве случаев потребность в их ремонте возникает уже после нескольких лет эксплуатации и расходы на поддержание технического состояния скважин достигают 20 % ежегодных суммарных издержек добывающих предприятий. Отсюда следует, что улучшение качества скважин и, как следствие, сокращение издержек на поддержание их технического состояния - это важный резерв повышения прибыльности нефтегазовых компаний.
Переход на рыночные отношения в России привел к реорганизации производственной деятельности в бурении путем выделения из нефтегазовых компаний буровых предприятий и образования рынка буровых подрядчиков. Приобретя статус самостоятельных хозяйствующих субъектов, они стали перед выбором - обанкротиться или повысить уровень конкурентоспособности: улучшать качество работ, совершенствовать технологии, снижать издержки и т.д. Кроме того, значительно расширился круг субъектов, с которыми буровое предприятие связано договорными и иными обязательственными отношениями (субподрядчики, поставщики, инвесторы, страховщики, акционеры и т.д.). Каждый из них, стремясь снизить свой риск, выбирает делового партнера, ориентируясь на его конкурентоспособность, которая определяется, главным образом, результативностью и эффективностью его деятельности.
Теория и практика бурения оказались не достаточно подготовленными к таким изменениям. Особое отставание при этом проявляется в области методологии (терминология, структура, логическая организация, методы и средства) обеспечения результативности (степень реализации запланированной деятельности и достижения запланированных результатов) и эффективности (связь между достигнутым результатом и использованными ресурсами) бурения скважин. Таким образом, существует практическая потребность в решении крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, - совершенствовании методологических основ повышения результативности и эффективности бурения скважин в соответствии с изменившимися условиями производственной деятельности в бурении.
Актуальность исследований подтверждается также тем, что они осуществлялись в соответствии с государственными планами научно-исследовательских работ (1987-1999 г.г.), решением секции «Бурение и строительство скважин» Научно-технического совета ОАО «Газпром» (ноябрь, 2006), инновационной образовательной программой «Развитие инновационных профессиональных компетенций в новой среде обучения – виртуальной среде профессиональной деятельности» приоритетного национального проекта «Образование» (2005-2008 г.г.).
Степень разработанности проблемы. Для структурирования исследуемой проблемы и выявления задач, подлежащих решению в приоритетном порядке, в диссертации проанализированы работы, авторами которых являются: Аветисов А.Г., Аветов Р.В., Агзамов Ф.А., Ангелопуло О.К., Ашрафьян М.О., Байдюк Б.В., Басарыrин Ю.М., Бастриков С.Н., Белорусов В.О., Близнюков В.Ю., Буглов Н.А., Будников В.Ф., Будько А.В., Булатов А.И., Вартумян Г.Т., Василенко И.Р., Гасумов Р.А., Гноевых А.Н., Горонович С.Н., Григулецкий В.Г., Гусман А.М., Евсеев В.Д., Живаева В.В., Зозуля В.П., Зозуля Г.П., Ипполитов В.В., Исмаков Р.А., Кашкаров Н.Г., Коновалов Е.А., Кочетков Л.М., Кошелев В.Н., Крылов В.И., Крысин Н.И., Куксов А.К., Кулиев К.Н., Куликов В.В., Кульчицкий В.В., Курбанов Я.М., Курумов Л.С., Леонов Е.Г., Лихушин А.М., Лушпеева О.А., Мавлютов М.Р., Мирзаджанзаде А.Х., Мнацаканов В.А., Никитин Б.А., Нифантов В.И., Новиков В.С., Овчинников В.П., Овчинников П.В., Оганов А.С., Оганов Г.С., Пеньков А.И., Повалихин А.С., Подгорнов В.М., Поляков В.Н., Потапов А.Г., Пуля Ю.А., Рябоконь С.А., Рябченко В.И., Сеид-Рза М.К., Сердюк Н.И., Симонянц С.Л., Спивак А.И., Третьяк А.Я., Уляшева Н.М., Урманчеев В.И., Усынин А.Ф., Федоров В.Н., Хузина Л.Б., Чубик П.С., Шарипов А.У., Ширин-Заде С.А., Штоль В.Ф. и др. Зарубежными авторами, труды которых составили теоретическую базу исследования, являются: Алдрид У., Алимжанов М.Т., Борк Ж., Войтенко В.С., Гаджиев М.А., Зарубин Ю.О., Егер Д.О., Карабалин У.С., Коцкулич Я.С., Мыслюк М.А., Тернер Л., Тюдор Ф., Ханмамедов М.А., Яремийчук Р.С., Ясов В.Г. и др.
В результате анализа научных публикаций и опыта бурения скважин выявлены два аспекта состояния проблемы. Во-первых, установлено, что теория не полностью соответствует потребностям практики бурения скважин, так как технологические процессы и операции рассматриваются автономно, а не в виде целостной системы, результатом функционирования которой является законченная строительством скважина. Во-вторых, в результате анализа и обобщения теоретической базы исследования выявлены новые и нерешенные, методологически мало изученные аспекты проблемы, относящиеся, прежде всего, к системному обеспечению качества скважин и эффективности бурения, промывке скважин, техническому регулированию строительства скважин. Противоречия между практикой бурения и ее теоретическим осмыслением, между разными объяснениями, интерпретациями практики бурения составляют сущность сформулированной нами проблемы, заключающейся в несовершенстве методологических основ повышения результативности и эффективности бурения скважин.
Цель исследования. Повышение результативности и эффективности бурения скважин путем системного совершенствования его методологических основ.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены следующие основные задачи.
-
Выполнить анализ и обобщение состояния проблемы обеспечения результативности и эффективности бурения скважин.
-
Разработать методологические основы управления качеством в бурении.
-
Теоретически и экспериментально обосновать пути повышения результативности и эффективности бурения скважин путем совершенствования процесса промывки скважин.
-
Развить научные и методологические основы технического регулирования экологических аспектов обеспечения результативности и эффективности бурения скважин.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является бурение скважин, предметом – методологические и технологические основы повышения результативности и эффективности бурения скважин.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются подходы, методы, использованные в диссертационном исследовании. Для решения поставленных задач применялись: методы системного анализа, методы аналитических исследований и научных обобщений, статистическая обработка и анализ фактических промысловых данных; специально разработанные методики исследований и экспериментальные установки; стендовые и промысловые исследования. Кроме того, использовались методы микроскопического, химического, рентгеноструктурного и термографического анализов. Изучение свойств буровых технологических жидкостей и технологических отходов бурения осуществлялось стандартизованными и апробированными в исследовательской практике методами. Достоверность экспериментальных исследований обеспечена как путем использования принятых в исследовательской практике методик планирования экспериментов и математической обработки их результатов, так и как путем сопоставления промысловых и экспериментальных данных.
Теоретической базой исследования являются теоретические работы отечественных и зарубежных ученых и специалистов в изучаемой области.
Эмпирическая база исследования — изученная выборочная совокупность свойств объекта исследования: результативность и эффективность бурения скважин.
Научные результаты, выносимые на защиту. 1. Структурно-функциональная модель буровой технологической системы (БТС), которую предложено использовать в качестве объекта управления результативностью и эффективностью бурения скважин.
2. Методологические основы оценки соответствия в бурении, базирующиеся на выделении двух основных объектов (технологических процессов бурения и законченной строительством скважины), что позволяет авторизовать ответственность за результаты деятельности и обеспечить последовательное устранение несоответствий.
3. Обоснование жизненного цикла скважины на основе представлений о скважине как горнотехническом сооружении и горнотехнической системе.
4. Использование в качестве описательной модели БТС рабочего проекта на строительство скважины, дополненного разделами «Заканчивание скважины», «Анализ и оценка технологического риска» и «Оценка соответствия».
5. Методика оценки физико-химического разупрочнения глинистых пород дисперсионной средой промывочной жидкости, основанная на определении скорости пропитки и скорости набухания образцов пород в фильтрате промывочной жидкости, позволяющая повысить результативность и эффективность бурения скважин.
6. Принципы оценки экологической безопасности БТС, учитывающие изменение состава и свойств веществ, обращающихся в технологических процессах бурения скважин.
7. Научное обоснование и методическое обеспечение профессиональной подготовки буровых супервайзеров, направленное на повышение результативности и эффективности бурения скважин.
Диссертация представляет собой научно-квалификационную работу, в которой изложены научно обоснованные технические, экономические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны. В диссертации систематизированы, обобщены и развиты научные исследования, выполненные автором в течение 1978-2009 годов.
Научная новизна результатов исследования заключается в разработке и развитии методологических основ повышения результативности и эффективности бурения скважин, что представлено совокупностью следующих положений:
1. Разработана методология повышения результативности и эффективности бурения скважин, основанная на использовании в качестве объекта управления буровой технологической системы (БТС), представляющей собой совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения, предметов производства и исполнителей для выполнения в регламентированных условиях производства технологических процессов и операций по бурению скважины. Разработана структурно-функциональная модель БТС.
2. Разработаны методологические основы оценки результативности и эффективности бурения скважин, особенностью которых является выделение в качестве объектов оценки технологических процессов бурения и законченной строительством скважины. Это позволяет авторизовать ответственность участников бурения скважины за результаты деятельности и обеспечить последовательное устранение несоответствий.
3. Разработана методика оценки разупрочняющей способности буровых технологических жидкостей (БТЖ), которая, в отличие от известных, позволяет учесть раздельно влияние скорости пропитки и набухания дисперсионной среды БТЖ на процесс разупрочнения глинистых пород в стенке скважины. Использование этих показателей позволяет повысить результативность и эффективность технологических решений по сохранению деформационной устойчивости ствола скважины.
4. Экспериментально установлено и теоретически обосновано, что в условиях отсутствия достоверной информации о свойствах глинистых пород в стенке скважины существенно повысить результативность ингибирования их разупрочнения можно путем введения в промывочную жидкость микрополидобавок, представляющих собой смесь ингибиторов разупрочнения различной природы. Новизна созданных рецептур реагентов и БТЖ подтверждена авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
5. Установлено и теоретически обосновано, что при оценке экологической безопасности БТС необходимо учитывать отходы не только промывочной, но и других технологических жидкостей, а оценка экологичности веществ, обращающихся в технологических процессах должна осуществляться с учетом изменения состава и свойств БТЖ в процессе циркуляции через скважину.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в том, что методологическое обеспечение повышения результативности и эффективности бурения скважин в науке слабо разработано, имеются противоречивые подходы. Разработка этой темы дополняет представления по ряду теоретических вопросов, открываются новые перспективы для прикладных исследований.
Практическая потребность в методологическом обеспечении повышения результативности и эффективности бурения скважин достаточно выражена. Решение этой проблемы положительно скажется на различных сторонах практики. Практическая значимость работы определяется следующими положениями:
- разработаны научное и методологическое обеспечение и модель системы управления качеством строительства скважин, удовлетворяющие требованиям международных стандартов серии ИСО 9000;
- предложена методика оценки ингибирующей способности БТЖ, позволяющая упростить процедуру выбора их состава и свойств за счет использования менее трудоемких для определения показателей - скоростей пропитки и набухания.
- разработаны в соавторстве на уровне изобретений: составы и способы приготовления буровых промывочных жидкостей, реагентов и материалов для их приготовления и кондиционирования, микрополидобавок (авторские свидетельства №: 1114691, 1266851, 1454822, 1536806, 1623180, 1781281; патенты №: 1745750, 1752752, 1776270, 1788962, 1814652, 1838363, 1838365, 2003658, 2026876, 2051944, 2055089, 2055855, 2064570, 2087513, 2088627, 2177492, 2234598, 2234598), способ очистки горизонтального участка ствола скважины от шлама путем обратной промывки (патент № 2166061), способ ликвидации подземной соляной камеры, содержащей опасные жидкие отходы, с использованием гидроизолирующего состава на основе нефелинсодержащего сырья (патент № 2221148);
- научное и методическое обеспечение технологического надзора (супервайзинга) в бурении реализовано в виде Государственных требований к минимуму содержания и уровню требований к специалистам по дополнительной профессиональной образовательной программе для получения дополнительной квалификации «Специалист технологического надзора при строительстве скважин (супервайзер)», утвержденных Минобрнауки России (регистрационный номер ГТПАК 40/03 от 10.05.2006) и учебных пособий «Безопасность технологических процессов бурения скважин» (РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2007), «Безопасность технологических процессов добычи нефти и газа» (ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008, соавторы Дунюшкин И.И. и Павленко В.П.) и «Управление качеством в бурении» (ООО «Недра-Бизнесцентр», 2008), получивших гриф Учебно-методического объединения вузов РФ по нефтегазовому образованию.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Решение научных и технических проблем специальности 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин» направлено на разработку технологий и технических средств для повышения качества и снижения стоимости строительства скважин. Поэтому цель диссертации, заключающаяся в повышении результативности и эффективности бурения скважин путем системного совершенствования его методологических основ, полностью соответствует формуле специальности.
Область диссертационного исследования включает разработку методологических основ повышения результативности и эффективности бурения скважин, моделирование процессов бурения, предупреждение осложнений, предупреждение загрязнения недр, обеспечение охраны окружающей среды, разработку научных основ обоснования и оптимизации рецептур технологических жидкостей, химических реагентов и материалов для строительства скважин. Поэтому область диссертационного исследования соответствует формуле специальности, а именно: пункту 3 «Физико-химические процессы в горных породах, буровых и цементных растворах с целью разработки научных основ обоснования и оптимизации рецептур технологических жидкостей, химических реагентов и материалов для строительства скважин», пункту 4 «Тепломассообменные процессы при бурении скважин с целью разработки технологии и технических средств по улучшению коллекторских свойств призабойной зоны пласта, интенсификации притока пластового флюида, предупреждения загрязнения недр, обеспечения охраны окружающей среды» и пункту 5 «Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстановительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений».
Апробация результатов исследования. Основные научные, методические и прикладные результаты, полученные в работе, обсуждались на международных и отечественных конференциях, семинарах и совещаниях:
техническом совещании в ПГО «Енисейнефтегазгеология» (Красноярск, 1982); Московской городской научно-практической конференции МУиС по проблемам освоения нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири (1983), где работа была удостоена Почетной грамоты Московского правления НТО им. И.М. Губкина; Всесоюзной конференции МУиС «Проблемы комплексного освоения нефтяных и газовых месторождений» (Учкекен, 1984); научно-технической конференции «Ускорение научно-технического прогресса при поисках и разработке нефтяных и газовых месторождений» (Пермь, 1987); I (1987) и II (1988) Московских конференциях «Молодежь - научно-техническому прогрессу в нефтяной и газовой промышленности»; техническом совещании в НПО «Недра» (Ярославль, 1991); 2-м, 3-м и 5-м Международных семинарах «Горизонтальные скважины» (Москва, 1997, 2000, 2008); 3-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1999); секции «Техника и технология бурения скважин» НТС ОАО «Газпром» (Тюмень, 1999); Международной конференции стран СНГ «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения» (Москва, 1999); Международном семинаре «Охрана водных биоресурсов в условиях интенсивного освоения нефтегазовых месторождений на шельфе и внутренних водных объектах Российской Федерации» (Москва, 2000), Научно-техническом семинаре «Декларирование и экспертиза промышленной безопасности» (Оренбург, 2000), Научно-техническом семинаре ООО «Подземгазпром» (Москва, 2000), 1-й Международной конференции «Нефтеотдача–2003» (Москва, 2003), секции «Бурение и строительство скважин» Научно-технического совета ОАО «Газпром» (Тюмень, 2005); Международной научно-технической конференции «Повышение качества строительства скважин» (Уфа, 2005); Научно-практическом семинаре «Техническое регулирование, промышленная безопасность, стандартизация, менеджмент и конкурентоспособность в нефтегазовом комплексе и смежных сферах экономики России» (Москва, 2007); 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2007); Всероссийской научно-методической конференции «Управление качеством образовательного процесса в условиях модернизации российского образования» (Ухта, 2008), секции «Строительство скважин» НТС ОАО «Газпром» (Москва, 2009), XVIII Губкинских чтениях «Инновационное развитие нефтяной и газовой промышленности России: наука и образование» (Москва, 2009).
Реализация результатов исследования. Основные положения диссертации использованы в рабочих проектах, технологической документации и реализованы при бурении скважин в Восточной Сибири (скважины № 5 Ванаварсквая и № 6 Нижне-Тунгусская), сверхглубоких скважин в Прикаспийском регионе (Кузнецовская СГ, Карачаганакская СГ, Коскульская СГ, Деркульская СГ и Утвинская СГ).
Технология очистки горизонтального участка ствола скважины (Патент № 2166061 на изобретение «Способ очистки ствола скважины») внедрена в Степновском УБР. Интерактивная база данных «Промывка скважин» применена в АО «Сибирская технологическая компания» (г. Нижневартовск).
Результаты исследований использованы, в частности, при выполнении автором работ по аудиту промышленной и экологической безопасности (Российско-американская компания «BaiTex», Бугуруслан, 1998), консультированию по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) строительства поисково-разведочной скважины Южно-Долгинская в Печорском море (компания «Газфлот» ОАО «Газпром», Москва, 1999), разработке технологической части ОВОС строительства группы скважин на Ванкорском месторождении (компания «Енисейнефть», Красноярск, 1999), экспертизе промышленной безопасности веществ и материалов для бурения и эксплуатации скважин (компания «Халлибуртон интернэшнл инк», Москва, 2000), консультировании создания рекомендаций ОАО «Газпром» «Качество скважины. Оценка соответствия при строительстве скважин» (ОАО «СевКавНИПИгаз», 2009-2010).
Для учебно-методического обеспечения подготовки и повышения квалификации кадров нефтегазовой отрасли разработаны 28 учебно-методических документов. В необходимых случаях эти документы согласованы с Госгортехнадзором России (в н.в. Ростехнадзор). Учебно-методические документы используются:
в учебном процессе РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина (кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, Учебно-исследовательский центр по проблемам повышения квалификации, Тренажерный центр по управлению скважиной);
при обучении и повышении квалификации персонала (руководителей, специалистов и рабочих) в ОАО «Газпром»;
для подготовки экспертов по промышленной безопасности в области строительства скважин в Национальном институте нефти и газа.
Публикации. Результаты научных исследований автора опубликованы в 144 работах. По теме диссертации опубликована 131 работа, в том числе: 3 монографии, 9 учебных пособий, 74 статьи (37 из них в изданиях, входящих в перечень ВАК), 19 тезисов докладов, 26 описаний изобретений.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов (1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования; 2. Системный анализ процесса бурения скважин; 3. Научные и методологические основы управления качеством в бурении; 4. Совершенствование процесса промывки как средство повышения результативности и эффективности бурения скважин; 5. Научные и методологические основы технического регулирования экологических аспектов обеспечения результативности и эффективности бурения скважин), основных выводов и рекомендаций. Она изложена на 308 страницах машинописного текста, включает 65 рисунков, 66 таблиц, список использованной литературы - 581 наименование.
Регламентирование оценки качества скважин в нормативных документах
Проблема в науке понимается как противоречивая ситуация, выступающая в виде противоположных позиций в объяснении каких-либо явлений, объектов, процессов и требующая адекватной теории для ее разрешения. Важной предпосылкой успешного решения проблемы служит ее правильная постановка, поскольку неверно поставленная проблема или псевдопроблема уводят в сторону от разрешения подлинных проблем. С целью выявления проблемы, подлежащей решению в диссертации, ниже проведен анализ теоретических и практических вопросов строительства скважин, требующих изучения и разрешения.
Концепцией долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации (утверждена распоряжением Правительства РФот 17.11.08 г. № 1662-р) предусмотрен переход экономики от экспортно-сырьевого к инновационному, социально ориентированному типу развития. Это позволило бы резко расширить конкурентный потенциал российской экономики за счет наращивания ее сравнительных преимуществ в науке, образовании и высоких технологиях и на этой основе задействовать новые источники экономического роста и повышения благосостояния. Так, планируется, что уже в 2014-2017 годах потенциал вклада в ускорение темпов роста валового внутреннего продукта (ВВП) наукоемкой продукции и экономики знаний может сравняться с вкладом традиционных секторов и превысить вклад нефтегазового комплекса. «Нефтегазовая» доля ВВП должна снижаться за счет опережающего роста инновационной составляющей ВВП на фоне увеличения-объемов добычи природных углеводородов. Добыча нефти к 2020 г. должна возрасти до 500-545 млн. тонн, газа - до 815-900 млрд. куб. м. В соответствии с Концепцией приоритетными направлениями развития нефтегазового комплекса станут, в частности, формирование и развитие новых крупных центров добычи нефти и газа, разработка месторождений на шельфе и активизация работ по освоению нефтегазовых месторождений арктического континентального шельфа. Прирост балансовых геологических запасов морских месторождений нефти к 2020 году планируется обеспечить до 3 млрд. тонн, газа - до 5 трлн. куб. м.
Планирование прироста балансовых геологических запасов природных углеводородов и увеличения объемов их добычи косвенно означает и планирование адекватного увеличения объемов бурения поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин. С увеличением же объемов бурения неизбежно актуализируется потребность в повышении результативности и эффективности строительства скважин. 1.1.1. Состояние бурения скважин
В структуре ежегодных капиталовложений в нефтегазодобычу затраты на строительство скважин по оценкам специалистов составляют от 40 до 80% [148]. В последующем расходы на поддержание требуемого качества скважин составляют примерно 20 % ежегодных суммарных издержек добывающих предприятий. При этом проблема снижения издержек на строительство и поддержание технического состояния скважин неизбежно обостряется по мере перехода месторождений на завершающую стадию разработки и снижения рентабельности добычи углеводородов.
Анализ зарубежной практики показывает наличие тенденции увеличения капиталоемкости бурения. Так, в США доля капиталовложений в строительство скважин в структуре инвестиций в нефтегазодобычу в 1982 г. составила 66%, а в 2007 г. - 82% [446].
Показатели результативности и эффективности строительства скважин у российских компаний существенно ниже, чем у зарубежных. Прямых доказательств этому нет в связи с информационной закрытостью компаний и, как следствие, отсутствием в открытой печати сведений о качестве скважин, стоимостных и технико-экономических показателях бурения. Как показал проведенный нами анализ публикаций единственной российской компанией, открыто обсуждающей свои проблемы в области строительства скважин, является ОАО «Газпром» [184, 312, 371, 372]. Поэтому рассмотрим состояние строительства скважин на примере ОАО «Газпром», понимая приэтом, что приведенные факты характеризуют состояние отечественного бурения в целом.
Анализ статистических данных, приведенных в статье [372], показывает, что доля дефектных скважин, сдаваемых в эксплуатацию, достигает десятков процентов. Так, из 1512 скважин, законченных бурением в ОАО «Газпром» в 1999 г., 812 (31,45%) по данным акустической цементометрии (АКЦ) имели плохое качество цементного камня за обсадной колонной (табл. 1.1). В 167 скважинах (6,45%) в процессе крепления имели место также недоподъем цементного раствора за обсадной колонной до проектной высоты, недоспуск обсадной колонны до забоя, негерметичность резьбовых соединений обсадных труб или колонной головки, оголение низа обсадной колонны, прихват обсадной колонны. Таблица 1.1. Осложнения при креплении скважин, законченных бурением в ОАО «Газпром» в 1999 г. [372]
Дефекты крепи, образовавшиеся в процессе бурения скважин, усугубляются на этапе их эксплуатации. Так, на Уренгойском месторождении в более чем в 15% от общего фонда скважин, пробуренных на глубину 3000-3200 мя для разработки газоконденсатных залежей и нефтяных оторочек, средний возраст которых составляет 15-20 лет, проведены ремонты эксплуатационных колонн. В большинстве случаев нарушение эксплуатационных колонн происходит после 6-8 лет эксплуатации, а характер нарушения соответствует потере герметичности резьбового соединения с элементами коррозионного разрушения ниппеля верхней трубы соединения. В 1997-2004 гг. проявилась тенденция к значительному росту количества скважин, переходящих в бездействующий фонд по этой причине [29].
На Ямбургском газоконденсатном месторождении в затрубном пространстве скважин имеются интервалы, где цементный камень отсутствует. На многих скважинах имеются межколонные перетоки и давления [172]. За период с 01.12.05 г. по 01.04.06 г. на Харвутинской площади этого месторождения было зацементировано 15 кондукторов и 11 эксплуатационных колонн. При этом степень заполнения открытого ствола цементным раствором колеблется в интервале от 0,00 до 96,54%, а в среднем составляет 62,23%. Сплошной контакт цементного камня с колонной составляет в среднем 14,55%, а с породой 33,64% [192]. Из 446 скважин на Заполярном-нефтегазоконденсатном месторождении в 206 (46,2%) выявлены межколонные давления [359].
Косвенно, по затратам времени на аварии и брак, можно судить и о состоянии разведочного бурения. Так, у буровой компании ООО «Бургаз» (в настоящее время 000 «Газпром бурение»), являющейся одним из лидеров отечественного бурения, производительное время в разведочном бурении в 2004 году составило 84,0%, на аварии и брак потрачено 10,5% календарного времени строительства скважин (табл. 1.2).
Строительство скважин
На этапе строительства скважины возможна временная приостановка работ с целью устранения выявленных дефектов и-ликвидации аварий, а также консервация скважины. Эти работы должны удовлетворять требованиям безопасности. Например, с целью устранения дефектов и ликвидации аварий практикуется бурение нового участка ствола в обход дефектного или аварийного, что зачастую не рассматривается как угроза безопасности недрам. Так, методикой оценки качества скважин, разработанной институтом «ТатНИПИнефть», преду смотрено, что при превышении нормированного значения интенсивности искривления по решению заказчика скважина исправляется перебуриванием за счет подрядчика [290, п. 2.1.3]. По нашему мнению, в этом случае нужно учитывать, не только технологические, но и экологические аспекты, возлагая на бурового подрядчика обязанность возмещения экологического ущерба. Однако теоретического и, тем более, законодательно решения эта проблема пока не имеет.
Законченная строительством скважина принимается заказчиком с оформлением акта приемки и ставится на баланс как основное средство производства с указанием его стоимости. В силу специфики бурения фактическая конструкция скважины может отличаться от проектной. Фактическая конструкция законченной строительством скважины указывается в ее паспорте.
В процессе эксплуатации происходит моральный и физический износ скважины - снижение ее качества как основного средства производства недропользователя. Восстановление качества скважины осуществляется путем ремонта, реконструкции, технического перевооружения и модернизации.
Текущий ремонт, техническое перевооружение и модернизация имеют отношение, главным образом, к наземному и подземному оборудованию, используемому в процессе эксплуатации скважины. Поэтому на этапах проектирования и строительства скважины они не являются объектами анализа с целью совершенствования ее качества.
Что касается капитального ремонта и реконструкции скважин, то качество скважин и эффективность бурения напрямую связаны с этими работами. Качество законченной строительством скважины должно обеспечивать минимизацию количества и объема работ по ее капитальному ремонту. Реконструкция должна быть, по возможности, учтена при проектировании скважины.
Таким образом, капитальный ремонт и реконструкция должны являться объектами анализа в системе управления качеством в бурении. Практическое значение имеет не только содержание работ по капитальному ремонту и реконструкции скважин, но и содержание этих понятий. В частности, отсутствие единообразной их трактовки является причиной многочисленных конфликтных ситуаций при бурении в добывающих скважинах дополнительного ствола [79, 92, 233]. Суть проблемы заключается в следующем. В соответствии со статьей 260 Налогового кодекса РФ расходы на ремонт основных средств, произведенные налогоплательщиком, рассматриваются как прочие расходы и признаются для целей налогообложения в размере фактических затрат. В случае же достройки, дооборудования, реконструкции, модернизации, технического перевооружения, частичной ликвидации соответствующих объектов первоначальная стоимость основных средств изменяется. В соответствии с п. 27 Положения по бухгалтерскому учету «Учет основных средств» № 6/01 от 30.03.01, затраты на модернизацию и реконструкцию объекта основных средств после их окончания увеличивают первоначальную стоимость такого объекта, если в результате модернизации и реконструкции улучшаются (повышаются) первоначально принятые нормативные показатели функционирования (срок полезного использования, мощность, качество применения и т.п.) объекта основных средств.
В промысловой практике с целью с совершенствования производства и повышения его технико-экономических показателей создают внутрипластовые системы путем бурения многозабойных скважин, переустройства добывающих скважин достраиванием их дополнительным боковым стволом или путем увеличения длины ствола и/или изменения его пространственного расположения в продуктивном пласте [324, 343]. Предложенная в 50-х годах технология бурения дополнительных стволов из вырезанного «окна» в обсадных колоннах получила широкое применение в скважинах обводненных и аварийных со смятыми1 эксплуатационными колоннами, а также расположенных в истощенной области продуктивного пласта, когда производительность бездействующих нефтяных и газовых скважин не может быть восстановлена традиционными методами [323]. Работы по бурению и оборудованию бокового ствола в эксплуатационной скважине некоторые недропользователи квалифицируют как капитальный ремонт и относят затраты на их выполнение к операционным издержкам, снижая тем самым свою налогооблагаемую базу. Налоговые органы не соглашаются с недропользователями и относят эти работы к реконструкции скважин, указывая на то, что результатом бурения бокового ствола является не ремонт, а переустройство скважины с целью повышения технико-экономических показателей добычи углеводородов. Поэтому балансовая стоимость такой скважины должна быть увеличена на сумму затрат по ее переустройству.
Показатели качества законченной строительством скважины
В связи с этим-вызывает сомнение осуществимость информационной системы технико-технологического надзора строительства и эксплуатации скважин [247], в основу которой положен проект на строительство скважины, выполненный наоснове макета [280].
Современный подход к обеспечению качества строительства скважин должен строиться не только на изложении в рабочем проекте предлагаемых технических решений, но также на описании возможностей и предоставлении-конкретных средств, например программных, для управления результативностью и эффективностью производственного процесса строительства скважины. Иными словами, проект должен стать рабочим, то есть средством воплощения проектных решений. В полной мере решению этой задачи соответствует концепция выполнения рабочего проекта как виртуальной модели буровой технологической системы, то есть с использованием компьютерных технологий. Причем в понятие «компьютерные технологии» мы вкладываем отличный от используемого в современных системах автоматизированного проектирования бурения и автоматизированных рабочих местах технологов смысл. Концепция виртуальной модели предполагает создание как документа (это необходимо, поскольку проект - это юридический документ), так и пакета программ виртуального аналога БТС.
Таким образом, принципиальное отличие традиционной и предлагаемой концепций проекта заключается в том; что первая основана на фиксации статичной информации, вторая - использует информацию как инструмент познания, то есть в динамике ее развития. Виртуальная модель дает возможность анализировать процесс строительства скважины: во-первых, поэлементно; во-вторых, во взаимосвязи всех одновременно протекающих процессов, то есть в пространственно-временных координатах; в-третьих, в разрезе всех слагаемых качества (функциональности, надежности, безопасности и экономичности). С этой целью она включает: - разработку математических моделей объектов управления; - формирование оперативно пополняемых компьютерных баз данных свойств объектов управления и знаний; - представление на экране компьютера информации об объектах управления в виде, адекватном реальному; - обеспечение средств для интерактивного изучения объектов управления в статике и динамике, включая перспективу и ретроспективу; - документирование управляющих воздействий и их результатов.
Производственный процесс строительства скважины, как уже подчерки валось, относится к числу слабо структурированных задач. В настоящее время формализованные описания (модели) существуют лишь для отдельных его элементов, простое суммирование которых не дает целостной картины этого процесса. Поэтому практическая реализация указанной технологии всецело определяется имеющимися возможностями создания математических моделей объектов управления. Выполнение последующих этапов возможно с помощью уже апробированных для этой цели технологий, в частности, CASE-технологии создания и сопровождения информационных систем, DIS-технологии создания распределенных баз данных и распределенного интерактивного моделирова ния и технологии динамической визуализации информации [397].
Необходимым условием решения указанного комплекса вопросов, как показано выше, является системный анализ скважины и процесса ее строительства с последующим объединением формализованных описаний подсистем и элементов в единую логико-математическую модель БТС. Наиболее приемлемым для решения ряда частных задач является метод динамического программирования, позволяющий свести проблему определения оптимальной стратегии управления качеством всей системы к решению ряда более простых задач для отдельных подсистем.
Принятое относительно недавно и уже неоднократно отредактированное «Положение о составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию (Утверждено Постановлением Правительства РФ от 16 февраля 2008 г. № 87) не учитывает специфику строительство скважин. Поэтому на его основе необходимо создать документ, заменяющий РД 39-0148052-537-87. Возможно, эту работу можно выполнить в рамках саморегулирования [80, 81].
В макете рабочего проекта на строительство скважины целесообразно предусмотреть разделы «Заканчивание скважины», «Анализ и оценка технологического риска», «Оценка соответствия».
В частности, необходимость сосредоточения проектных решений-по всему комплексу работ, выполняемых в продуктивном пласте, в разделе «Заканчива-ниескважины» обусловлена потребностями использования системного подхода к заключительному и наиболее ответственному этапу создания-скважины. Подраздел 10 «Испытание скважины» действующего макета рабочего проекта в совокупности с проектными решениями по заканчиванию скважины, излагаемыми в других его подразделах, не дают целостного представления о формировании системы «скважина - продуктивный пласт». Между тем, бурение горизонтальных и многоствольных скважин, количество которых постоянно возрастает, сопровождается, в частности; увеличением продолжительности техногенного воздействия на продуктивный пласт, ухудшением условий сохранения деформационной устойчивости и очистки ствола скважины от бурового шлама, что еще больше усиливает специфику работ, выполняемых в продуктивном пласте. Поэтому результаты системного решения задач заключительной стадии создания скважины должны быть обобщены в отдельном разделе проекта.
На основе раздела «Оценка соответствия» как приложение к договору подряда на строительство скважины, а при необходимости и к субподрядным договорам, должны разрабатываться «Регламент оценки соответствия процесса бурения скважины» и «Регламент оценки соответствия законченной строительством скважины» в объеме, необходимом и достаточном для практической реализации оценки соответствия без обращения к другим документам. «Регламент оценки соответствия процесса бурения скважины» является основным документом для бурового супервайзинга, а «Регламент оценки соответствия законченной строительством скважины» - для приемки скважины заказчиком.
Влияние на органолептические свойства воды
Так, О.Я. Самойлов [377] рассматривает структуру воды как слегка нарушенный тепловым движением льдоподобный каркас с пустотами, частично заполненными мономерными молекулами воды. Поэтому самодиффузия в воде происходит в основном по пустотам ее структуры - молекулы воды в льдопо-добном каркасе все время обмениваются с молекулами в пустотах-каркаса.
Другая разновидность структурно-однородной модели жидкой воды была предложена Л. Полингом. Согласно его представлениям; вода имеет клатрат-ную структуру, т.е. центральная молекула окружена каркасом из молекул, образующих пятиугольные додекаэдры.
По мнению Л.И. Кульчицкого и О.Г. Усьярова [267] единой общепринятой модели-жидкой-воды-нет.-Однако_многие_исследователи склонны полагать, что вода микрогетерогенна, т.е. в ней могут быть либо «айсберги» - островки. льдоподобной структуры, либо преобразованные участки каркаса с внедренными в его пустоты молекулами. На основании рентгенографических данных установлено, что средние размеры упорядоченных областей в структуре воды составляют примерно 3 нм. Наконец, не исключена возможность существования в воде полимерных ассоциатов молекул, непрерывно меняющих свою структуру, что также находится в согласии с теорией двухструктурных моделей. В этом отношении делают вывод Л.И. Кульчицкий и О.Г. Усьяров [267] большой интерес представляет модель жидкой воды, предложенная М. Аджено. Согласно этой модели, молекулы воды образуют с помощью водородных связей кольцевые агрегаты различных конфигураций (димер и кольца из 3-6 молекул). Наиболее близким к структуре льда при этом является шестичленное кольцо. Таким образом, модель воды, по М. Аджено, рассматривается как смесь различных типов кольцевых агрегатов. Равновесное состояние этой смеси определяется термодинамическими условиями системы.
Параллельно с утолщением гидратных слоев вокруг глинистых частиц в системе протекают и другие химические и физико-химические процессы, которые могут препятствовать или способствовать изменению толщины микропор [147, 251, 405, 427]. Многообразие этих процессов не дает возможности представить их в обобщенном виде, поэтому в качестве примера рассмотрим лишь один частный случай.
Большой класс реагентов, используемых для обработки промывочных жидкостей, относится к катионактивным ПАВ, способным создавать на граничных поверхностях гидрофобные экраны, препятствующие проникновению молекул воды. Проникающие вместе с дисперсионной средой промывочной жидкости по макропорам молекулы реагента распределяются на поверхности адсорбционных пленок воды, если он не растворим в воде, или проникают непосредственно к поверхности глинистых частиц, если он растворим. В первом случае молекулы реагента принимают на поверхности пленок жидкости строго ориентированное положение, препятствуя дальнейшей гидратации глинистых минералов. При прекращении поступления в глинистую породу жидкости (прекращение контакта с промывочной жидкостью) будет происходить перераспределение влаги между увлаженной и неувлажненнои зонами породы, например "за счет-сил-поверхностной-гидратации. Этот_пр цес удет сопровождаться повышением концентрации реагента в адсорбционном слое и взаимодействием его непосредственно с поверхностью глинистых минералов. Если реагент растворим, то он имеет возможность проникать непосредственно к поверхности глинистых минералов и адсорбироваться на них, конкурируя с молекулами воды за место на минерале. Этот механизм гидрофобизации справедлив, например, для реагентов, представленных четвертичными аммониевыми основаниями типа [R4N]4". Такие основания, содержащие в радикале 12-20 атомов углерода, легко вступают в реакции ионного обмена с катионами, находящимися на поверхности глинистых частиц. Гидрофильная часть молекулы реагента взаимодействует с поверхностью глинистых частиц, а углеводородные радикалы, направленные от частиц, гидрофобизируют ее поверхность, в результате чего поверхностная энергия глинистых минералов, а, следовательно, и способность адсорбировать воду, уменьшаются. В этом случае процесс утолщения гидрат-ных оболочек может прекратиться раньше, например, при hi hp.
Таким образом, регулирование активности дисперсионной среды за счет минерализации можно рассматривать лишь как один из путей снижения разу 190 прочняющей способности промывочной жидкости. Дифференцированное определение всех влияющих факторов, как было показано ранее, затруднительно, поэтому для практических целей целесообразно использовать интегральные показатели. Проведенные исследования показывают, что процесс разупрочнения глинистых пород в стенках скважины может быть описан, при прочих равных условиях, скоростью набухания, скоростью пропитки и временем взаимодействия. Первый фактор является ответственным за величину снижения прочности единичного контакта, скорость пропитки определяет количество единичных контактов, подверженных разупрочняющему влиянию сторонней жидкости, а время взаимодействия оказывает влияние на абсолютную величину первых двух факторов, то есть выражение (4.11) можно записать в виде:.
С учетом вышеизложенного представляется возможным- конкретизировать функциональную зависимость (4.10). Границы ее применения найдем, исходя из следующих соображений. Если\Л/Нб = 0, то разупрочнение образца происходить не будет при сколь угодно большой скорости пропитки жидкостью, то есть при Wnp - а . Если, же условия пропитки образца отсутствуют, то есть Wnp = 0,-то-при-любой-скорости_.набухания также не произойдет разупрочнение образца. Следовательно:
Для промывочных жидкостей на водной основе в максимально достигае-.мом диапазоне изменения изучаемых параметров (табл. 4.7) методом деформируемого многогранника получены следующие значения эмпирических коэффициентов: b =1,9х109 (ч/см)п+т, п = 0,709, т = 1,543. При этом достигнуто хорошее качество аппроксимации (рис. 4.14). Коэффициент корреляции г при уровне значимости а = 0,05 по Z-преобразованию Фишера находится в следующих доверительных границах: rm(n = 0,953 г = 0,975 гтах = 0,987.
