География и геология/7. Техника и
технология геологоразведочных работ
PhD Курмангалиева
А.Р., Султанбеков М.Т.
Астраханский
государственный университет
ОРИГИНАЛЬНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ АВАРИЙНЫХ РАЗЛИВОВ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ БУРОВЫХ СКВАЖИН: ТОРПЕДА
«ЮЛА»
Хорошо известно, что
разведка и добыча углеводородов всегда сопряжена с серьезными техническими и
экологическими рисками: ущерб окружающей среде от аварийных разливов зачастую
превышает стоимость бурения скважин и приводит к необратимым последствиям
изменения экосистем как на суше, так и на морском шельфе.
В результате аварии в
Мексиканском заливе на месторождении Макондо в апреле 2010 года в морскую акваторию вылилось примерно 5
миллионов баррелей нефти, пятно на воде заняло площадь 75 тысяч квадратных
километров и загрязнило 1100 миль побережья. Было обнаружено 6814 мертвых
животных: 6104 птицы, 609 морских черепах, 100 дельфинов и других
млекопитающих. Материальный ущерб был оценен в 20
150 000 000 долларов США [8, 15].
Великий русский ученый, основоположник
учения о ноосфере, В.И. Вернадский еще в начале 20-х годов прошлого века следующим образом определил место и роль человека в жизни нашей планеты:
«Человек становится крупнейшей геологической силой. Он сознательно и, чаще
всего, бессознательно, физически и химически меняет лик планеты –
биосферу, воздушную оболочку суши, все
ее природные воды, включая прибрежные моря и части океана. Человек должен
теперь принимать все большие и большие меры к тому, чтобы сохранить для будущих
поколений никому не принадлежащие морские богатства» [4].
Вред, наносимый нефтью и
нефтепродуктами экосистеме моря, намного масштабнее, чем на суше. Летучие
фракции испаряются, тяжелые – оседают на дно или выбрасываются на берег, часть
нефтепродуктов усваивается морскими бактериями. Тончайшая нефтяная пленка на
поверхности препятствует воздухообмену и нарушает процесс фотосинтеза
(производства кислорода), убивает фито- и зоопланктон. Осевшие на дно шельфа
тяжелые фракции, накапливаясь, приводят к стерилизации многих видов морских
животных (в первую очередь – рыб и моллюсков). Накапливающиеся в тканях морских
обитателей нефтепродукты разлагаются, образуя канцерогенные вещества [9].
Причинами техногенных аварий при подводном
бурении являются геологические, связанные с условиями залегания залежи, и инженерно-технические,
связанные с нарушением технологии бурения, отсутствием надежных
противоаварийных механизмов и технических средств.
В.И. Богоявленский считает, что наличие
газогидратов в Мексиканском заливе значительно осложнило работы по ликвидации
катастрофы на глубоководном (1522 м) месторождении Макондо. По похожему
сценарию развивалась авария на газоконденсатном месторождении Элджин в
английском секторе Северного моря, произошедшая 25 марта 2012 г., но благополучно
ликвидированная в мае 2012 года [2].
Наличие зон аномально высоких пластовых
давлений (АВПД) многократно приводило к серьезным аварийным и катастрофическим
ситуациям в различных регионах мира на море и суше (Дос Куадрас в Калифорнии, Германская
бухта и Экофиск Браво В-14 – в Северном море, Макондо – в Мексиканском заливе);
на территории бывшего СССР (Лунинская-1
– в Баренцевом море, скважины Тазовская-1 и Тазовская-52, Пурпейская-101,
Бованенковская-67, Кумжинская-9, Тенгиз-37 и др.). Из-за возможности
возникновения аварийных ситуаций под действием АВПД были снижены объемы бурения
на высокоперспективные триасовые и более глубокие отложения в Баренцевом море. Отсюда
следует, что разработка месторождений на морском шельфе требует применения новейших
технологий, не уменьшающих, а практически исключающих риск возникновения аварий
[2].
Когда компания British Petroleum не сумела найти
решения проблемы самоизлива нефти из аварийной глубоководной скважины в
Мексиканском заливе, она обратилась к интеллектуальному мировому сообществу с
призывом помочь в изобретении технических средств устранения данной ситуации. Представленный
в BP поток изобретений можно разделить на две категории – устьевые
гидравлические и электрогидравлические устройства, работающие на сброс давления
и перекрытие устьевых трубопроводов (превенторы), и внутрискважинные
устройства, работающие как заглушки (пакеры).
Существенным недостатком
систем с подводным расположением устья буровых скважин является трудность
доступа к устьевому оборудованию, особенно на больших глубинах. Для управления
устьевым оборудованием и манифольдными камерами применяются гидравлические и
электрогидравлические системы. Управление каждой задвижкой производится либо по
отдельным линиям, идущим с обслуживающего судна, либо через единый
распределительный блок. Устьевое оборудование предварительно опрессовывают при
давлении, превышающем максимально возможное рабочее, затем в собранном
(готовом) виде спускают с судна на тросах. Монтаж осуществляют водолазы или
роботы [13].
К группе современного устьевого
мобильного оборудования относится сорокатонное устройство OSPRAG, созданное усилиями компаний Oil Spill Response Ltd,
Cameron Ltd, по заказу ассоциации Oil & Gas UK совместно с BP, представленное на Европейской нефтегазовой конференции и
выставке офшорных технологий (SPE Offshore Europe)
сентябре 2011 г., используется в
разработке месторождений на Северном море. Диапазон ее применения – на глубинах
от 100 до 3048 м, давлении до 1047 атм и температуре до 121 оС [16].
Другая категория
технических запорных устройств представлена стальными механизмами капсульного
типа, помещаемыми в ствол скважины, в теле которых находится ряд
раскрывающихся под действием потока
восходящей жидкости лопастей или дисков-поршней, выполняющих роль задвижки-клапана
для перекрытия изливающегося нефтепродукта (SU №1458560 A1, SU
№1493769 A1, заглушка «Шишка», торпеда «Юла» и др.). Устройства могут
применяться как при ликвидации аварий, так и при консервации, перфорации и
герметизации скважин на морских промыслах. Один из авторов данной статьи,
горный инженер-гидрогеолог М.Т. Султанбеков запатентовал в 2011 г. собственное
оригинальное изобретение – заглушку для нефтегазовых скважин торпеда «Юла» [11].
Название
было выбрано согласно принципу работы устройства: давление на торпеду сверху происходит за счет силы тяжести самой
торпеды, а давление на механизм снизу – за счет встречного движения потока нефтепродукта на
лопасти винта.
Торпеда
«Юла» (рис. 1) состоит из корпуса конической
формы (1), внутри которого расположен
осевой вал (2) с установленным в
нижней части винтом (3), в верхней
части примыкающий к редуктору (4),
многократно увеличивающему силу вращения винта при помощи передачи энергии
через звенья больших и малых шестеренок. Выходной вал редуктора соединен с
распорно-запорным механизмом (5) и
размещенными в нем выдвижными в радиальном направлении распорными элементами (6).
Устройство
работает следующим образом. С помощью троса (7) торпеду устанавливают над
устьем аварийной скважины (8), поток нефти или газа рассекается торпедой
благодаря ее конической форме. Затем снимается временный стопор, установленный на лопасти винта для
предотвращения его преждевременного вращения, и торпеда опускается в скважину.
Освобожденный винт начинает вращаться за счет силы тяжести торпеды и встречного
движения нефти, передавая быстрый, но слабый по силе крутящий момент через вал
редуктору. Редуктор через выходной вал передает уже увеличенный по силе
крутящий момент распорно-запорному механизму, распорные элементы которого,
выйдя за границы корпуса, войдут в непосредственное соприкосновение со стенкой
скважины, полностью закупорив ее. Чем дольше вращается винт, тем сильнее
распорные элементы вдавливаются в стенки скважины и герметичнее становится
перекрытие обсадной колонны.
Рис. 1.
Принципиальная конструктивная схема торпеды «Юла»
Техническим
результатом является увеличение эффективности перекрытия скважин при аварии на
морских промыслах, сокращение сроков работ по ликвидации аварийных разливов и
увеличение сроков сохранности перекрытой скважины.
Принцип
действия предлагаемого механизма базируется на кавитации и фазовом равновесии
углеводородных систем.
Кавитацией называется явление образования
в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (кавитационные
пузырьки или каверны). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где
давление в жидкости становится ниже критического значения Рcr (в реальной жидкости Рcr
приближенно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной
температуре). При температуре жидкости, близкой к точке кипения, доминирующий
вклад в образование пузырьков вносит испарение [10].
Кавитатор
представляет собой металлическую трубку с каналом переменного сечения. Проходя через нее, поток флюида испытывает растяжение,
рвется, в нем образуются полости, которые тотчас схлопываются со все
возрастающей скоростью. Эффект похож на кумулятивный снаряд. За счет кавитации
разрушаются гидротурбины, винты судов, водостоки плотин, самые твердые вещества
[7].
Еще в 1917 г. английский физик Дж. Рэлэй, описавший
первую математическую модель схлопывания сферической полости – каверны, обратил
внимание на то, что она может приводить к образованию огромных скоростей и
давлений. Простая подстановка чисел в формулу Рэлэя показывает, что при
уменьшении размеров полости от 0,1 до 0,000001 мм относительная скорость
надвигающихся друг на друга стенок каверны близка к скорости света. В этот
момент каверна становится объектом квантовой механики и рассчитывается согласно
теории относительности [10].
Изменение фазового состояния углеводородных систем при
движении из пласта-коллектора до устья скважины является причиной возникновения
кавитации.
Важной характеристикой
нефти в пластовых условиях является газосодержание. По закону Генри
растворимость газа в жидкости при данной температуре прямо пропорциональна
давлению. Давление, при котором газ находится в термодинамическом равновесии с
нефтью, называется давлением
насыщения. Если давление ниже давления насыщения, из нефти начинает
выделяться растворенный в ней газ. Нефти и пластовые воды с давлением
насыщения, равным пластовому, называются насыщенными [14].
В процессе
разработки месторождений в пластах непрерывно изменяются давление, температура,
количественное соотношение нефти и газа. Это сопровождается изменением
фазового равновесия: состава газовой и жидкой фаз и переходом различных
углеводородов из одной фазы в другую. Особенно быстро такие превращения
происходят при движении нефти по стволу скважины от забоя к устью [3].
Для каждого газа
существует определенная предельная температура, выше которой ни при каком
давлении газ нельзя перевести в жидкое состояние. Она называется критической температурой. Давление,
соответствующее критической температуре, называется критическим давлением. Критическое
давление – это предельное давление, при котором газ не переходит в жидкое
состояние, как бы ни понижалась температура. Например, критическое давление для
метана – 4,49 МПа, критическая
температура – минус 82,10С; для этана параметры составляют
32,30С и 4,89 МПа, для бутана – 426,2 0С и 3,75 МПа, для
сероводорода – 373,6 0С и 8,89 МПа, для азота – 126,3 0С
и 3,35 МПа соответственно [12].
В смеси
углеводородов каждый компонент имеет собственные значения упругости насыщенных
паров, поэтому процессы конденсации и испарения будут проходить не при
конкретных значениях давления и температуры, а в определенном диапазоне их значений.
Границы диапазона будут тем больше, чем больше разница между критическими
значениями давления и температуры индивидуальных компонентов, входящих в
систему [15].
Многие месторождения
углеводородов, в том числе и на морском шельфе, имеют в своем разрезе зоны АВПД,
где углеводороды залегают в условиях пластовых давлений, в 1,5–2 раза превышающих
нормальное гидростатическое (до 100 МПа), и температур гораздо выше 100 0С,
при этом фазовое состояние пластового флюида можно назвать надкритическим [6].
При движении
углеводородов по стволу скважины стремительно изменяется фазовое состояние
смеси. При попадании в область конического наконечника стальной капсулы торпеды
«Юла», выполняющего роль кавитатора, происходит мгновенное высвобождение
энергии, приводящее к образованию первоначального крутящего момента,
запускающего осевой вал и дальнейшее действие механизма устройства. В качестве
побочного эффекта возможен сильный нагрев и скачок давления внутри устройства,
что необходимо учесть при подборе материала и расчетах прочностных
характеристик корпуса и деталей торпеды «Юла». Расчетным способом определяют оптимальные размеры и вес запорного
устройства для успешного его погружения в ствол скважины. Чем больше глубина
подводной выработки, тем это будет сделать легче.
Изучение явления кавитации
применительно к динамике фазового состояния углеводородных систем позволило предложить оригинальное и весьма
эффективное по простоте и энергоемкости запорное устройство по пломбированию
ствола скважин нефтяного бурения, особенно при разработке месторождений на
морском шельфе. Авторы настоящей работы убеждены в заинтересованности со
стороны прогрессивного инженерного сообщества и необходимости продолжения
работы над созданием опытного образца торпеды «Юла», его испытании и внедрении.
Литература:
1.
Басниев К.С.
Добыча и транспорт газа и газового конденсата: учебное пособие для техникумов.
М.: Недра, 1985. 246 с.
2.
Богоявленский В.И. Перспективы и проблемы освоения месторождений нефти и газа шельфа
Арктики // Бурение и нефть. №11. 2012. С. 4–9.
3.
Брусиловский А.Е. Теоретические
основы фазовых превращений углеводородных смесей: Учебное пособие. М., 2010. 132 с.
4.
Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 2001.
376 с.
5.
Дмитриев А.Ю.
Основы технологии бурения скважин: Учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2008.
216 с.
6. Корценштейн
Н.М., Самуйлов Е.В. Комплексный подход к моделированию
кинетики фазового перехода пар – жидкость в многокомпонентных реагирующих
системах // Труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену:
в 8 томах. Т. 3. Свободная конвекция. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. С.
250–253.
7.
Крамченков Е.М., Урбанович Л.И., Губарев В.Я.,
Стерлигов В.А., Ермаков О.Н.
Начальная фаза объемной кавитации // Труды Четвертой Российской национальной
конференции по теплообмену: в 8 томах. Т. 4. Кипение, кризисы кипения,
закризисный теплообмен. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. С.151–154.
8.
Новый отчет по аварии в
Мексиканском заливе подтвердил вину ВР. 15.09.2011 // http://planeta.moy.su/blog /
9.
Одум Ю. Основы экологии. М.: Изд-во Мир. 740 с.
10. Пирсол
И. Кавитация. М.: Мир, 1975. 95 с.
11. Султанбеков М.Т. Инновационный патент KZ №24904 A4 на изобретение
«Устройство для заглушки нефтяных скважин торпеда «Юла» от 06.10.2011 г.
12. Таблицы
физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.:Атомиздат,
1976. 1008 с.
13. Технология и
техника добычи нефти: Учебник для вузов /А.Х. Мирзаджанзаде, И.М. Ахметов, А.М.
Хасаев, В.И. Гусев. М.: Недра, 1986. 382 с.
14. Хант Дж. Геохимия и геология нефти и газа. М.: Мир, 1982. 706 с.
15. BP Deepwater Horizon Accident Investigation
Report // http://www.youtube.com
16.
The OSPRAG well capping device // http://www.youtube.com