БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ

Балакирев И.А., студент 2-го курса, Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск

Газовые гидраты (также гидраты природных газов или клатраты) — кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Название «клатраты», было дано Пауэллом в 1948 году.

Гидраты газа – это льдоподобные соединения, в которых кристаллическая решетка воды, характерная для льда, расширена и содержит полости, заполненные молекулами газов.

Зона стабильности газовых гидратов – часть литосферы и гидросферы Земли, термобарический и геохимический режим которой соответствует условиям устойчивого существования гидратов газа определенного состава.

Гидраты газа относятся к соединениям переменного состава. Внешне они напоминают снег или рыхлый лед (Рис.1). Они устойчивы при низких температурах и повышенном давлении; при нарушении указанных условий газогидраты легко распадаются на воду и газ. Самым распространенным природным газом-гидратообразователем является метан. Содержание метана в гидратах очень высоко: из одного кубометра (в стандартных условиях) можно получить более 160 куб. м метана.

Рис.1. Газовый гидрат метана.

Различают техногенные и природные газовые гидраты. Техногенные гидраты могут образовываться в системах добычи природного газа (в призабойной зоне, в стволах скважин и т.д.) и при его транспортировке. Природные гидраты встречаются в местах, сочетающих низкие температуры и высокое давление, таких как глубоководье (придонные области глубоких озер, морей и океанов) и зона вечной мерзлоты (арктический регион).

Начало исследований газовых гидратов восходит к 1800-м годам, когда ученые впервые получили газогидраты в лабораторных условиях. В последующие долгие десятилетия лабораторные эксперименты продолжались, но никто не ожидал, что газогидраты могут формироваться в естественной среде. Наконец, в 1960-х годах началась разработка Мессояхского месторождения в Западной Сибири, которая позволила открыть природные газовые гидраты. В 1970-х годах они были обнаружены в образцах из скважины на Северном склоне Аляски и на дне Черного моря. Результаты исследований 1980-х годов привели к тому, что газовые гидраты стали рассматриваться как новый и потенциально обширный источник метана. И с 1990-х годов в мире проходят целенаправленные и широкомасштабные программы по обнаружению и разработке газовых гидратов.

Россия обладает собственными месторождениями газогидратов. Их наличие подтверждено на дне озера Байкал (Рис.2), Черного, Каспийского и Охотского морей, а также на Ямбургском, Бованенковском, Уренгойском, Мессояхском месторождениях. Разработка газогидратов на этих месторождениях не велась, а их наличие рассматривалось как фактор, усложняющий разработку природного газа. Также высказываются предположения, подтверждаемые теоретической аргументацией, о наличии большого числа месторождений газогидратов на всей площади арктического шельфа России.

Рис.2. Исследования газовых гидратов природных газов в о.Байкал.

Газогидраты являются огромной проблемой при бурении нефтяных и газовых скважин и часто осложняют транспортировку нефтепродуктов по магистральным трубопроводам, образуя газогидратные пробки, гидраты резко уменьшают их пропускную способность. Также газогидраты способствуют ухудшению свойств бурового раствора вследствие его обезвоживания.

Образование гидратов в призабойной зоне вызывает падение дебита скважины на 18–19%. Наиболее благоприятные условия для образования газовых гидратов создаются при неконтролируемом выбросе пластовой воды, поступающей в газотранспортную систему с газом со скважин месторождения.

Для борьбы с образованием гидратов на газовых промыслах вводят в скважины и трубопроводы различные ингибиторы (метиловый спирт, гликоли, 30%-ный раствор CaCl₂), а также поддерживают температуру потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляцией трубопроводов и подбором режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах наиболее эффективна газоосушка — очистка газа от паров воды.

Также в нефтегазовой промышленности существуют и широко используются несколько основных способов для предупреждения гидратообразования, такие как:

• способ, заключающийся в периодическом закачивании в межтрубное пространство скважины обезвоженной нефти.

• способ предупреждения гидратообразования в нефтяных эксплуатируемых скважинах путем закачки в межтрубное пространство обезвоженной нефти с последующей подачей раствора ингибитора гидратообразования.

• способ предотвращения образования гидратных и гидратоуглеводородных отложений в скважине, предусматривающий периодическое нагнетание в скважину ингибиторов гидрато- и парафинообразования, в частности метанола и моноэтилгликоля.

• способ, который заключается в перекрывании зоны с высокой вероятностью образования и скопления газогидратов техническими колоннами с последующим цементажом.

На сегодняшний день существует другой, принципиально новый способ, который находится в разработке и является наиболее перспективным в наше время. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что непосредственно при течении в скважине добываемого флюида на критические зоны, т.е. на потенциальные зоны образования гидратных, газогидратных и гидратоуглеводородных отложений, оказывают акустическое воздействие ультразвуковой волной частотой 15-100 кГц и интенсивностью 0,2-5 Вт/см2 посредством акустических излучателей, конструктивно встроенных в трубах НКТ (насосно-компрессорные трубы) или расположенных в трубном пространстве НКТ в местах возможного максимального образования отложений в скважинах. При этом указанное воздействие осуществляют при фиксировании предельно допустимых отклонений устьевого давления и дебита и до достижения ими рабочих значений.

Выбор диапазонов частоты и интенсивности акустического воздействия обусловлен составом добываемого флюида, его потенциальным количеством, а также гидродинамическими условиями течения флюида в скважине. Способ осуществляют следующим образом. Предварительно выделяют в разрезе скважине на основе термобарических расчетов, оценки устьевого давления и температуры и их распределения по длине скважины, с учетом температуры и залегания вечномерзлых пород, а также дебита участки в трубном и затрубном пространствах, в которых возможно образование гидратных, газогидратных и гидратоуглеводородных отложений. Затем в области выделенных зон размещают акустические излучатели, которые конструктивно встраивают в НКТ или в затрубное пространство.

Акустическое воздействие осуществляют периодически путем управления работой излучателей, то есть включения и отключения их в зависимости от текущих регистрируемых значений устьевого давления и дебита. Достижение текущих значений давления и дебита до рабочих свидетельствует о нормальном режиме эксплуатации скважины, а отклонение текущих значений устьевого давления и дебита от рабочих - о наличии предельно допустимой величины отложений.

С момента начала работы по акустическому воздействию на гидратные, газогидратные и гидратоуглеводородные отложения и до их завершения ведется постоянный замер давления на устье скважины и дебита скважины, а также при технической возможности ведется оценка количества минеральной примеси в ловушке скважинного трубопровода. Для оценки характера и степени воздействия акустического поля на гидратные и гидратоуглеводородные отложения после завершения каждого этапа работ в скважине проводится промысловый комплекс геофизических исследований (ГИС) и газодинамические исследования для введения коррекций на работу акустических излучателей. Шаг размещения излучателей по глубине зависит от протяженности отложений и их характеристики, в том числе условий залегания.

Несмотря на то, что на сегодняшний день существуют немалое количество способов по борьбе и предотвращению образования газовых гидратов, это явление является большой проблемой для нефтегазовой промышленности,

требуя внедрения новых технологий для борьбы с этим неблагоприятным явлением. Образование газогидратных отложений в скважине при бурении относится к осложнениям и требует немало сил для предотвращения.

Рис.3. а – строение молекулы газогидрата; б – текстурообразующие газогидраты; в – газогидрат целиком; г – горение газогидрата

Сейчас природные газовые гидраты (Рис.3) приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также участник изменений климата.

Цель современных исследований по проблеме геологии газовых гидратов определить, являются ли природные газовые гидраты потенциальным полезным ископаемым, то есть выяснить:

• где именно и насколько широко они распространены; как происходит их образование;

• что представляют собой скопления газовых гидратов;

• сколько газа может быть сосредоточено в отдельных скоплениях и в газовых гидратах на Земле в целом;

• какова скорость возобновляемости ресурсов газа в скоплениях газовых гидратов

Существующие технологии обнаружения газогидратных месторождений опираются на использование свойств гидратов и гидратонасыщенных пород (таких как высокая акустическая проводимость, высокое электросопротивление, пониженная плотность, низкая теплопроводимость, низкая проницаемость для газа и воды).

Основные современные методы обнаружения газогидратов:

• сейсмическое зондирование

• геофизические измерения

• комплексный анализ нефтегазовой системы

• электромагнитная разведка

К настоящему времени в мире открыто уже более 220 месторождений газогидратов. В 2013 году Япония первой в мире провела успешную экспериментальную добычу метана из газогидратов на море. Это достижение заставляет пристальнее приглядеться к перспективам разработки газогидратов. Предварительные оценки запасов газогидратов в мире свидетельствуют о том, что они на порядок превышают запасы природного газа. Но, во-первых, они носят весьма приблизительный характер; во-вторых, лишь небольшая часть из них может быть добыта при текущем уровне развития технологий. И даже эта часть потребует огромных издержек и может быть связана с непредвиденными экологическими рисками. Тем не менее ряд стран, таких как США, Канада и страны азиатского региона, которые отличаются высокими ценами на природный газ и растущим спросом на него, проявляют большую заинтересованность в развитии разработки газогидратов и продолжают активно исследовать данное направление. Эксперты отмечают высокую неопределенность в отношении будущего газогидратов и считают, что их промышленная разработка начнется не ранее чем через 10-20 лет, но упускать из виду этот ресурс нельзя.