Балакирев И.А.

Иркутский государственный технический университет, Россия

Бурение нефтяных и газовых скважин в условиях

образования природных газовых гидратов

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 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).

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 до 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.

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.

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

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.

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

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).

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.