CC BY
46Пожарная и промышленная безопасность в нефтегазовой отрасли_
УДК 622.279.51/.7(571.1) АНАЛИЗ СПОСОБОВ ЛИКВИДАЦИИ ГОРЯЩИХ ГАЗОВЫХ ФОНТАНОВ НА СКВАЖИНАХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
ANALYSIS OF METHODS FOR ELIMINATION OF BURNING GAS BLOWOUTS IN
WELLS OF WEST SIBERIA
С. А. Бараковских, Л. У. Чабаев, Р. А. Бакеев, О. В. Сизов, В. А. Долгушин, Р. О. Денисов
S. А. Barakovskih, L. U. Chabaev, R. A. Bakeev, O. V. Sizov, V. A. Dolgushin, R. O. Denisov
Уральский институт ГПС МЧС России, г. Екатеринбург
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень,
Тюменский научно-технический центр экспертизы промышленной безопасности, г. Тюмень
Ключевые слова: скважина; фонтан; пожар; ликвидация; Западная Сибирь Key words: well; blowout; fire; elimination; West Siberia
На месторождениях Западной Сибири эксплуатируется более 12 000 нефтяных и газовых скважин. Зачастую на этих скважинах случаются аварии, газопроявления и открытые газовые фонтаны.
Первый газовый фонтан в Западной Сибири произошел в 1953 году на поисковой скв. 1 Березовской площади [1].
Скважина, забуренная в октябре 1952 года на окраине пос. Березово, на глубине 1 318 м вскрыла кору выветривания, а в интервале 1 324-1 344 м — породы кристаллического фундамента палеозойского возраста.
21 сентября 1953 года при подъеме бурильного инструмента возник открытый газоводяной фонтан с дебитом газа более 1 млн м3 и воды до 3 тыс. м3 в сутки. Из-за отдаленности буровой и отсутствия опыта ликвидации таких аварий фонтан заглушили только в середине следующего года. Это был первый фонтан, открывший газ в Западной Сибири и положивший начало открытию Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции.
Особенностью этого открытого фонтана было то, что он не загорелся. Это объясняется тем, что скважина фонтанировала газожидкостной смесью высотой струи 55-60 м, при этом местность вокруг скважины на расстоянии более 1 км заливалась соленой водой.
В зимних условиях из-за фонтанирующей вместе с газом воды скважина заледенела и превратилась в огромную ледяную пирамиду.
Для ликвидации фонтана был приготовлен большой объем (400-500 м3) глинистого раствора, и проведены работы по удалению вышки (удалить вышку, освободив ее ото льда методом разжигания костров и скалывания льда ломами, удалось только спустя 2 месяца). Через сутки скважину заглушили. Весь приготовленный глинистый раствор ушел в пласт без остатка. Фонтан был ликвидирован.
Открытые нефтяные и газовые фонтаны являются наиболее сложными авариями в нефтегазовой промышленности. Нередко они принимают размеры стихийных бедствий, существенно осложняют деятельность буровых и нефтегазодобывающих компаний, требуют привлечения большого количества техники, человеческих и материальных ресурсов, приводят к истощению недр и наносят невосполнимый ущерб окружающей природной среде.
Если обратиться к мировой статистике убытков за 1995-2008 годы вследствие потери контроля над скважиной, то среднегодовые убытки составляют порядка 324 млн долларов. Данная статистика охватывает только убытки в размере более 1 млн долла-
ров. Верхнего предела для одного убытка не существует, печально зарегистрированный рекорд составляет более 1 млрд долларов.
Необходимо отметить, что статистическое изучение выбросов затруднено в связи с ограниченным объемом исходных статистических материалов. До настоящего времени по данным E&P Forum [2] в мире зарегистрировано и относительно полно задокументировано не более 500 выбросов из скважин на море и около 600 выбросов на суше, причем удовлетворительный по составу и качеству объем данных имеется не более чем для 50 % событий.
В большинстве стран, мировых экспортеров нефти, существуют организации (институты, фонды), которые занимаются сбором статистических данных по выбросам. Несмотря на то, что данные различны в зависимости от месторасположения скважин, количество выбросов на газовых скважинах составляет 55-77 % от общего количества зафиксированных выбросов, на нефтяные скважины приходится около 10 %, остальное — на скважины, содержащие нефть и газ. Вероятность наступления выброса на газовых скважинах в 6-7 раз выше, чем на нефтяных.
Последствия выбросов из скважин определяются характером, интенсивностью и продолжительностью истечения из аварийной скважины, что, в свою очередь, определяется интенсивностью притока пластового флюида из залежи и путем его выноса к поверхности (через затрубное или заколонное пространство, обсадные или буровые трубы, устьевую или верхнюю запорную арматуру и т. п.). В табл. 1 и 2 приведены данные по продолжительности и объемам зафиксированных выбросов.
Таблица 1
Распределение продолжительности выбросов из скважин
Продолжительность Доля от общего числа выбросов, %
менее 10 мин 10,9
от 10 до 40 мин 6,9
от 40 мин до 2 ч 6,9
от 2 до 12 ч 13,9
от 12 ч до 5 сут 42,6
более 5 сут 18,8
Продолжительность выбросов менее 2 ч. возможно объединить, так как данная градация не принципиальна, и данные выбросы можно отнести к газонефтеводопроявле-ниям (ГНВП).
Таблица 2
Распределение объемов выбросов из скважин
Объем выброса, тыс. баррелей Доля от общего числа выбросов, %
0,1-1,0 10,9
1,0-10,0 13,8
10,0-50,0 13,9
50,0-100,0 14,2
100,0-500,0 28,4
свыше 500,0 18,8
В табл. 3 указаны категории опасности газоводонефтяных фонтанов.
Таблица 3
Категории опасности открытых фонтанов
Объем розлива, баррель Категория опасности
до 1000 IV
до 10 000 III
до 50 000 II
более 50 000 I
Газоводонефтяные фонтаны, относящиеся к авариям 1 категории, обязательно регистрируются в Ростехнадзоре.
По данным Западно-Сибирской противофонтанной военизированной части (ЗСПВЧ), в 2008 году было ликвидировано более 10 открытых фонтанов (3 из них с возгоранием). Всего на счету ЗСПВЧ за последние пять лет около 50 ликвидированных аварий. Непревзойденным мастером ликвидации горящих газовых фонтанов считается Н. И. Григорьев, воспитавший не одного специалиста «противофонтанщика».
По информации Ямальской военизированной противофонтанной части (ЯВПЧ), в Тюменской области за 20 лет (1971-2003 гг.) произошло более 164 нефтегазопроявле-ний различной сложности. Только на территории Пуровского района ЯВПЧ за время своей деятельности успешно локализовала 37 открытых фонтанных выбросов [3].
За все время своего существования Ноябрьский военизированный отряд (с 1981 г.) ликвидировал более 100 фонтанов.
По данным противофонтанных военизированных частей, в среднем в Тюменской области происходит 8-10 фонтанов в год (без учета фонтанов на скважинах, которые не имеют балансосодержателя или брошены).
В 2007 г. наибольшее число аварий произошло на нефтегазовых скважинах и сопровождалось возникновением открытых газоводонефтяных фонтанов и выбросов — 9 аварий, из них на нефтяных месторождениях Западной Сибири — 8.
За последние 10 лет, по данным Тюменского управления Ростехнадзора, на территории всей Тюменской области на заброшенных скважинах было зафиксировано 58 открытых фонтанов, из которых 44 сопровождались пожарами. Цена ликвидации такой скважины в зависимости от сложности, глубины и удаленности от населенных пунктов колеблется от 1 до 50 млн рублей. Если фонтан неуправляем и горит, то цена полной ликвидации колеблется от 30 до 100 млн рублей. Эти данные приведены для тех районов, где хорошо развита инфраструктура. В районах Крайнего Севера, где доставка оборудования, техники, материалов и специалистов возможна только авиацией, затраты увеличиваются кратно. Стоимость работ специализированного противофонтанного отряда в сутки по России составляет 450-850 тыс. рублей.
Высокий уровень аварийности на скважинах определяется систематическими нарушениями технико-технологического процесса строительства, эксплуатации и ремонта скважин, низким качеством проектов строительства скважин и неудовлетворительной подготовкой персонала к действиям в аварийной ситуации. Нужно отметить также, что в 90-е годы прошлого столетия в связи со спадом объемов бурения и добычи в нефтегазовой промышленности было «потеряно» много специалистов. Они были вынуждены искать себе применения в других областях из-за сокращения финансирования и соответственно объемов бурения и добычи. Даже годовой перерыв в трудовой деятельности по специальности в бурении приводит к снижению навыков и квалификации.
Наиболее распространенная причина аварий, связанных с потерей контроля на скважинах, связана с «человеческим фактором», то есть ошибками персонала или сознательным нарушением технологий и инструкций. Так, например, 1 февраля 2002 г. в ОАО «Варьёганнефть» (Тюменская область) при производстве буровых работ на скв. 5 360 Варьёганского месторождения из-за нарушения технологии производства работ (на устье скважины отсутствовало противовыбросное оборудование) произошел выброс газовой смеси.
На долю ошибок в результате проектирования, в том числе и вскрытие зон аномально высоких пластовых давлений (АВПД), не предусмотренных проектом на строительство скважины, приходится только 20 % от общего числа аварий [4].
Аварийное фонтанирование до воспламенения может продолжаться несколько суток, в результате вблизи фонтана образуется зона загазованности на несколько километров и растекания нефти на сотни метров. Через 15-30 мин. после воспламенения фонтана металлоконструкции в зоне пламени теряют несущую способность, деформируются и загромождают устья. С течением времени от воздействия пламени, воды, нефти или газа может происходить ослабление крепления устьевого оборудования, повреждение скважины может привести к изменению вида фонтанирования, состава струи или дебита.
В целом особенности обстановки характеризуются следующими параметрами: большой скоростью распространения горения в объеме фонтанирующей струи, значи-
тельной скоростью стабилизации теплофизической струи, значительной скоростью стабилизации теплофизических параметров; возможностью распространения пожара в пределах зоны загазованности и розлива нефти, а также возможностью изменения во времени характера фонтанирования, состава, вида, струи и дебита; образованием группового фонтанирования на кустах скважин.
Наиболее эффективными средствами тушения фонтанов являются вода, газоводяные смеси, газообразные продукты заряда и огнетушащие порошки. Процесс тушения фонтанов состоит из трех основных этапов.
• Первый этап — подготовка к тушению, включает в себя охлаждение оборудования и техники, находящихся в зоне пожара, а также орошение факела фонтана.
• Второй этап — тушение фонтана с одновременным продолжением операций, предусмотренных первым этапом.
• Третий этап — охлаждение устья скважины и орошение фонтана после тушения.
Основными способами тушения фонтанов могут быть закачка воды в скважину через устьевое оборудование; тушение струями автомобилей газоводяного тушения, водяными струями из лафетных стволов, взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ); огнетушащими порошками, а также комбинированным способом [5, 6].
В патенте [7] предложен способ ликвидации открытых фонтанов на нефтегазовых скважинах, который включает отвод флюида, перекрытие фонтана, его задавливание и воздействие на пламя путем орошения охлаждающей жидкостью (ОЖ), например водой. При этом ОЖ струями направляют на устье скважины и орошают его в течение 10-20 мин. После этого струи ОЖ направляют на границу раздела потока газа и горящего пламени и постепенно перемещают их в вертикальном направлении вверх, отрывая пламя от устья и поднимая его с фиксацией высотных отметок через каждые 0,5 м до высоты, при которой происходит повторное воспламенение (ПВ) потока газа на устье. Затем увеличивают расход ОЖ на 0,02 м3/с и повторяют отрыв пламени от устья до высоты, при которой происходит ПВ потока газа на устье. Эти операции повторяют несколько раз, добиваясь стабилизации по высоте ПВ потока газа на устье. Далее струи ОЖ опускают до высоты, равной 2/3 максимальной высоты ПВ потока газа, а одну струю направляют на устье скважины. После этого в освободившейся от тепловой радиации приустьевой зоне размещают натаскиватель и с его помощью на устье скважины наводят противовыбросовое оборудование с отводным патрубком, которое закрепляют на устье. При этом газовый поток направляют через отводной патрубок на безопасную высоту, где вновь происходит его воспламенение. После этого прекращают подачу ОЖ и производят глушение скважины.
В патенте [8] предлагается первоначально производить работы по очистке от металлоконструкций территории вокруг устья фонтанирующей скважины в зоне теплового воздействия факела. При этом вначале струей воды орошают канатную оснастку крана, на которой подвешена траверса, подвеску заменяемого устьевого оборудования в сборе с отводным патрубком на траверсе, стропы крепления траверсы к раме крана. Вводят заменяемое устьевое оборудование в сборе с отводным патрубком в пламя фонтана. В процессе полного его натаскивания на колонный фланец производят орошение канатных петель на устье скважины, пропущенных через отверстия под шпильки в колонном фланце и нижнем фланце натаскиваемого заменяемого устьевого оборудования в сборе с отводным патрубком. После полного натаскивания оборудования и перемещения пламени через отводной патрубок на безопасную высоту прекращают орошение канатных петель на устье скважины и строп крепления траверсы к раме крана. Орошение канатной оснастки крана для подвески траверсы, строп подвески заменяемого устьевого оборудования на траверсе продолжают до отсоединения траверсы от наведенного устьевого оборудования и отвода крана. Производят глушение скважины.
Также в патенте [9] предлагается способ тушения пожаров нефтяных и нефтегазовых фонтанов, включающий размещение над факелом элемента, ограничивающего приток воздуха. Элемент, ограничивающий приток воздуха, подтягивают по земле с помощью тяговых механизмов и размещают над горящим фонтаном.
И. Н. Георгиев предлагает способ ликвидации пожаров фонтанов на нефтегазовых скважинах и устройство для его осуществления. Над горящим фонтаном вертолетом
опускают устройство. У него на треугольной раме располагается емкость, соединенная патрубком с овершотом. Он находится внизу. Для безопасности обслуживания вокруг него имеется сжимающийся кожух, имеющий в нижней части воронку. В ней размещается кольцо-емкость, наполненное жидким азотом с предохранительными пробками, которые при определенной температуре плавятся и тушат пожар. Одновременно в трубу скважины задавливают овершот при помощи лебедок, соединенных с рамой канатами и емкостью, которую наполняет жидкость давлением фонтана. Овершот запрессовывают до определенного места под установку фонтанной арматуры, и скважина начинает фонтанировать [10].
Еще один из способов тушения пожаров на горящих нефтегазовых скважинах предлагается в патенте [11]. Изобретение основано на использовании взрывной волны, позволяющей сбить пламя с фонтана нефти, и создании вокруг скважины или группы скважин пространства с весьма низкой температурой. К устью скважины подкатывают сферические оболочки, в которых содержатся взрывчатка или охладитель, например жидкий азот. Для подкатывания оболочек со взрывчаткой или охладителем к устью скважин с наружной стороны используется механизм в виде стержня с вилкой, имеющей дугообразные зубчатые элементы с выступами, входящие в пазы, предусмотренные в оболочках. После размещения оболочек равномерно вокруг скважины отсоединяют вилку от стержня за счет взрывного патрона, расположенного в месте их соединения. Затем взрывают вещество, находящееся в оболочке, и полученная при этом волна сбивает пламя с фонтана.
В патенте [12] предлагается система пожаротушения и восстановления газовых и нефтяных скважин. Она содержит подробную последовательность операций, которые выполняются посредством специального транспортного средства, согласно следующим этапам: размещение экранов, охлаждение окружающей территории, очистка и защита окружающей территории, установка взрывчатых веществ и их детонация, пожаротушение и восстановление скважины.
В. В. Ермилов и В. И. Ермилов предлагают комбинированное приспособление для тушения пожара на нефтяных скважинах, которое включает в себя коническую насадку, снабженную фланцем, для соединения с цилиндром во время работы приспособления и для соединения с магистральным трубопроводом после завершения работ по пожаротушению. Коническая насадка выполнена с продольными окнами на боковой поверхности и центральным проходным каналом, выполненным с возможностью перекрытия его сечения вентилем, грузами для удержания приспособления на устье скважины через промежуточный цилиндр и тремя трубопроводами, выполненными с возможностью перекрытия их сечений, как для подачи жидкого азота, так и для удаления нефти из зоны пожара [13].
Наиболее полно методы ликвидации горящих фонтанов на месторождениях Западной Сибири отражены А. В. Кустышевым в работе [14] и его курсе «Осложнения, аварии и фонтаноопасность при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважин», основанном на опыте работ по ликвидации открытых газовых фонтанов [15-17].
Таким образом, открытые нефтяные и газовые фонтаны являются наиболее сложными авариями в нефтегазовой промышленности. Последствия выбросов из скважин определяются характером, интенсивностью притока пластового флюида из залежи, условиями его горения. Высокий уровень аварийности на скважинах определяется систематическими нарушениями технико-технологического процесса строительства, эксплуатации и ремонта скважин, низким качеством проектов строительства скважин и неудовлетворительной подготовкой персонала к действиям в аварийной ситуации. Поэтому проблема обучения персонала методам предупреждения и ликвидации открытых фонтанов является актуальной и своевременной.
Список литературы
1. Биография великого подвига: Тюменская геология. Годы, лица, события (1953-2003). - Екатеринбург: Средне-Уральское книжное издательство, 2003. - 688 с.
2. Oil Industry International Exploration & Production Forum.
3. Сизов О. В. Управление фонтаном при ремонте газовых скважин в экстремальных условиях Крайнего Севера: дис. канд. техн. наук: 05.26.03: защищена 27.12.2006. - Уфа, 2006.
4. Дружинин О. А. Вероятность наступления страхового случая «Потеря контроля над скважиной» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: шшш.аШшигапсе. ги
5. Пожарная тактика: учеб. для пожарно-техн. училищ / Я. С. Повзик, П. П. Клюс, А. М. Матвейкин. - М.: Стройиздат, 1990. -335 с.
6. Рекомендации по тушению пожаров газовых и нефтяных фонтанов. - М.: ГУПО МВД СССР, 1976. - 78 с.
7. Пат. № 2261982 РФ. Способ ликвидации открытых фонтанов на нефтегазовых скважинах / Р. А. Бакеев, А. В. Кустышев, О. В. Сизов, Л. У. Чабаев (РФ). -опубл. 10.10.2005.
8. Пат. № 2231627 РФ. Способ ликвидации открытых фонтанов на нефтегазовых скважинах авторы / Л. У. Чабаев, А. В. Кустышев, Н. И. Иллюк (РФ). - опубл. 27.06.2004.
9. Пат. № 96103392 РФ. Способ тушения пожаров нефтяных и нефтегазовых фонтанов и устройство для его осуществления / В. М. Панченко (РФ). - опубл. 27.04.1998.
10. Пат. № 2074949 РФ. Способ ликвидации пожаров фонтанов на нефтегазовых скважинах и устройство для его осуществления автор / И. Н. Георгиев (РФ). - опубл. 10.03.1997.
11. Пат. № 2011798 РФ. Способ тушения пожаров на горящих нефтегазовых скважинах и устройство для его осуществления / М. Э. Шварц, А. М. Шварц (РФ). - опубл. 30.04.1994.
12. Заявка № 2007129459 РФ. Система пожаротушения и восстановления нефтяных и газовых скважин / Ховен Марко Франсиско (РФ). - опубл. 10.08.2006.
13. Пат. № 2046928 РФ. Е 21 В 35/00. Комбинированное приспособление для тушения пожара на нефтяных скважинах / В. В. Ермилов, В. И. Ермилов (РФ). - опубл. 27.10.1995.
14. Кустышев А. В. Сложные ремонты газовых скважин на месторождениях Западной Сибири. - М.: ООО «Газпром экспо», 2010. - 255 с.
15. Осложнения, аварии и фонтаноопасность при строительстве, эксплуатации и ремонте нефтяных и газовых скважинах: учеб. пособие / Кустышев А. В., Чабаев Л. У., Ваганов Ю. В., Двойников М. В., Кустышев И. А., Сингуров А. А. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. -400 с.
16. Чабаев Л. У. Предупреждение и ликвидация открытых фонтанов и пожаров на газовых скважинах: дис. канд. техн. наук: 05.26.03: защищена 23.01.2003. - Тюмень, 2003.
17. Бакеев Р. А. Обеспечение пожарной и фонтанной безопасности при расконсервации газовых скважин: дис. канд. техн. наук: 05.26.03: защищена 12.11.2004. - Тюмень, 2004.
Сведения об авторах
Бараковских Сергей Александрович,
к. т. н, Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий России, г. Екатеринбург, тел. 89505554178, e-mail: bar0381@yandex. ru
Чабаев Леча Усманович, д. т. н., профессор, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390393, e-mail: bure-nia@rambler. ru
Бакеев Руслан Ахметович, к т. н, доцент Международного учебно-тренажерного центра, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390393, e-mail: bure-nia@rambler. ru
Сизов Олег Владимирович, аспирант, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390393, e-mail: bure-nia@rambler. ru
Долгушин Владимир Алескеевич, к т. н., доцент, заведующий кафедрой бурения нефтяных и газовых скважин, Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390393, e-mail: burenia@rambler.ru
Денисов Роман Олегович, генеральный директор Тюменского научно-технического центра экспертизы промышленной
безопасности, г. Тюмень, тел. 8(3452)401542
Information about the authors
Barakovskih S. A., Candidate of Science in Engineering, the Ural Institute of fire prevention government service of the RFMinistry for civil defense, emergency situations and elimination of the consequences of natural calamity of Russia, Yekaterinburg, phone: 89505554178, e-mail: bar0381@yandex.ru
Chabaev L. U., Doctor of Engineering, professor of the Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)390393, e-mail: burenia@rambler.ru
Bakeev R. A., Candidate of Science in Engineering, associate professor of International Education-Training Center, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452) 390393, e-mail: burenia@rambler.ru
Sizov O. V., postgraduate, Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)390393, e-mail: bure-nia@rambler. ru
Dolgushin V. A., Candidate of Science in Engineering, associate professor, head of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)390393, e-mail: bure-nia@rambler. ru
Denisov R. A., Director General of the Tyumen research and development centre of industry safety expertise, phone: 8(3452)401542
