CC BY
220
УДК 622.24.063
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА
А.В. ФЕДОСОВ, к.т.н., доцент кафедры промышленной безопасности и охраны труда. E-mail: [email protected]
К.Р. ИДРИСОВА, к.т.н., доцент кафедры промышленной безопасности и охраны труда. E-mail: [email protected]
Э.К. ЮСУПОВА, студент. E-mail: [email protected]
П.Е. ПАНЬКОВА, студент. E-mail: [email protected]
ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет
(Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1).
В статье рассмотрен вопрос повышения уровня промышленной безопасности при эксплуатации циркуляционной системы очистки бурового раствора, выявлены факторы и причины, способствующие возникновению аварий на этих объектах. Показана необходимость улучшения и внедрения более эффективного и современного оборудования для очистки буровых растворов от газов. В ходе выполнения работы были проанализированы преимущества и недостатки известных дегазаторов зарубежных и отечественных производителей. В результате была предложена установка дегазатора как дополнительной ступени очистки бурового раствора или замена имеющегося дегазатора на более совершенный аналог.
Ключевые слова: бурение, промывка скважин, буровые растворы, циркуляционная система очистки бурового раствора, дегазация, дегазатор бурового раствора.
На сегодняшний день нефтяная промышленность представляет собой международную индустриальную отрасль экономики, занимающуюся добычей, переработкой, транспортировкой, складированием и продажей полезного природного ископаемого - нефти и сопутствующих нефтепродуктов. Нефтедобыча, в свою очередь, включает в себя геологоразведку, бурение скважин и их ремонт, очистку добытой нефти от воды, серы, парафина и многое другое.
Анализ состояния промышленной безопасности на нефтедобывающих предприятиях показывает, что острота проблемы, связанной с аварийностью, не снижается (рис. 1). Существует реальная необходимость повышения эффективности решения задач по предотвращению аварийных ситуаций на объектах нефтедобычи с учетом современных требований производства.
Отдавая должное выполненным ранее исследованиям, необходимо подчеркнуть, что ряд научных проблем
Рис. 1. Динамика аварийности и производственного травматизма за 2010-2015 годы на опасных производственных объектах нефтегазодобывающей промышленности [1]
20
I 18
i
р 16 и 14 и 12
110
)
| 8 ! 6 ; 4 j 2 0
49-
| аварийность ■травматизм
2010 2011 2012 2013 2014
2015
безопасности, учитывающих происходящие под воздействием научно-технических достижений и рыночной экономики изменения в деятельности нефтедобывающих предприятий, еще не нашли в полной мере своего решения.
В связи с этим задача совершенствования методов обеспечения безопасности производственных объектов нефтедобывающих предприятий является важной и актуальной.
Объекты бурения нефтяных скважин являются источниками опасных и вредных производственных факторов [2]. Их эксплуатация связана с необходимостью применения сложного нефтепромыслового технологического оборудования, высоких давлений, токсически опасных химических реагентов и их композиций. Как следствие происходит формирование потенциальной опасности возникновения аварий и несчастных случаев на объектах бурения [3].
При достигнутом уровне техники и технологии бурения технологический процесс промывки скважин является одним из важнейших элементов в общем цикле бурения, от которого зависит возможность успешного доведения скважины до проектной глубины, характер и интенсивность проявления различного рода осложнений и аварий. Он включает ряд технологических операций: приготовление, очистку, регулирование свойств и циркуляцию бурового раствора. В зависимости от класса буровой установки и сложности технологического процесса бурения буровые установки комплектуются циркуляционными системами, включающими набор блоков, оснащенных различным оборудованием для выполнения вышеуказанных технологических операций.
В процессе бурения скважин возникновению и развитию аварий способствуют такие факторы, как наличие воспламеняющихся и токсичных веществ (попутного газа, растворенного в буровом растворе) и возможность возникновения
источника воспламенения. Причинами аварий могут служить превышение уровня бурового раствора в емкостях, переполнение емкостей; отказ насосного оборудования, трубопроводов, арматуры; недостаточная дегазация бурового раствора [4]. Могут возникнуть такие виды осложнений и аварий, как поглощение бурового раствора, газонефтево-допроявление, выброс, фонтанирование, грифоны.
Основным фактором, способствующим возникновению аварийной ситуации при эксплуатации циркуляционной системы очистки бурового раствора, является насыщение бурового раствора пластовым газом, воздухом, а также его вспенивание вследствие снижения гидростатического давления на пласт, физико-химического взаимодействия растворов с различными солями, содержащимися в частицах выбуренных пород или пластовых водах, а также при введении порошкообразных материалов в растворы и их обработке пенообразующими реагентами, снижающими поверхностное натяжение воды. Газирование бурового раствора препятствует ведению нормального процесса бурения. Во-первых, вследствие снижения эффективной гидравлической мощности уменьшается скорость бурения, особенно в мягких породах; во-вторых, возникают осыпи, обвалы и флюидопроявления в результате снижения эффективной плотности бурового раствора (а следовательно, и гидравлического давления на пласты); в-третьих, возникает опасность взрыва или отравления ядовитыми пластовыми газами (например, сероводородом) и риск появления катастрофических поглощений и открытых фонтанов.
В связи с многообразием геолого-технических условий бурения и физико-механических свойств разрушаемых горных пород трудно подобрать универсальный раствор, который удовлетворял бы всем требованиям к промывке скважин. Поэтому выбор бурового раствора для конкретных условий - важнейшее мероприятие, определяющее успешное и безопасное бурение скважины. Тип и свойства бурового раствора должны соответствовать рабочему проекту и в комплексе с технологическими мероприятиями, регламентирующими процесс проходки ствола, обеспечивать безаварийные условия.
Для обеспечения безаварийных условий бурения и исключения осложнений и аварий в скважине необходимо выполнять требования к следующим основным параметрам бурового раствора: удельный вес и плотность; вязкость; показатель фильтрации; статическое напряжение сдвига; стабильность; суточный отстой; содержание песка; водородный показатель [5].
Контроль параметров буровых растворов при бурении нефтяных скважин, выбор контролируемых параметров, методы определения необходимой периодичности и точности контроля, основные характеристики и краткое описание технических средств и методов измерения, используемых для контроля параметров бурового раствора, приведены в РД 39-00147001-773-2004 [6].
В связи с тем что поступающие в буровой раствор частицы выбуренной породы оказывают вредное влияние на его основные технологические свойства, а следовательно, и на безопасность ведения технологического процесса, очистке буровых растворов от вредных примесей уделяют особое внимание. Для очистки бурового раствора от шлама используется комплекс различных механизмов и оборудования,
предназначенных для грубой и тонкой очистки бурового раствора от примесей. Кроме того, в наиболее неблагоприятных условиях перед очисткой от шлама буровой раствор обрабатывают реагентами-флокулянтами, которые позволяют повысить эффективность работы очистных устройств.
Таким образом, оптимальный процесс промывки скважин обеспечивается правильным сочетанием типа бурового раствора, режима промывки (подачи насоса) и организационных мер по поддержанию и регулированию свойств раствора в процессе бурения. Только такое сочетание позволит эффективно и безопасно реализовать технологические функции процесса промывки и сократить затраты на борьбу с осложнениями и снизить стоимость бурения в целом.
Для достижения совершенной очистки бурового раствора требуется циркуляционная система, удовлетворяющая весьма жестким требованиям. Она должна быть высокоэффективной, мобильной, несложной по конструкции и иметь емкости достаточно большого рабочего объема.
Большинство буровых компаний применяют систему четырехступенчатой циркуляционной очистки в сочетании с разработанными рецептурами буровых растворов. Данная циркуляционная система предназначена для обеспечения технологически правильной циркуляции бурового раствора, его очистки, приготовления, поддержания требуемых свойств, предотвращения загрязнения окружающей среды отходами бурения, причем требования экологической безопасности бурения становятся далеко не последними. Технология очистки по четырехступенчатой системе представляет собой ряд последовательных операций, выполняющихся в строгой последовательности с помощью таких механических устройств, как вибрационные сита, пескоотделители, илоотделители и центрифуги [7].
Несмотря на то что многоступенчатая система очистки бурового раствора сложная и дорогая, в большинстве случаев применение ее рентабельно вследствие значительного увеличения скоростей бурения, сокращения расходов на регулирование свойств бурового раствора, уменьшения степени осложненности ствола, удовлетворения требований промышленной безопасности и защиты окружающей среды.
Для обеспечения безопасности при эксплуатации блока циркуляционной системы очистки бурового раствора организация и ее работники обязаны соблюдать требования промышленной безопасности, указанные в Федеральных нормах и правилах в области промышленной безопасности от 12 марта 2013 года № 101 «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» [8]. Следует обращать особое внимание на требования, предъявляемые при осуществлении промывки скважин, в частности при приготовлении и очистке бурового раствора.
Для предупреждения осложнений и аварий, связанных с газированием бурового раствора, используют различные методы дегазации: механическое разделение жидкой и газообразной фаз, физико-химические методы, вакуумный метод [9]. Способ дегазации выбирается в зависимости от требуемой степени дегазации жидкости, производительности дегазационной установки и других технических и экономических факторов.
В целях экономии некоторые буровые компании для дегазации бурового раствора используют естественный способ дегазации, который предназначен только для жидкостей
с невысокой вязкостью и невысоким статическим напряжением сдвига. При движении жидкости в желобах структура ее разрушается, что сопровождается выделением газовой фазы в виде пены. Накопившаяся у перегородок пена постепенно разрушается. Этот способ малоэффективен и небезопасен, так как имеет недостаточную степень извлечения газа из бурового раствора.
Для эффективной и своевременной дегазации необходимо установить дегазатор с высокими техническими характеристиками и совершенными конструктивными особенностями.
Проведенный анализ оборудования, используемого буровыми компаниями, эксплуатирующими нефтяные скважины на территории Российской Федерации, показал, что неизменно доминирует буровое оборудование российского производства. Причины, по которым они выбирают российское оборудование, следующие:
- в сравнении с зарубежными аналогами российские производители предлагают более низкие цены (кроме Китая);
- российская техника легко и недорого обеспечивается всеми расходными материалами и запасными частями, для нее в широком ассортименте имеется буровой инструмент;
- выбору способствуют сложившиеся традиции, поскольку уже имеющийся в ходу ряд оборудования изготовлен в России;
- оборудование адаптировано к местным условиям и соответствует российским стандартам;
- близость к регионам нефтедобычи;
- сложившиеся связи производителей с потребителями [10].
Отечественная буровая техника использует устаревшие технические идеи, которые принципиально невозможно довести до современного требуемого уровня. Создается оборудование нового технического уровня на основе уже имеющихся отечественных научных разработок, но внутренний машиностроительный рынок еще не приступил к их реализации.
К сожалению, все современные разработки ранее и сейчас выполняются на инициативной основе и не финансируются в полной мере бюджетом и нефтегазодобывающими предприятиями. Существующая тендерная система закупок зачастую производится при недостаточном участии технических специалистов, что приводит к приобретению более дешевого, но не всегда качественного оборудования. Вследствие этого научно-производственные компании, занимающиеся созданием новых изделий, ограничены в сбыте своей более современной продукции и в финансировании собственных научных разработок [11].
По показателям качества исполнения, энергоемкости, эффективности, ресурса, удобства использования импортные установки превосходят отечественные.
В ходе выполнения работы был проведен сравнительный анализ известных дегазаторов зарубежных и отечественных производителей. Рассмотрим преимущества и недостатки некоторых дегазаторов.
Дегазатор нефтегазовый самовсасывающий ДВС III представляет собой автоматическую дегазационную установку циклического действия, состоящую из двух попеременно работающих вакуумных камер. К преимуществам данного дегазатора можно отнести наличие заслонки для перепуска части дегазированной жидкости, чтобы предотвратить
Рис. 2. Технологическая схема дегазатора марки DG-10/12
оголение приемных клапанов при большей производительности дегазатора, чем буровые насосы, и наличие труб в дегазационных камерах, предотвращающих вылив раствора при переключении с одной дегазационной камеры на другую. Основными недостатками являются неустойчивая работа клапанно-золотникового механизма, особенно в зимнее время, и замерзание воды в вакуумном насосе (при стоянке), падение вакуума из-за недостаточной подачи воды в вакуумный насос, засасывания воздуха из атмосферы в дегазационные камеры и нагрева воды в вакуумном насосе выше 40 °С. Длительная эксплуатация вакуумных дегазаторов типа ДВС показала, что при обработке высоковязких систем производительность дегазатора резко снижается, а остаточное содержание газа в растворе может достигать 3-5% [12].
Центробежно-вакуумные дегазаторы типа ЦВА малоэффективны по причине турбулизации раствора и малой продолжительности его пребывания в дегазаторе.
Дегазатор типа «Каскад 40-02» предназначен для дегазации буровых растворов в процессе ликвидации нефтегазо-проявлений при бурении скважин на нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождениях, в пластовом флюиде которых не содержится сероводород и другие токсичные компоненты. К недостаткам этого дегазатора относится то, что он является в значительной степени сложным. Наличие подпружиненных клапанов, пружин между конусными тарелками повышает степень возможности засорения частицами грунта при эксплуатации и усложняет изготовление и монтаж. Находящаяся внутри корпуса коническая оболочка работает в сложных условиях наличия раствора, газа и подвергается непрерывной деформации, что сокращает срок ее службы и требует частых замен с остановкой и полной разборкой системы.
Таблица 1
Технические характеристики дегазатора DG-5
Скорость потока, л/мин 3785
Длина, мм 1524
Ширина, мм 2540
Высота, мм 1956
Вес, кг 1435
Таблица 2
Конструктивные особенности дегазатора DG-10/12
Конструктивные особенности Преимущества
Коррозионно-стойкие внутренние компоненты Продолжительный срок службы компонентов при минимальном объеме технического обслуживания
Поплавковый регулятор уровня жидкости в камере разгазирования Предотвращает переполнение или осушение системы
Буровой раствор подается в дегазатор высокоэффективным струйным насосом Предотвращает образование газовых пробок и обеспечивает выпуск разгазированного бурового раствора на расстоянии до 6,1 м, упрощая монтаж установки
Все установки оборудованы вакуумными насосами Защищает от повреждения вакуумную часть установки и упрощает техническое обслуживание
Отказоустойчивый вторичный поплавковый регулятор и фильтр Предотвращает попадание бурового раствора в вакуумный насос
Рассеивающие пластины создают тонкие слои загазованного бурового раствора Облегчает удаление содержащегося в жидкости газа за счет его вытеснения ближе к поверхности
Дегазатор DG-10/12 устанавливается вертикально Небольшая площадь подошвы основания позволяет установить дегазатор в ограниченном пространстве
Рис. 3. Технологическая схема работы дегазатора
Зарубежный опыт показывает, что дегазаторы BRANDT моделей DG и VG не имеют вышеописанных недостатков. Они соответствуют всем нормативным требованиям по проведению буровых работ в сероводородной среде.
В результате подробного изучения характеристик вышеописанных дегазаторов был сделан вывод, что наибольшую дегазацию бурового раствора обеспечивает дегазатор BRANDT модели DG-10/12, который имеет высокую производительность и работоспособность, а также благодаря своим техническим данным и современным конструктивным особенностям обеспечивает безопасность и уменьшает объем техобслуживания. Дегазатор DG-10/12 (рис. 2) надежно отводит любые газы, содержащиеся в буровых растворах, в том числе сероводород и коррозионный кислород, восстанавливает буровой раствор до его исходной плотности, что дает возможность повторно использовать его в системе циркуляции, сокращает угрозу опасных и дорогостоящих выбросов и предотвращает попадание газа в систему циркуляции. Технологическая схема работы данного дегазатора представлена на рис. 3. Технические характеристики дегазатора DG-10/12 приведены в табл. 1, конструктивные особенности - в табл. 2.
Установка дополнительной ступени очистки бурового раствора позволит выделить из бурового раствора газы и
восстановить его удельный вес после грубой очистки. Тем самым повысятся качество бурового раствора, технико-экономические показатели бурения, безопасность процесса, уменьшится неблагоприятное воздействие газа на технологические свойства бурового раствора и самое главное - снизится опасность возникновения различных видов осложнений и аварий на скважине.
В ходе выполнения работы была произведена количественная оценка экономического ущерба от максимальной гипотетической аварии, возникшей в результате газирования бурового раствора, согласно методике, изложенной в РД 03-496-02 с учетом вероятности ее возникновения [13]. После проведенных расчетов был сделан вывод о том, что использование дегазатора позволит сохранить трудовые и финансовые ресурсы компании в случае аварии на опасном производственном объекте.
Применение предложенных мероприятий позволит контролировать процесс очистки бурового раствора на всех его ступенях, повысит безопасность процесса бурения и поможет достичь уровня приемлемого риска на объектах бурения. А обеспечение безопасности производственных объектов нефтяной промышленности, в свою очередь, является одним из основных условий успешного функционирования и развития нефтегазовой отрасли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2015 году. М., 2016. 361 с.
2. Федосов, А.В. Измерение уровней вредных производственных факторов: моног. / Федосов А.В., Вадулина Н.В., Рямова С.М., Новикова А.И., Хизбуллина А.А. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2015. 333 с.
3. Федосов, А.В. Профессиональные риски работников нефтяной промышленности / Федосов А.В., Закирова З.А., Гусева И.Е. // Безопасность труда в промышленности. № 6. 2016 С. 70-73.
4. Басарыгин, Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин: учеб. для вузов / Ю.М. Басарыгин, А.И. Булатов, Ю.М. Проселков. М.: оОо «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 679 с.
5. Буровые и тампонажные растворы: Метод. указания к практическим занятиям: Для студентов, обучающихся по профилю «Морские нефтегазовые сооружения» направления подготовки «Технологические машины и оборудование» / Сост. В.А. Перфилов. Волгоград: ВолгГАСУ, 2014. 26 с.
6. Методика контроля параметров буровых растворов: РД 39-00147001-773-2004.[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.twirpx.com/file/842815/
7. Крец, В.Г. Буровое оборудование: учеб. пособие / В.Г. Крец, Л.А. Саруев, В.Г. Лукьянов. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. 121 с.
8. Приказ Ростехнадзора от 12.03.2013 № 101 (ред. от 12.01.2015) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/
9. Булатов А.И. Справочник по промывке скважин / А.И. Булатов, А.И. Пеньков, Ю.М. Проселков. М.: Недра, 1984. 317 с.
10. http://neftegaz.ru Портал Neftegaz.RU [Электронный ресурс] бесплат. электрон. интернет-данные. Электрон. дан. 2000-2017. Режим доступа: http://neftegaz.ru/science/view/191-Nekotorye-tendentsii-rossiyskogo-rynka-neftegazovogo-oborudovaniya
11. Федосов, А.В. Управление рисками и техническое регулирование: моногр. / Федосов А.В., Абдрахимов Ю.Р., Вадулина, Н.В. Уфа: Нефтегазовое дело, 2013. 176 с.
12. Булатов, А.И.Технология промывки скважин / А. И. Булатов, Ю. М. Проселков, В. И. Рябченко. М.: Недра,1981. 301 с.
13. Методические рекомендации по оценке ущерба от аварий на опасных производственных объектах: РД 03-49602. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200031148.
TO THE QUESTION OF INCREASE IN SAFETY AT OPERATION OF CIRCULATING SYSTEM OF PURIFICATION OF DRILLING MUD FLUID
FEDOSOV A.V., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof., Department of Industrial Safety and Labour Protection. E-mail: [email protected]
IDRISOVA K.R., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof., Department of Industrial Safety and Labour Protection. E-mail: [email protected]
YUSSUPOVA E.K., Student. E-mail: [email protected] PAN'KOVA P.E., Student. E-mail: [email protected]
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Baschkortostan, Russia).
ABSTRACT
In the article considers the question of improving industrial safety in the operation of the circulating system of purification of drilling mud fluid, identified the factors and causes that contribute to accidents at these facilities. Shown the need to improve and implement more efficient and modern equipment for purification of drilling mud fluid from gases. In the course of the work, the advantages and disadvantages of known degassers of foreign and domestic producers were analyzed. Installation of a degasser as additional step of purification of drilling mud fluid or replacement of the available degasser by more perfect analog has been as a result offered.
Keywords: drilling, circulation of wells, drilling mud fluid, circulating system of purification of drilling mud fluid, degassing, drilling mud degasser.
REFERENCES
1. Godovoi otchet o deiatel'nosti Federal'noi sluzhby po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru v 2015 godu [Annual report on activity of Federal service on technological, ecological and atomic supervision]. Moscow, 2016. 361 p.
2. Fedosov A.V., Vadulina N.V., Riamova S. M., Novikova A.I., Khizbullina A. A. Izmerenie urovnei vrednykh proizvodstvennykh faktorov [Measurement of levels of harmful production factors]. Ufa, UGNTU Publ., 2015. 333 p.
3. Fedosov A.V., Zakirova Z.A., Guseva I.E. Professional risks of workers of oil industry. Bezopasnost' truda v promyshlennosti, 2016, no. 6, pp. 70-73 (In Russian).
4. Basarygin Iu.M., Bulatov A.I., Proselkov Iu.M. Oslozhneniya i avarii pri burenii neftianykh i gazovykh skvazhin [Complications and accidents in drilling oil and gas wells]. Moscow, Nedra-Biznestsentr Publ., 2000. 679 p.
5. Perfilov V.A. Burovye i tamponazhnye rastvory [Drilling mud and grouting mortar].Volgograd, VolgGASU Publ., 2014. 26 p.
6. Metodika kontrolia parametrov burovykh rastvorov RD 39-00147001-773-2004 (A method of monitoring parameters of drilling mud) Available at: http://www.twirpx.com/file/842815/
7. Krets V.G., Saruev L.A. , Luk'ianov V.G. Burovoe oborudovanie [Drilling equipment]. Tomsk, TPU Publ., 2011. 121 p.
8. Prikaz Rostekhnadzora ot 12.03.2013 №101 (red. ot 12.01.2015) «Ob utverzhdenii Federal'nykh norm i pravil v oblasti promyshlennoi bezopasnosti «Pravila bezopasnosti v neftianoi i gazovoi promyshlennosti» (Order of Rostekhnadzor of Murch 3, 2013 N 101 «Safety rules in the oil and gas industry») Available at: http://www.consultant.ru/document/
9. Bulatov A.I., Pen'kov A.I. , Proselkov Iu.M. Spravochnik po promyvke skvazhin [Reference book on circulation of wells]. Moscow, Nedra Publ., 1984. 317 p.
10. Portal Neftegaz. RU Available at: http://neftegaz.ru/science/view/191-Nekotorye-tendentsii-rossiyskogo-rynka-neftegazovogo-oborudovaniya
11. Fedosov A.V., Abdrakhimov Iu.R., Vadulina N.V. Upravlenie riskami i tekhnicheskoe regulirovanie [Risk management and technical regulation].Ufa, Neftegazovoe delo Publ., 2013. 176 p.
12. Bulatov A.I., Proselkov Iu.M., Riabchenko V. I. Tekhnologiia promyvki skvazhin [Technology of circulation of wells]. Moscow, Nedra Publ., 1981. 301 p.
13. Metodicheskie rekomendatsii po otsenke ushcherba ot avarii na opasnykh proizvodstvennykh ob»ektakh: RD 03-49602 (Methodological recommendations for the assessment of damage from accidents at hazardous production facilities: RD 03-496-02) Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200031148.
