Системная классификация аварий в бурении

УДК 316.48:519.87

О. А. Щепетов

СИСТЕМНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ АВАРИЙ В БУРЕНИИ

Введение

В процессе бурения и испытания нефтяных и газовых скважин вследствие явлений горногеологического характера возникают нарушения технологического процесса, называемые осложнениями. Это поглощения буровых и тампонажных растворов, нефтегазоводопроявления, выбросы пластовых флюидов с буровым раствором, прихваты бурильных и обсадных колонн, осыпи и обвалы горных пород. В проектах на строительство буровых скважин предусматриваются возможности и условия появления осложнений, разрабатываются мероприятия по их предотвращению и ликвидации. Но эти расчеты не всегда основаны на точной информации о горно-геологических условиях бурения. Проходка разведочных скважин нередко проектируется по информационным данным о горных породах и пластовых флюидах, полученным по соседним площадям. Именно этим объясняется возникновение ситуаций, когда основные технологические параметры становятся несовместимыми с условиями бурения. Определенная часть осложнений переходит в аварии.

Целью работы является классификация аварий в бурении, на основе которой в дальнейшем будет создана база данных для применения методов системного анализа и искусственного интеллекта. Применение данной базы знаний позволит прогнозировать аварийные и предава-рийные ситуации и на ранней стадии выявлять отклонения от технологического процесса строительства скважины и предотвращать аварии.

Классификация аварий в бурении

Аварией считается нарушение непрерывности технологического процесса строительства (бурения и испытания) скважины, требующее для его ликвидации проведения специальных работ, не предусмотренных проектом. Аварии происходят из-за поломки, оставления или падения в скважину элементов обсадных или бурильных колонн, из-за неудачного цементирования обсадных колонн, прихвата, открытого фонтанирования и падения в скважину различных предметов.

На раннем этапе строительства скважин не было организованной системы профилактики и предупреждения аварий. С развитием опыта и технологий буровые компании стали создавать структуры, занимающейся предотвращением и ликвидацией аварий и брака.

Наибольшая эффективность работы достигается при системном подходе к проблеме противодействия авариям. Классификация аварий по степени сходства различных параметров позволяет при противодействии похожих аварий использовать однотипные методы и средства организованной типовой системы, что существенно повышает эффективность противодействия. Кроме того, системный подход при анализе проблемы аварий в целом позволяет выявить такие варианты возможных аварий, которые в любой момент могут оказаться актуальными, но на данный момент кажутся несущественными, и противодействие не организовано должным образом.

Таким образом, для предупреждения и ликвидации осложнений и аварий необходима единая система классификации, расследования и учета аварий, возникающих при бурении скважин. В практике бурения Российской Федерации используются: «Инструкция по классификации, расследованию и учету аварий при бурении скважин на нефть и газ» [1] и «Инструкция по расследованию аварий, не повлекших за собой несчастных случаев на подконтрольных Госгортехнадзору предприятиях и объектах» [2].

Нарушения непрерывности технологического процесса строительства (бурения и испытания) скважины при соблюдении технического проекта и правил ведения буровых работ, вызванные явлениями горно-геологического характера, такие как поглощение, нефтегазопроявле-ние, выбросы, осыпи, обвалы, желобные выработки, искривление ствола и др., а также последствия стихийных бедствий, в отличие от аварий, называют осложнениями.

Технологическая сложность процесса бурения обусловлена большим количеством технологических переменных, значения которых в той или иной степени определяют эффективность этого процесса, и множеством взаимодействий между ними, что требует приложения не всегда очевидных

управляющих воздействий. Это особенно проявляется в различных технологических ситуациях, от правильности распознавания которых зависят управляющие воздействия бурильщиков. Эксплуатационная сложность обусловлена технологической сложностью и характеризуется требованием ведения процесса бурения на оптимальном уровне, в пределах установленной системы ограничений. Это усугубляется и тем, что бурильщику для выбора правильного решения необходимо помнить и предысторию процесса бурения за сравнительно длительный период времени.

Применительно к проблеме аварий, в соответствии со значениями заданного набора характеристик, классификация - это распределение аварий по различным группам. Классификацию используют для повышения эффективности, а также наиболее приемлемых способов и технических средств ликвидации аварий. Выделим основные характеристики аварий в бурении:

1. Источник аварий.

2. Объект аварии.

3. Масштабы и последствия аварии.

4. Факторы, влияющие на аварии.

Особенности и параметры источника определяют характер и масштабы средств противодействия. Источником аварий может являться буровое оборудование, природные воздействия и субъективные факторы. Прежде всего, это аварии, произошедшие по вине исполнителя трудового процесса, т. е. возникшие по субъективным причинам. К ним относятся аварии, которые произошли по вине исполнителя (самонадеянность или небрежность). Самонадеянность характеризуется тем, что обязанное лицо предвидит возможность возникновения аварии в скважине, но легкомысленно, безосновательно надеется ее предотвратить. Вина в форме небрежности означает, что обязанное лицо не знало о возможности неблагоприятных последствий своих действий, но по обстоятельствам дела могло и должно сознавать характер своей деятельности, предвидеть возможность аварии в скважине [3].

В связи с тем, что бурение - это технологически сложный вид работ с большим количеством основных и вспомогательных материалов и оборудования, увеличивается количество объектов аварии. В зависимости от объекта аварий выделяют следующие группы:

1) аварии с элементами бурильной колонны;

2) обрыв бурильных труб;

3) аварии с долотами;

4) прихваты бурильных и обсадных колонн;

5) аварии с обсадной колонной и элементами ее оснастки;

6) аварии из-за неудачного цементирования;

7) аварии с забойными двигателями;

8) падение в скважину посторонних предметов;

9) прочие аварии.

Все факторы и причины, влияющие на возникновение аварий при бурении скважин, можно разделить на 4 основные группы: технические, технологические, организационные и геологические [4].

Результирующим фактором аварии являются масштабы и последствия, которые можно сгруппировать:

— по порядку отражения в документе;

— по времени ликвидации;

— по категории.

По порядку отражения в документах оперативного и статистического учета (отчетности) аварии делятся на регистрируемые и учитываемые. Регистрируют все аварии, независимо от времени, затраченного на их ликвидацию (включая внутрисменные простои продолжительностью менее 8 часов), а учитывают те аварии, на устранение которых затрачено более 8 часов. Началом аварии следует считать время ее возникновения, а не обнаружения, т. к. по времени они часто не совпадают из-за недостаточной квалификации обслуживающего персонала, а также слабой оснащенности буровых установок контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой или ее неисправного состояния. Окончанием аварии считается момент восстановления нормальных условий, предусмотренных геолого-техническим нарядом, производственными инструкциями, дополнительными указаниями лиц геолого-технического персонала.

По степени тяжести последствий для производства аварии делятся на две группы: простые и сложные. Единого критерия для разграничения аварий на простые и сложные не существует. На практике показатель тяжести аварии определяют методом экспертной оценки технического состояния скважины, а также положением и целостностью оставленных в скважине устройств (буровой снаряд, обсадные трубы, гидрогеологические и геофизические приборы). Как правило, к сложным относятся аварии, ликвидация которых длится более 3-5 суток, а также вызвавшие закрытие скважины или существенное изменение ее глубины, пространственного положения и конструкции.

В нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей промышленности и геологоразведочных работах распределение аварий по категориям I и II следующее.

Аварии категории I: открытые нефтяные и газовые фонтаны; взрывы и пожары резервуар-ных парков, компрессорных и насосных станций, подземных хранилищ газа, приведшие к разрушению или уничтожению объекта; взрывы и пожары на нефтегазоперерабатывающих заводах, вызвавшие остановку предприятия, цеха, или восстановительные работы.

Аварии категории II: падение или разрушение вышек, морских оснований в процессе эксплуатации, строительства или перетаскивания; падение элементов талевой системы (кронблок, талевый блок, крюк); взрывы и пожары на буровых объектах, групповых нефтегазосборных пунктах, компрессорных и насосных станциях, приведшие к выходу из строя оборудования, необходимости капитального ремонта его и остановки объекта; взрывы, пожары и загорания на нефтеперерабатывающих заводах, вызвавшие прекращение работы установки (участка) и требующие замены или капитального ремонта отдельных сооружений, машин, агрегатов, аппаратов, сосудов, трубопроводов и товарных резервуаров.

Схема системной классификации аварий представлена на рис. 1.

Аварии в бурении

-И Буровое оборудован

-М Природные воздействия

-Н Субъективный фактор

падение в скважину посторонних предметов )

Прочие аварии

Рис. 1. Системная классификация аварий Рассмотрим более подробно объекты аварий.

К авариям с элементами бурильной колонны относится оставление в скважине колонны бурильных труб или элементов компоновки низа (переводник, центратор, амортизатор, утяжеленные бурильные трубы, расширитель и т. д.) из-за: поломки или срыва по резьбовой части; поломки по сварному шву; поломки по сварному телу; поломки ведущей трубы и элементов компоновки.

Обрывом называется авария, характеризующаяся нарушением целостности элементов бурильной колонны, находящейся в скважине. Обрывы бурильных труб классифицируются по качественно однородным признакам.

— по положению слома относительно нулевой линии (деформации от осевых усилий): в сжатой части бурильной колонны; в растянутой части бурильной колонны;

— по форме обрыва: клиновидный; прямой; фигурный; спиралевидный;

— по месту обрыва: в теле бурильных труб; в резьбовых соединениях бурильных труб; в соединительных переходниках бурильных труб. Различают подвиды: обрыв тела труб в месте нарезки; срыв витков трубной резьбы, деталей замка, муфт и самой трубы; поломка корпуса ниппеля замка; срыв ниток резьбы конуса ниппеля; выкрашивание отдельных витков конуса ниппеля;

— по числу разрушений, возникающих одновременно при поломке бурильных труб: одинарный; двойной;

— по характеру проводимых операций, во время которых произошла авария: при спуске бурового инструмента; постановке на забой; углублении скважины; подъеме бурового инструмента; натяжении или расхаживании бурильной колонны; заклинивании колонны;

— по размещению оборванного конца в скважине: с отклонением от оси в желоба, каверны и пустоты; с расположением параллельно оси скважины;

— по времени обнаружения обрыва: выявленный непосредственно после возникновения; не замеченный своевременно буровой бригадой.

Обрыв бурильных труб ограничен тремя основными разновидностями: слом тела труб в месте нарезки; срыв витков трубной резьбы; обрыв по телу трубы.

С породоразрушающим инструментом происходят следующие аварии:

— алмазные коронки - отрыв матриц; поломка секторов и выкрашивание из них алмазов; срыв резьбы; слом тела в резьбовой части;

— алмазные расширители - выпадение алмазосодержащих штабиков; срыв резьбы; слом тела в резьбовой части;

— твердосплавные долота истирающего типа - выпадение твердосплавных резцов (пластин); срыв резьбы; слом тела в резьбовой части;

— шарошечные долота и расширители - отрыв шарошки; скол и выпадение вооружения шарошки (зубьев); срыв резьбы; слом тела в резьбовой части.

Прихватом называется авария в скважине, которая характеризуется частичным или полным прекращением движения бурового инструмента, обсадных труб или геофизических (гидрогеологических) приборов (устройств). Прихваты - одна из самых распространенных, сложных и трудоемких групп аварий в бурении.

Выделяются три основных типа прихватов: породоразрушающие инструменты и колонковые наборы; бурильные колонны; обсадные трубы. Прихваты разделяются на следующие, наиболее распространенные виды.

1. Прихват шламом. Прихваты шламом происходят во время всех операций, когда буровой инструмент находится в скважине, т. е. при спускоподъемных операциях; постановке на забой; наращивании колонны и других остановках инструмента; бурении; заклинивании керна; ликвидации обрыва и т. д.

2. Прихват горными породами. Этот вид прихвата возможен: при нарушении целостности и устойчивости стенок скважин (раскрытие естественных и образование новых трещин; образование каверн и желобов; набухание пород; вытекание и осыпание пород; обваливание и обрушение); прижоге породоразрушающего инструмента; расклинивании керном, растерянным по стволу скважины или оставленным на забое; пересечении старых горных выработок и пустот, заполненных обломочным, сыпучим материалом и др.

3. Прихват глинистой коркой. Этот вид аварии происходит вследствие прилипания бурового снаряда к глинистой корке, образуемой на стенке скважины из-за перепада давления жидкости.

4. Прихват осколками металла породоразрушающих инструментов или отколовшимися кусками муфтовозамковых соединений.

5. Прихват предметами (ключи, гайки, зажимные плашки и пр.), упавшими в скважину.

6. Сложный (комбинированный) прихват, представляющий собой сочетание нескольких разновидностей.

К авариям с обсадными колоннами и элементами их оснастки относятся аварии со спускаемыми, спущенными и зацементированными обсадными колоннами или их частями, вызванные: разъединением по резьбовым соединениям; обрывом по сварному шву; смятием или разрывом по телу трубы; повреждением обсадной колонны при разбуривании цементного стакана, стоп-кольца, обратного клапана и направляющей пробки.

К авариям из-за неудачного цементирования относятся прихваты затвердевшим цементным раствором колонны бурильных труб, на которой спускалась секция обсадных труб или хвостовик; отказ в работе и повреждение узлов подвески секции обсадной колонны, нарушающие процесс крепления и дальнейшую проводку скважины; оголение башмака или недоподъем цемента, если требуются дополнительные работы по устранению нарушений.

К авариям с забойными двигателями относится оставление турбобура, электробура, винтового двигателя или их узлов в скважине вследствие поломок или разъединения с бурильной колонной.

К падению в скважину посторонних предметов относится падение вкладышей ротора, роторных клиньев, ключей, кувалд и других ручных инструментов и приспособлений, с помощью которых проводились работы над устьем скважины.

К прочим авариям, произошедшим в процессе бурения, относятся аварии при промыслово-геофизических работах в скважине (прихваты и оставление в скважине каротажного кабеля, различных приборов, грузов, шаблонов, торпед и других устройств, применяемых при исследовании скважины и вспомогательных работах в ней) [5].

Схема разделения объектов аварий на группы показана на рис. 2.

Аварии с элементами ' бурильной колонны

постановке на забой

углублении скважины )

заклинивании колонны

Объекты аварий

Н

Обрыв бурильных труб

в сжатой части

в растянутой части

По числу разрушений )

ч

по размещению оборванного конце

с отклонением от оси в желоба, каверны ^______и пустоты ^

С раположением паралельно ось скважинь

своевременно

Аварии с породоразрушающим инструментом

Алмазные коронки

Поломка \ секторов и выкрашивание из них алмазов у

Слом тела в резьбовой части

Твердосплавные долотг истирающего типг

Выпадение твердосплавных резцоЕ

Слом тела в резьбовой части

ГІ

Прихваты бурильных и обсадных труб

—?____________

Типы прихватов

Породоразрушающие инструменты и колонковые наборы

осколками металла породоразрушающих инструментов и кусками муфтово-замковых соединений

Рис. 2. Группы объектов аварий

Рассмотрим факторы, вызывающие аварии, более детально.

Технические причины аварий:

1) низкое качество исходного материала (механическая прочность, твердость, морозостойкость, коррозиестойкость, упругость и т. д.), из которого изготовлены буровые установки, технологический, вспомогательный и специальный инструмент, технические средства для гид-

рогеологических и геофизических исследований в скважинах и другие устройства или их отдельные агрегаты, узлы, детали;

2) применение недопустимо изношенных технических средств со скрытыми конструктивными недостатками или изготовленных (отремонтированных) с нарушением ГОСТ, ОСТ, ТУ;

3) усталость металла, возникающая в процессе эксплуатации под действием различных нагрузок, меняющихся по значению и направлению;

4) использование технических средств, разрешающие способности которых не обеспечивают их индивидуальное или комплексное назначение;

5) низкие эргономические показатели технических средств, особенно при оптимальном распределении функций между человеком и машиной, а также соответствии системы управления и контроля психофизическим возможностям человека, рациональном конструктивном решении рабочего места и т. п.

Технологические причины аварий:

1) неправильный выбор и нарушение рациональных параметров режима бурения (осевая нагрузка, частота вращения, расход промывочной жидкости) и параметров процесса бурения, включая механическую скорость, крутящий момент, усилие на подъем инструмента, давление промывочной жидкости;

2) несоблюдение рациональной последовательности правил крепления скважины (цементирование);

3) неправильный выбор типа промывочного агента, применение которого не обеспечивает выполнения гидродинамических, гидростатических и других функций, включая функции коркообразования;

4) необоснованный выбор рецептур промывочных жидкостей, тампонажных смесей и цементных растворов;

5) использование материалов и реагентов для приготовления промывочной жидкости низкого качества;

6) недоучет геологических и гидрогеологических условий, степени минерализации подземных вод, характера излива жидкости из скважины;

7) неудовлетворительная подготовка скважины к гидрогеологическим и геофизическим исследованиям (некачественная проработка ствола на всем незакрепленном интервале долотом номинального диаметра с целью ликвидации уступов, резких переходов от одного диаметра к другому, мест сужения и пробок);

8) необеспечение однородности раствора по всему стволу скважины и др. [6].

Организационные причины аварий:

1) низкая трудовая дисциплина и квалификация бригады буровых установок и буровых мастеров, выражающиеся в невыполнении или ненадлежащем выполнении своих обязанностей;

2) нерегулярное проведение планово-предупредительного ремонта;

3) невыполнение профилактических мероприятий по предупреждению аварий, простоев и длительных остановок буровых агрегатов;

4) несовершенство диспетчерской службы, отсутствие радиотелефонной связи с объектами, расположенными на отдаленных участках;

5) неудовлетворительное материально-техническое обеспечение;

6) несоответствие режима сменности вахт естественному биологическому ритму жизнедеятельности человека и др.

Геологические причины аварий:

1) нарушение целостности стенок скважин;

2) обстоятельства, не зависящие от исполнителей трудового процесса.

Заключение

С целью дальнейшего исследования аварий, осложнений и браков разработана системная классификация аварий в бурении. В дальнейшем, используя данную классификацию, можно провести математический анализ аварий и осложнений, который позволит прогнозировать и выявлять на ранней стадии возможные нарушения технологического процесса при строительстве скважин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инструкция по классификации, расследованию и учету аварий при бурении скважин на нефть и газ. -М.: ВНИИОЭНГ, 1979. - 26 с.

2. Пустовойтенко И. П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. - М.: Недра, 1988. - 279 с.

3. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности. - М.: Госгортехнадзор России, 1993. - 104 с.

4. Инструкция по техническому расследованию и учету аварий и инцидентов на опасных производственных объектах ОАО «Газпром», подконтрольных госгортехнадзору России / ВРД 39-1.2-054-2002. -М., 2002. - 46 с.

5. Винниченко В. М., Гончаров А. Е., Максименко Н. Н. Предупреждение и ликвидация осложнений и аварий при бурении разведочных скважин. - М.: Недра, 1991. - 170 с.

6. Инструкция по техническому расследованию и учету аварий, не повлекших за собой несчастных случаев, на подконтрольных Госгортехнадзору СССР предприятиях и объектах / Госгортехнадзор СССР. - М., 1985.

Статья поступила в редакцию 28.10.2009

SYSTEM CLASSIFICATION OF FAILURES IN DRILLING

О. А. Shchepetov

The problem of failures classification in drilling is considered in the paper. The following classification signs are used: failure source, object of failure, factors influencing the process of occurrence and liquidation of failures, scales and consequences. Detailed elaboration on various groups of objects of failures is done for the most important sources of failures. The received results can be used in the course of the analysis of emergencies for selecting a way of struggle against failures and complications in drilling.

Key words: system classification, failure, drilling, objects of failures, source of failures, factors influencing the process of failures occurrence.