СПОСОБ КОНСЕРВАЦИИ УСТЬЯ АВАРИЙНО ФОНТАНИРУЮЩЕЙ ГЛУБОКОВОДНОЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO PRESERVE HEAD OF EMERGENCY BLOWING DEEP-WATER OIL AND GAS WELL AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к технике ликвидации аварий при бурении и эксплуатации нефтегазовых скважин, в частности подводных, расположенных на морском шельфе на большой глубине.
При возникновении аварийного фонтана общепринят следующий порядок его ликвидации: срочно принимать меры для оборудования устья скважины для герметизации, после герметизации устья создать пробку в стволе скважины путем закачки жидкости, при угрозе грифонов пробурить мелкие разгрузочные скважины, при неэффективности указанных мер на устье скважины следует пробурить наклонные скважины с последующим задавливанием жидкостью фонтанирующей скважины через новые скважины или путем внутрискважинного взрыва обрушить породы в фонтанирующую скважину или организовать отвод флюида через вновь пробуренные скважины с последующим проведением работ по задавливанию фонтанирующей скважины [И.П.Пустовойтенко, А.П.Сельващук. Справочник мастера по сложным буровым работам. Изд-е 3. М.: Недра, 1983, С.57-58].
К радикальным способам ликвидации аварийно фонтанирующей скважины относят идею сдвига продуктивных геологических пластов, питающих аварийную скважину путем бурения наклонной скважины и проведения направленного ядерного взрыва. Для ликвидации скважин, расположенных на шельфе, способ не применялся из-за угрозы цунами и радиоактивного заражения региона [«Атомным взрывом заглушить нефтяную скважину в Мексиканском заливе нельзя из-за запретов» / http://trend.az/regions/world/usa/1681651.html - Время обращения 28.05.2010 20:46].
Компания British Petroleum при попытках ликвидации утечек нефти из скважины поврежденной платформы Deepwater Horizon указанные классические способы ликвидации фонтана дополнила способом внетрубного улавливания нефтесборным куполом нефти вблизи мест утечек с последующей перекачкой собранной нефти в танкер [«British Petroleum о катастрофе в Мексиканском заливе: «Переходим к планам С, Д, Е и F» / http://msk.kp.ru/daily/24488/643739/ - Время обращения 13.05.2010 13:20]. При этом использовано устройство в виде воронки, опускаемой на дно над местом фонтанирования. При этом использовали вариант устройства в виде изготовленного из металла полого купола прямоугольной формы высотой 12 м и массой 98 т, открытый снизу и имеющий в верхней части шлюз - соединение с трубопроводной системой откачки утечки нефти. С помощью роботов - манипуляторов купол устанавливали над местом утечек из поврежденных участков стояка, соединявшего устье скважины и плавучую платформу.
Недостатком устройства является его временное использование для частичного улавливания уже выброшенных в море объемов нефти на удалении от места утечки, что приводит к интенсификации процесса гидратообразования вытекающего флюида под влиянием дроссель-эффекта, т.е. снижения температуры флюида, пропорционального перепаду давления флюида в трубе и окружающей среды, что неизбежно при сбросе рабочего давления в трубе [«ВВС Russian «BP: в процессе установки воронки возникли проблемы» - Время обращения 13.05.2010.12:49/ http://www.bbc.co.uk/russian/international/2010/05/100509_containment_boxproblem.shtml].
Устройство оказалось неработоспособным и отклонилось от мест утечек под напором кристаллогидратов [«Утопленник BP всплыл -Константин Ранке - Блоггеры - Slon.ru http://slon.ru/blogs/kranks/post/370729 - Время обращения 13.05.2010.14:03]. Недостатком устройства является его временный характер: только для сбора части утечек нефти, но не для консервации устья поврежденной скважины.
Известен способ консервации аварийной скважины путем цементирования ствола разрушенной нефтяной скважины [Вести Ru: «ВР начала цементировать разрушенную скважину в Мексиканском заливе» / http://www.vesti.ru/doc.html?id=363321 - Время обращения 27.05.2010 13:43] одним из 4 вариантов: через дополнительную скважину, пробуренную в пласте, питающем газопроявления вблизи аварийной скважины [«ВР» бурит вторую скважину для откачки нефти / http://news.liga.net/news/N 1014393.html - Время обращения 18.05.2010.8:54]; через обрушенный стояк, лежащий на дне залива вблизи аварийного устья; через сохранившиеся каналы противофонтанного оборудования [Вариант ВР «убить сверху»], т.е. путем закачки тяжелого бурового раствора в головное отверстие - устье скважины. Закачка 5 млн л раствора со скоростью 10 т утяжеленного раствора в минуту под давлением свыше 30000 гидравлических лошадиных сил оказалась безуспешной [Top kill procedure/Gulf of response /ВР http://www.5-tv.ru/news/29448 - Время обращения 27.05. 2010 20:29].
Известен способ консервации устья аварийной скважины путем накрытия ее разъемным цилиндрическим устройством типа "саркофаг", нижняя часть которого вместе со стволом фонтанирующей скважины монтируется в бетонную площадку, сооружаемую на дне вокруг устройства, после чего внутренняя часть цилиндрического устройства заполняется быстротвердеющим раствором, противодавлением закачиваемых растворов, заглушающим фонтанирующую скважину вместе с устьем утечки [http://video/yandex.net/embed.xml?plaver=http%3A%2F%2Fflv.vid «Пять способов ликвидировать утечку в Мексиканском заливе»: 00:45-00:50 - Время обращения 05.06.2010 15:42].
Этот способ и устройство приняты за прототипы заявляемых технических решений.
Недостатком указанного способа и устройства является игнорирование влияния высокой кинетической энергии фонтанирующей струи, исключающей возможность ее подавления гидравлическими способами. Кроме того, экстренное бетонирование площадки вокруг саркофага требует времени, что затруднено на больших глубинах.
Техническим результатом заявляемого технического решения является консервация устья фонтанирующей скважины устройством типа саркофага и уменьшение последствий экологической катастрофы, связанной с неконтролируемыми утечками нефтепродуктов из зон повреждения устья скважины, путем сокращения времени герметизации устья фонтанирующей скважины и пользования кинетической энергии струи для герметизации выходного отверстия саркофага.
Техническая задача решается тем, что в известном способе консервации устья аварийно фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины путем изоляции ее от окружающей среды посредством накрытия устройством типа "саркофаг" с цементированием основания саркофага в грунт и заполнением вязкими быстротвердеющими растворами его внутренней полости, приводящими к герметизации выходного отверстия саркофага противодавлением напора истекающей струи флюида скважины повышенным давлением подаваемых струй герметизирующего раствора, согласно изобретению перед началом бурения на шельфе вокруг каждой скважины формируют площадку с вмонтированным в нее якорным устройством для закрепления к нему днища саркофага при возникновении аварийной ситуации, при этом после наведения на устье аварийной скважины саркофага производят закрепление саркофага к якорному устройству и заполнение полости саркофага вязкими быстротвердеющими растворами, причем герметизацию выходного отверстия саркофага производят посредством замыкания дистанционно управляемым тарельчатым клапаном, встроенным в стенку саркофага и прижимаемым кинетической энергией фонтанирующей струи изнутри саркофага к выходному отверстию саркофага.
При этом устройство типа "саркофаг", реализующее способ консервации устья аварийно фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины, имеет полый цилиндрический корпус, верхнее отверстие которого фланцевыми соединениями взаимосвязано с трубопроводной системой, размещенной на плавсредствах ликвидации аварии, а корпус устройства в нижней части имеет приспособление для закрепления в площадку дна шельфа вокруг устья аварийно фонтанирующей скважины согласно изобретению имеет тарельчатый клапан, встроенный в стенку саркофага вблизи выходного отверстия саркофага, по форме конгруэнтный седлу клапана, совмещенного с выходным отверстием саркофага, и имеющий дистанционно управляемый механизм выталкивания тарелки клапана в направлении фонтанирующей струи скважинного флюида, при этом в нижней части полый цилиндр саркофага оснащен фиксаторами-механизмами присоединения к выступающему над зацементированной площадкой вокруг обсадной колонны якорному кольцу, жестко соединенному с якорным элементом, вмонтированным в площадку вокруг обсадной колонны фонтанирующей скважины; при этом фланцевое соединение с трубопроводной системой, используемой для заполнения полости саркофага вязкими быстротвердеющими растворами, расположено в нижне-боковой части саркофага.
Конструкция устройства консервации устья аварийно фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины типа "саркофаг", используемая для реализации способа консервации устья аварийно фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины, изображена на чертеже.
Устройство консервации устья открыто фонтанирующей глубоководной скважины типа "саркофаг" включает полый цилиндрический корпус 1, внутренние размеры которого превышают размеры сохранившегося оборудования 2 устья скважины, причем центральный осевой канал 3 устройства совпадает с осью фонтанирующей струи 4, при этом верхнее выходное отверстие 5 устройства имеет форму седла 6, встроенного в выходное отверстие 5 и по конфигурации совпадающее с тарельчатым клапаном 7, встроенным изнутри в стенку устройства; при этом с наружной поверхности верхней части устройства размещен дистанционно управляемый подпружиненный механизм 8 с элементом выталкивания тарельчатого клапана 7 в направлении оси фонтанирующей струи 4; при этом нижняя часть 9 саркофага оснащена фиксаторами 10 крепления к якорному кольцу 11, выступающему над бетонированной площадкой 12 вокруг обсадной колонны 13 аварийно фонтанирующей скважины, причем якорное кольцо 11 жестко соединено с якорным элементом 14, замурованным в бетонированной площадке 12 и служащим для нивелирования гидравлического удара, неизбежного при замыкании тарельчатого клапана 7 и герметизирующего верхнее отверстие 5 саркофага; при этом полый корпус 1 саркофага в нижне-боковых отделах снабжен фланцевым соединением 15, с трубопроводной системой 16, используемой для подачи в полость саркофага вязких цементирующих быстротвердеющих растворов с плавсредств по ликвидации аварии (не показаны).
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
1. Способ применим только после предварительного удаления обрушенной арматуры устья аварийной скважины, то есть после обрезания невертикально расположенных участков буровых труб, обрушенного стояка или элементов буровой платформы, способных помешать строго вертикальному наведению устройства сверху вниз на фонтанирующую струю в зоне ее дестабилизации, то есть на тот участок фонтанирующей струи, в котором ламинарное надустьевое истечение флюида теряет свойство непересекаемости. По нашим данным (Герасимов Е.М. Гигиена труда при выполнении работ с опасными и особо вредными условиями труда на месторождениях природных газов с высоким содержанием серосоединий. Том 3 Аварийный газовый фонтан. Проблемы и пути их решения. Эксперименты на управляемой модели. - Оренбург, 2004, 204 с ISBN 5-7410-0276-5), этот участок зависит от величины устьевого давления струи и может составлять несколько десятков метров. Поднимая и опуская устройство - саркофаг подъемными механизмами на 10-20 м вверх-вниз, можно добиться совпадений осевых каналов струи 4 и полости 3 устройства, что обеспечит дальнейшее самонаведение устройства на устье 2 фонтанирующей скважины. Дальнейшая работа по консервации устья аварийно фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины возможна только после выполнения этого условия.
2. Полый корпус 1 устройства, нанизанный как кольцо на стержень сверху-вниз на ламинарный непересекаемый участок струи, автоматически вмещает в свою полость весь участок устьевого оборудования 2 и участок обсадной колонны 13, выступающие над бетонированной площадкой 12 дна шельфа зоны расположения скважины. При этом центровке наводимого саркофага помогает (делает неизбежной) ламинарный участок фонтанирующей струи, истекающий через верхнее отверстие 5 устройства. При этом происходит прекращение самостоятельного движения вниз устройства герметизации типа "саркофаг", заторможенное при контакте фиксаторов 10 с якорным кольцом 11.
3. Следующий этап заявляемого способа консервации устья аварийно фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины - заполнение полого корпуса 1 устройства вязкими быстротвердеющими растворами через шлюз 15 по трубопроводной системе 16 - предназначен для усиления фиксации саркофага к устью скважины путем адгезии массы раствора с элементами устья 2 скважины и внутренней поверхностью полого корпуса 1 саркофага, при этом избыток раствора, подаваемого через шлюз 15, просачиваясь вниз через неплотности переднего (нижнего) участка устройства, контактирует с якорными элементами 11, 14, способствуя армированию зоны утечек и фиксации нижней части 9 полого корпуса 1 саркофага к площадке 14 дна шельфа места расположения аварийной скважины. По мере заполнения полого корпуса 1 устройства уровень заполнения полости устройства вязкой массой приближается к устью фонтанирующей струи и начинает выбрасываться струей из полости корпуса 1 устройства. Весь период заполнения полости корпуса 1 устройства верхнее отверстие 5 устройства остается открытым, то есть утечка продолжается и должна продолжаться весь период закачки цементирующих растворов через шлюз 15, сообразуясь как с объемами необходимой закачки растворов, так и с расчетной скоростью затвердевания нагнетаемых растворов. Данный этап реализации способа может быть исключен из процедуры консервации при малых дебитах утечки, то есть при уверенности, что при перекрытии выходного отверстия 5 полого корпуса 1 устройство не будет сброшено кинетической энергией фонтанирующей струи и запас прочности фиксирующих устройств 10 достаточен для удержания на месте устройства консервации устья скважины.
4. Следующий этап реализации заявляемого способа консервации устья аварийно фонтанирующей скважины состоит в перекрытии тарельчатым клапаном 7 верхнего отверстия 5 полого корпуса 1 саркофага. Принимается в расчет, что выполнены все предварительные этапы усиления фиксации наведенного устройства к элементам устья 2 фонтанирующей скважины. По команде руководителя операции, поступившей на дистанционный блок управления 8, высвобождается тарельчатый клапан 7, ранее встроенный в стенку устройства. Используя кинетическую мощь струи, даже незначительное выдвигание пластины клапана из ниши неизбежно приведет к его движению в сторону седла клапана 6, встроенного в выходное отверстие 5 полого корпуса 1 саркофага и закрытию выхода флюида в окружающую акваторию.
Все параметры саркофага, включая массу и размеры внутреннего объема устройства, должны быть гармонизированы с мощностью кинетической струи утечки, зависящей от величины фактического пластового давления, и с размерами устьевого оборудования, сохранившегося на момент начала проведения операции по консервации устья скважины. Иными словами, с целью сокращения ущерба от возможных аварий на глубоководных нефтегазовых скважинах до начала бурения необходимо включать в проект разбуривания месторождений расчет и изготовление дежурных устройств герметизации и консервации устья при возникновении непредвиденного случая, в том числе расчет запаса вяжущих цементирующих растворов. При выполнении указанных условий заявляемый способ может обеспечить герметизацию и консервацию устья фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины буквально за несколько суток.
Учитывая повышенную взрывоопасность проведения операции консервации, связанной с активными газопроявлениями из-за растворимости кристаллогидратов - составной части флюидов утечки, зона проведения работ должна быть оборудована факельным устройством дожигания, размещенным либо на сигнальном буе - индикаторе места аварии либо на плавсредстве, с которого проводятся работы по установлению саркофага.
Авария в Мексиканском заливе на платформе Deepwater Horizon показала, что фактор времени и отсутствие заранее заготовленных радикальных технических решений играет определяющую роль в масштабах техногенной катастрофы. В этой связи в рамках практической реализации заявляемого способа и внедрения заявляемого устройства считаю необходимым включить требование введения в проекты бурения любых скважин на шельфе проведение предварительных противоаварийных мероприятий. В частности, заявляю необходимость до начала глубинного бурения требовать оборудования специальной площадки на дне шельфа вокруг устья скважины, параллельно с установкой многоступенчатых противофонтанных устройств, противоаварийных клапанов и превентеров.
Таким образом, способ консервации устья аварийно фонтанирующей глубоководной нефтегазовой скважины устройством типа "саркофаг" в указанном доаварийном варианте реализуется следующим образом: в площадку 12 вокруг обсадной колонны скважины 13 перед началом глубинного бурения, т.е. вне связи с аварийной ситуацией, вмонтируют массивный якорный элемент 14, соединенный упорами с якорным кольцом 11, выступающим над поверхностью площадки 12 и предназначенным для соединения со средствами фиксации 10 полого корпуса 1 устройства герметизации при его использовании при возникновении аварийной ситуации.
Указанный способ оборудования площадки 12 якорными элементами 11-14 позволит при возникновении аварийного фонтанирования существенно сократить время фонтанирования скважины, создаст условия для быстрого наведения на аварийное устье заранее изготовленного устройства консервации типа саркофага заявляемой конструкции и предотвратит развитие экологической катастрофы. Следует учесть, что ежедневный ущерб от техногенной катастрофы в Мексиканском заливе составлял более 10,0 млн долларов.