СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ПОДЖИГА ОТКРЫТОГО ФОНТАНИРОВАНИЯ ГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ
METHOD FOR REMOTE LASER IGNITION OF OPEN GAS WELL GUSHING

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам дистанционного воспламенения потока природного газа (открытого газового фонтана) в условиях аварии на газовых месторождениях.
Одной из наиболее остро стоящих проблем в современной газодобывающей отрасли являются периодически случающиеся аварии. В результате мощного выброса природного газа оборудование скважины зачастую получает сильные повреждения, нарушается герметизация сочленений газового превентора. Природный газ с высокой скоростью истекает в атмосферу под высоким выходным давлением (от 100 атм. и более). Как правило, в подобной ситуации происходит воспламенение газа, возникает пожар, однако, в ряде случаев воспламенения не происходит. Возникает угроза скопления большого количества метана в атмосфере, а также скопление пропана вблизи поверхности земли. Последнее обстоятельство представляет наибольшую опасность возможного объемного взрыва вблизи поверхности земли. Кроме того, на ряде газовых месторождений присутствует сероводород, скопление которого у поверхности земли также представляет опасность, т.к. этот газ ядовит в больших концентрациях. Ввиду указанных обстоятельств, одной из задач аварийно-спасательной службы современной газодобывающей отрасли является максимально оперативное (в течение не более 20 минут с момента аварии) осуществление воспламенения истекающего газа.
Известен способ поджига открытого фонтанирования газовой скважины реализованный в конструкции добывающей скважины месторождения углеводородов [1], выполненный в виде факельной линии, оснащенной автоматическим поджигом добываемого газа.
Недостатком данного способа является прежде всего тот факт, что факельная линия является частью конструкции скважины и в случае аварийной ситуации сама не должна быть повреждена. Между тем, на газовых месторождениях нередко происходит так называемый выброс природного газа, представляющий собой, с учетом высокого пластового давления, мощный газодинамический удар, приводящий к разрушению значительной части конструкции скважины и образованию открытого газового фонтана.
Кроме того, данный способ неприменим в случае аварийной ситуации не на самой газовой скважине, а на участке газопровода.
Известен способ поджига открытого фонтанирования газовой скважины с помощью сигнальных ракетниц [2]. Из ракетницы производится выстрел в зону фонтана, где сигнальная ракета воспламеняет природный газ.
Недостатком данного способа является большой расход боеприпасов и длительное время всей операции, а также опасность, связанная с применением и хранением горючих и взрывчатых веществ. Сигнальная ракета должна попасть в зону фонтана с необходимым для воспламенения соотношением природного газа и окружающего воздуха, что, как правило, не удается выполнить с первого выстрела. Кроме того, для хранения и последующего применения сигнальной ракетницы, необходимо получение специального разрешения, согласно Федеральному закону Российской Федерации «Об оружии» (150-Ф3) 2020.
Известен способ поджига открытого фонтанирования газовой скважины с помощью средства дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов и патрона метательного устройства средства дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов для поджига аварийных выбросов вредных газообразных и горючих веществ на предприятиях нефтехимии и переработки нефти и газа, которое может быть использовано также для поджига выбросов газа и нефти при авариях на скважинах и трубопроводах их месторождений, в том числе для поджигания на этих объектах технологических сбросов [3].
Недостатком способа является опасность, связанная с применением и хранением взрывчатых веществ, большой разброс времен поджига и большой расход боеприпасов из- за невозможности в аварийной обстановке точно определить оптимальное место для прицеливания. Так же, как и в [2], необходимо получение специального разрешения, согласно Федеральному закону Российской Федерации «Об оружии» (150-Ф3) 2020.
Техническим результатом данного изобретения является уменьшение времени аварийного поджига природного газа при увеличении безопасности проведения аварийных работ.
4
2
2
Технический результат достигается способом дистанционного лазерного поджига открытого фонтанирования газовой скважины, при котором поджиг открытого фонтанирования газовой скважины осуществляется тепловым воздействием лазерного излучения на частицы песка, находящиеся в газовом фонтане, интенсивность лазерного излучения задается в диапазоне (1.5÷2)×10 Вт/см, при этом в процессе поджига открытого фонтанирования газовой скважины в автоматическом режиме производится перемещение лазерного луча со скоростью 1 м/с по оси превентора в направлении истечения газа от области среза газового превентора с изменением угла места а в пределах 0÷45°, причем после каждого отрезка движения 1 м следует пауза в движении 18÷20 с. Настоящий способ отличается дистанционным (более 100 метров) лазерным поджигом (воспламенением) открытого газового фонтана. В литературе описаны четыре механизма инициации горения газовой смеси лазерным излучением. Первый - тепловой механизм. Энергия излучения, поглощенная смесью, идет на увеличение температуры смеси. По достижении определенного значения температуры смесь воспламеняется [4-9]. Второй механизм - фотодиссоциация. Поглощение излучения средой приводит к диссоциации какого-либо сорта молекул, что инициирует воспламенение [5, 6]. Третий механизм - лазерная искра, т.е. условия, при которых интенсивности излучения достаточно для возникновения оптического пробоя среды [9]. Четвертый механизм - возбуждение колебательных степеней свободы молекул. В этом случае частью энергии лазерного излучения возбуждаются колебательные степени свободы молекулы, что способствует снижению порога реакции окисления [4]. Следует также отметить, что во всех описанных в литературе механизмах инициации горения газовой смеси лазерным излучением применяется СО-лазер (длина волны 10.6 мкм). Предлагаемый способ основан на принципиально ином механизме воспламенения газовой смеси с помощью лазерного излучения.
На любом месторождении природный газ содержит т.н. механические примеси, в числе которых всегда присутствует песок. Принцип предлагаемого способа состоит в дистанционном лазерном воздействии на частицы песка, находящиеся в газовом фонтане.
На Фиг. 1 представлена схема одного из возможных вариантов реализации способа.
На Фиг. 2 - кинограмма развития воспламенения газового фонтана.
4
2
Фокусирующая система 1 иттербиевого (Yb) волоконного (длина волны 1.07 мкм) лазера фокусирует луч 2 в потоке открытого фонтана 4, истекающего из поврежденного газового превентора 3. Проходя сквозь открытый фонтан, лазерный луч взаимодействует с частицами песка 5. Быстрый разогрев этих частиц в поле лазерного излучения приводит к их тепловому взрыву 6. Однако не каждая разорвавшаяся частица песка в состоянии воспламенить газ. В месте теплового взрыва частицы должно быть соответствующее условию воспламенения соотношение газа и воздуха, а сама частица песка должна обладать достаточной тепловой энергией. Поэтому, для осуществления воспламенения газового фонтана производится лучевое сканирование по оси 7 превентора 3 (перемещение лазерного луча) в автоматическом режиме от области среза газового превентора в направлении истечения газа, к области с необходимым для воспламенения соотношением природного газа и окислителя (воздуха), где и происходит поджиг. При сканировании в автоматическом режиме с интервалом 1 м перемещение луча останавливается с выдерживанием паузы 18÷20 с, после которой перемещение возобновляется. Высота, на которой происходит воспламенение газа, зависит от выходного давления на конкретной газовой скважине. Поэтому изменение угла места а при перемещении лазерного луча со скоростью 1 м/с по оси 7 превентора 3 в направлении истечения газа от области среза газового превентора производится в пределах 0÷45°. При выходной мощности непрерывного Yb лазера 1 кВт и фокусировке излучения в пятно диаметром 2.5÷3 мм среднее по радиальному распределению значение интенсивности в пучке составляет (1.5÷2)×10 Вт/см. На Фиг. 2, а) видны разогреваемые в поле лазерного излучения и разрывающиеся частицы песка вдоль трассы лазерного луча. На Фиг. 2, б) - е) виден процесс развития воспламенения газа.
Описанный способ на базе специализированного мобильного лазерного комплекса с выходной мощностью 1 кВт гарантирует безопасное, дистанционное, оперативное решение задачи поджига открытого газового фонтана.
Источники использованной информации
1. Чернов А.В. и др. Добывающая скважина месторождения углеводородов. Патент РФ №119796 // Изобретения полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2012. - №24.
2. Правила безопасности при эксплуатации конденсатопроводов и магистральных трубопроводов для сжиженных газов. Министерство газовой промышленности. М., 1978 г., с. 87-89
3. Абрамов Ю.Б. и др. Средство дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов и патрон метательного устройства средства дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов. Патент РФ №2317508 // Изобретения полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2008. - №5.
2
4. Старик A.M., Титова Н.С. О возможности интенсификации цепных реакций в горючих смесях при возбуждении электронных состояний молекул О лазерным излучением // Докл. АН РАН. - 2003. - Т.391, №4. - С. 471-477.
5. Tanoff М.А., Smooke M.D., Teets R.E., Sell J.A. Computational and experimental studies of laser-induced thermal ignition in premixed ethylene-oxidizer mixtures // Combust. Flame. - 1995. - V. 103, №4. - P. 253-280.
2
6. Trott W.M. CO-laser-induced deflagration of fuel/oxygen mixture // J. Appl. Phys. - 1983. - V. 54, №1. - P. 118-130.
7. Молин Ю.Н., Панов B.T., Петров A.K. Инфракрасная фотохимия. - Новосибирск: Наука, 1985.
2
2
3
2
3
4
2
3
3
8. Chou М., Zukowsci T.J. Ignition of H/O/NH, H/air/NH and CH/O/NH mixtures by eximer-laser photolysis of NH // Combust. Flame. - 1991. - V.87, №2. - P.191-202.
4
9. Phouc T.X., White F.P. Laser-induced spark ignition of CH/air mixtures // Combust. Flame. - 1999. - V. 119, №3. - P. 203-216.