СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ИЗЛИВОВ ИЗ АВАРИЙНЫХ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
METHOD TO SUPPRESS SPILLS FROM EMERGENCY OIL AND GAS WELLS DURING FIELD DEVELOPMENT

Изобретение относится к области нефтяной промышленности и может быть использовано для ликвидации с помощью отсекающих пробок аварий путем подавления изливов из аварийных нефтяных и газовых скважин при разработке месторождений, расположенных на дне океана, моря, озера, на дневной поверхности или в подземных горных выработках, а также на материковых шельфах.
Основная масса нефтяных месторождений приурочена к купольным геологическим структурам, в которых под большим давлением находятся нефть и газ. Вскрытие этих структур скважинами сопровождается большими трудностями, связанными с разработкой сложных специальных противовыбросовых устройств (превенторов, герметизаторов) и применением специальных растворов, в том числе и утяжеленных.
Из технического уровня известен способ ликвидации аварий на нефтяных скважинах врезкой второго ствола. Обеспечение эффективности работы скважины со вторым стволом обеспечивают путем прогнозирования дебита скважины по нефти и правильного выбора параметров врезки. Предварительное решение о целесообразности врезки второго ствола принимают по величине остаточных извлекаемых запасов, приходящихся на аварийную скважину. После чего определяют направление врезки, смещение второго ствола относительно аварийного с учетом того, что в предполагаемой точке вскрытия вторым стволом пласт должен обладать максимальной нефтенасыщенностью, минимальной обводненностью и пониженным охватом фильтрацией. Привлекают карты состояния разработки, долей остаточных извлекаемых запасов нефти, остаточной нефтенасыщенности, обводненности и фильтрационных потоков. Прогнозируют начальный дебит скважины со вторым стволом и окончательное решение о целесообразности бурения второго ствола принимают, исходя из работы скважины с прогнозным дебитом. Причем для определения прогнозного дебита дополнительно проводят промысловые и лабораторные исследования с построением кривых [патент на изобретение RU №2087670].
Недостатком известного способа являются высокие капитальные затраты на сооружение разгрузочных скважин, сложность и длительность ее сооружения.
Известен также способ глушения глубоких и сверхглубоких скважин и трубопроводов замораживанием аварийного потока продукции скважин путем закачки в них магнитных или электроактивных частиц с наложением внешнего электромагнитного поля, магнитного или электрического, включая закачку магнитных или электроактивных частиц вместе с нефтью, водой, газом или термореактивной смолой, или хладагентом, с отверждением заданной композиции под действием температуры самого глубинного потока, а при необходимости и с наложением внешнего подогрева. Способ позволяет быстро тормозить аварийный поток с электромагнитными частицами в зоне действия магнитного или электрического (электромагнитного) поля или замораживания, или затвердения коллоидно-дисперсной жидкости, или газовзвеси с магнитными частицами в заданном месте порыва, или с образованием «козла» внутри скважины или трубопровода в виде отсекающей пробки, или отверждаемых включений в зоне повышенных температур в стволе скважины при закачке эпоксидно-диановой смолы или мономера с магнитоактивными или электроактивными частицами в виде порошка или коллоидно-дисперсной взвеси или добавками катализатора-отвердителя к мономеру ФАМ бензолсульфокислоты или паратолуолсульфокислоты [патент на изобретение RU №2100567].
К недостаткам способа следует отнести его зауженную функциональную возможность, что исключает его использование при разрыве обсадной трубы под водой.
В известном техническом уровне не обнаружен наиболее близкий аналог(прототип).
Задачей изобретения является разработка оптимального способа подавления нефтяных изливов из аварийных нефтяных и газовых скважин путем формирования в скважине отсекающей пробки.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации заявляемого изобретения, являются:
- Постепенное снижение потока нефти по скважине с его последующим прекращением.
- Создание противодавления на пласт в зоне вскрытия нефтегазового коллектора.
- Обеспечение безопасности технологического процесса.
- Снижение нагрузки на экологическую среду.
Решение вышеуказанной задачи и достижение ожидаемых технических результатов стало возможно благодаря тому, что способ подавления изливов из аварийных нефтяных и газовых скважин при разработке месторождений характеризуется обрезкой поврежденной обсадной колонны скважины и подачей в скважину легко деформирующегося под действием собственного веса дискретного материала с крупностью и удельным весом, при котором обеспечивается падение материала в восходящем потоке нефти или газа, в количестве, достаточном для формирования в скважине отсекающей пробки, обеспечивающей возможность погашения пластового давления нефти или газа и подавления изливов.
В частных примерах выполнения способа отсекающую пробку формируют интервалами, в которых сначала засыпают дискретный материал более крупной фракции, затем последовательно фракции с уменьшающимся размером тел для увеличения гидравлического сопротивления засыпаемого материала, дискретный материал используют в форме тел качения, подачу материала осуществляют через бункер, который дополнительно устанавливают над обрезанной обсадной трубой, после формирования отсекающей пробки бункер заполняют твердеющим раствором, а дискретные частицы выполняют или из однородного материала, или из композиционных материалов.
Изобретательским шагом является подача в аварийную скважину легко деформирующихся под собственным весом дисперсного материала с высоким удельным весом частиц материала в количестве, достаточном для создания в скважине отсекающей пробки в форме столба материала высотой h, обеспечивающего погашение пластового давления нефти. Высота столба h определяется из условия
,
3
где ρ - плотность материала шаров, кг/м;
ж
3
ρ - плотность нефти, кг/м;
H
H - гидростатическое давление нефтяного пласта, м;
n - пористость среды, образованной заполняющим материалом.
Расчетная величина столба материала в скважине фактически будет меньше, так как засыпаемые дискретные тела выполнены из легко деформирующегося материала (например свинца, который характеризуется большим удельным весом и высокой пластичностью) и по мере увеличения веса отсекающей пробки над нижними интервалами материала дискретные частицы, слагающие материал, деформируются, что приводит к формированию прочной и практически непроницаемой отсекающей пробки. Благоприятным фактором, способствующим деформации материала, является повышенная температура в скважине.
Заявляемый способ иллюстрируют фигуры (для частного примера расположения скважины на материковом шельфе):
На фиг.1 Показана подача материала в аварийную скважину, обрезанная скважина, дискретные частицы заполняющего материала.
На фиг.2 Показана подача материала в аварийную скважину, обрезанная скважина, частицы материала, бункер-накопитель.
Заявляемый способ подавления изливов из аварийной нефтяной (газовой) скважины при разработке месторождения осуществляют следующим образом. Перед началом производства работ обследуют характер повреждений обсадной колонны 1 скважины (фиг.1). Обрезают известными техническими средствами (на фиг. не показаны) поврежденную обсадную колонну 1 ниже повреждения. Монтируют трубопровод 3, направляют его в аварийную скважину (на фиг. не показана) и подают через него в скважину легко деформирующийся под действием собственного веса дискретный материал 4 необходимого размера и удельного веса, обеспечивающих опускание материала 4 в восходящем потоке нефти вниз по аварийной скважине в количестве, достаточном для формирования в ней отсекающей пробки 5, обеспечивающей возможность подавления излива нефти и погашения пластового давления.
В частном примере выполнения при использовании дискретного материала различного фракционного состава сначала засыпают материал более крупной фракции, затем последовательно фракции с уменьшающимся размером частиц для снижения фильтрационных свойств и увеличения гидравлического сопротивления ствола скважины.
Благодаря фракционному формированию отсекающей пробки 5 создают условия, обеспечивающие плавное изменение напряжений в обсадной колонне 1 и исключают опасность в ней концентрированных напряжений, способных вызвать ее разрушение.
В частном примере исполнения способа устанавливают над обрезанным участком обсадной трубы 1 бункер-накопитель 6 (фиг.2) и направляют в него трубопровод 2, через который подают в бункер-накопитель 6 дискретный материал 4, при этом бункер-накопитель используют для замера объема поступающего в скважину материала. После формирования отсекающей пробки 5 и прекращения излива нефти из аварийной скважины заполняют бункер-накопитель твердеющим раствором 5, например цементом, которым после затвердевания закрывают устье скважины, что дополнительно повышает надежность противоаварийных работ, связанных с утечкой нефти из аварийной скважины.
Практическая применимость заявляемого способа показана на следующих смоделированных примерах.
Пример 1.
ш
Аварийная скважина, расположенная на материковом шельфе, отрезана на уровне 1.2-1.5 м от поверхности дна океана. В этом частном примере исполнения способа в качестве дискретного материала для формирования отсекающей пробки в скважину подают свинцовые шары одинакового диаметра d=0.01 м.
Исходные данные, принятые для расчета:
B
Скорость восходящего движения нефти по стволу скважины ν
,
c
где d - диаметр скважины; Q - расход нефти.
Высота столба отсекающей пробки из свинцовых шаров должна удовлетворять условию:
ш
ш
В данном примере в качестве дискретного материала подают свинцовые шары одинакового диаметра d=0.01 м и заполняют ствол скважины на высоту h=1400 м. Диаметр шаров d=0.01 м удовлетворяет условию преодоления противотока нефти и свободного перемещения (без заклинивания) шаров в стволе скважины
,
3
где Q - расход нефти из скважины, м/с;
µ - вязкость нефти, Па·с;
3
ρ - плотность материала шаров, кг/м;
ж
3
ρ - плотность нефти, кг/м;
ш
d - диаметр шаров, м;
c
d - диаметр скважины, м;
2
g - ускорение силы тяжести g=9.81 м/с.
0
ш
ж
Скорость ν падения свинцовых шаров диаметром d, плотностью ρ в покоящейся жидкости с плотностью ρ
.
Диаметр шара, м
Скорость ν<sub>0</sub> (м/с) при вязкости нефти (Па·с)
0.119
0.05
0.027
0.01
0.001
0.05
0.12
0.21
0.57
0.002
0.19
0.46
0.85
2.29
0.004
0.77
1.83
3.39
9.15
0.005
1.20
2.86
5.29
14.29
0.008
3.08
7.32
13.55
36.59
0.01
4.80
11.43
21.17
57.17
0.02
19.22
45.74
84.70
228.68
0
B
Скорость погружения шаров ν=ν-ν=11.43-0.37=11.06 м/с≈11.1 м/с.
При движении нефти по стволу скважины через созданную шарами пористую среду поток будет преодолевать гидравлическое (фильтрационное) сопротивление.
Потери давления на преодоление этого сопротивления ∇Р=Q·Ф, где Ф - гидравлическое сопротивление заполненного шарами ствола скважины; Q - расход нефти.
Фильтрационное сопротивление рассчитывается по зависимости
,
где h - длина ствола скважины, заполненного шарами;
µ - вязкость нефти;
с - коэффициент проницаемости образованного шарами порового пространства;
c
d - диаметр скважины;
S - площадь поперечного сечения скважины.
Ш
Ш
-9
2
Проницаемость пористой среды в стволе скважины при диаметре шаров d=0.01 м составляет с=8·10 м. При длине отсекающей пробки h=1400 м, диаметре скважины 0.2 м, вязкости нефти µ=0.05 Па·с и при диаметре шаров d=0.01 м фильтрационное сопротивление будет
.
Сопротивлением свободного (незаполненного материалом) интервала ствола скважины пренебрегаем ввиду его малости.
Ш
B
B
B
H
8
8
8
8
8
Рассчитаем, какой расход пропустит скважина, заполненная шарами d=0.01 м при пластовом давлении нефти Р=1000 атм=10 Па. Перепад давления на отсекающей пробке будет равен разности между пластовым давлением и давлением столбов воды высотой Н=1500 м и нефти в стволе скважины выше отсекающей пробки L=5000-1400=3600 м: Δр=Р-γ·Н-γL=1.0·10-0.15·10-0.30·10=0.55·10 Па.
.
3
Таким образом, расход излива нефти уменьшился и составляет 1.7% от первоначального расхода 1000 м/сут. Скорость восходящего движения нефти при этом составит .
12
3
8
12
-4
3
3
Если в рассмотренном примере принять, что ствол скважины заполнен шарами по всей глубине, то фильтрационное сопротивление будет Ф=0.99·10 Па·с/м, а расход излива нефти составит Q=0.85·10/0.99·10≈0.86·10 м/с=7.42 м/сут, что составляет 0.74% от первоначального дебита.
сж
р
При расчетах не учитывалась деформация свинцовых шаров под действием собственного веса. В рассматриваемом примере материал в нижней части отсекающей пробки будет находиться под давлением порядка 100 МПа (для свинца пределы прочности на сжатие σ=50 МПа и на растяжение σ=12…13 МПа). При таком давлении за счет собственного веса и высокой пластичности свинцовых шаров они будут деформированы, а пористость и проницаемость спрессованного материала будут практически нулевыми, т.е. скважина будет полностью перекрыта.
ср
c
Среднее время опускания шаров до глубин 3600…5000 м (h=1400 м) составляет t=4300/11.1=6.5 мин, т.е. время сооружения отсекающей пробки будет определяться технологией подачи шаров в скважину. Так, при высоте пробки h=1400 м потребуется подать в скважину диаметром d=0.2 м объем заполняющего материала . Если материал представлен свинцовыми шарами, то масса заполняющего материала составит m=ρV(1-n)=11340·44·0.7≈350000 кг=350 т.
Пример 2.
Исходные данные для этого частного примера исполнения способа примем такими же, как и в примере 1.
3
3
Ш
Ш
В качестве дискретного материала для формирования отсекающей пробки в скважину подают шары плотностью 8300 кг/м (материал, состоящий по объему на 70% из свинца и 30% резины обыкновенной плотностью 1200 кг/м). Шары используются двух фракций: 50% диаметром d=0.01 м и 50% диаметром d=0.005 м. Сначала подают шары диаметром 0.01 м и затем шары диаметром 0.005 м, формируя две зоны, нижняя из которых представлена крупной фракцией, а верхняя - мелкой.
Высота столба отсекающей пробки должна удовлетворять условию:
В силу того, что пористость среды, сложенной шарами одного диаметра, не зависит от размера шаров, а определяется их упаковкой, для нижней и верхней зон принимаем одинаковое значение пористости n=0.3.
H
Ш
B
Ш
В этом случае ствол скважины заполняют на высоту h=1960 м, причем нижний интервал h=980 м заполняют шарами с d=0.01 м, а верхний интервал h=980 м - шарами с d=0.005 м.
Ш
Ш
Диаметр шаров d=0.01 ми d=0.005 м удовлетворяет условию , скорость погружения шаров диаметром 0.01 м составляет 7.75 м/с; скорость погружения шаров диаметром 0.005 м составляет 1.66 м/с.
Ш
Ш
-9
2
-9
2
Проницаемость пористой среды в стволе скважины при диаметре шаров d=0.01 м составляет с=8·10 м; проницаемость при диаметре шаров d=0.005 м составляет с=2.42·10 м.
По зависимости определим фильтрационное сопротивление нижнего и верхнего интервалов отсекающей пробки:
.
.
Суммарное фильтрационное сопротивление отсекающей пробки будет
12
3
12
3
Ф=Ф+Ф=(0.195+0.644)·10 Па·с/м=0.84·10 Па·с/м.
Ш
Ш
8
Рассчитаем, какой расход пропустит скважина, заполненная шарами d=0.01 м (нижний интервал 980 м) и шарами d=0.005 м (верхний интервал 980 м) при пластовом давлении нефти Р=1000 атм=10 Па.
B
B
B
H
8
8
8
8
Перепад давления на отсекающей пробке будет равен разности между пластовым давлением и давлением столбов воды высотой Н=1500 м и нефти в стволе скважины выше отсекающей пробки L=5000-1960=3040 м: Δр=Р-γ·Н-γL=1.0·10-0.15·10-0.26·10=0.59·10 Па.
Ш
Ш
3
т.е. расход излива нефти после заполнения стола скважины шарами из композиционного материала двух фракций (50% диаметром d=0.01 м и 50% диаметром d=0.005 м) уменьшился и составляет 0.6% от первоначального расхода 1000 м/сут.
Скорость восходящего движения нефти в свободном интервале скважины (выше отсекающей пробки) составит
Как видно из смоделированных примеров, заявляемый способ подавления изливов из аварийной нефтяной скважины при разработке месторождения позволяет решить поставленную задачу. Применением заявляемого способа достигаются следующие результаты:
- Плавное снижение потока нефти из аварийной скважины с его последующим прекращением за счет роста гидравлического сопротивления ствола скважины при постепенном увеличении высоты отсекающей пробки. При этом скорость восходящего потока нефти в свободном (незаполненном) интервале скважины постепенно понижается, что позволяет подавать в скважину более мелкие фракции материала с низкой проницаемостью.
- Создание противодавления на пласт в зоне вскрытия нефтегазоносного коллектора за счет веса материала и его уплотнения при деформации под действием собственного веса в нижней части ствола скважины (в зоне вскрытия коллектора) до полного перекрытия скважины.
- Обеспечение безопасности технологического процесса вследствие отсутствия запорной аппаратуры на устье скважины и плавного режима погашения скважины постепенно увеличивающейся отсекающей пробкой. Постепенное формирование отсекающей пробки создает условия, обеспечивающие плавное изменение напряжений в обсадной колонне, и исключают опасность формирования концентрированных напряжений, способных вызвать ее разрушение.
- Снижение нагрузки на экологическую среду за счет уменьшения и полного подавления аварийной утечки нефти.