СПОСОБ ПРЕКРАЩЕНИЯ ИЛИ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ СОКРАЩЕНИЯ НЕКОНТРОЛИРУЕМОГО ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ, ФОНТАНИРОВАНИЯ ИЗ БУРОВОЙ СКВАЖИНЫ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
METHOD OF TERMINATION OR, AT LEAST, REDUCTION OF UNCONTROLLED RELEASE OF HYDROCARBONS, BLOWOUT FROM HYDROCARBONS EXTRACTION BOREHOLE

Настоящая патентная заявка относится к способу прекращения или по меньшей мере сокращения неконтролируемого выделения углеводородов, фонтанирования из буровой скважины для добычи углеводородов.
Даже если этот способ может быть главным образом применен для скважин на морских промыслах, он также может быть использован для континентальных скважин.
Постоянное увеличение мировой потребности в жидких углеводородах привело к росту производственной активности в подводных, или шельфовых, разведочных работах и добыче из морских месторождений.
Условия подводной среды, в дополнение к тому, что делает добычу более затруднительной, создают повышенную опасность нанесения ущерба окружающей среде в случае событий фонтанирования, то есть нерегулируемого выброса углеводородов из продуктивных скважин, и/или других неконтролируемых утечек углеводородов в море, например вследствие разрывов подводной трубопроводной системы.
Эти события, даже будучи редкими, не только вызывают потери в плане энергии, но также могут создавать серьезные последствия в отношении безопасности персонала, загрязнения окружающей среды и расходов на восстановление скважины.
В области морского бурения контроль скважин обеспечивают с помощью столба бурового раствора, который создает гидростатическую нагрузку, которая является достаточной для поддержания разницы между давлением в стволе скважины и внешним давлением на регулируемых значениях.
Этот столб бурового раствора, также известный как первичный барьер управления скважиной, присутствует как внутри ствола скважины, так и в трубопроводе, называемом водоотделяющей колонной, который соединяет буровую установку с морским дном.
Кроме того, на морском дне, в сообщении с устьем скважины, как правило, имеются вторичные устройства контроля скважины, называемые противовыбросовыми превенторами, или ВОР, которые действуют как задвижки и могут перекрывать ствол скважины в случае неконтролируемых утечек текучих сред из самой скважины.
В случае разрушения водоотделяющей колонны, например, с последующей потерей статической нагрузки столба бурового раствора, находящегося в водоотделяющей колонне, которая обычно является более высокой, чем статическая нагрузка воды на морской глубине, происходит перекрывание ВОР. Это действие предотвращает возникновение условий фонтанирования из буровой скважины.
В редких случаях, как правило, вследствие исключительных природных явлений, например таких, как уединенная волна, может случиться аварийный срыв как водоотделяющей колонны, так и ВОР, установленных на дне моря, делая невозможным предотвращение перехода буровой скважины в состояние фонтанирования.
Аналогично, аварийные ситуации неконтролируемых выбросов также могут возникать перед монтажом ВОР.
В случае неконтролируемого выброса из подводной скважины в настоящее время могут использоваться разнообразные способы для восстановления контроля над скважиной, например такие, как перекрывание, каптаж, создание разгрузочной скважины и глушение.
Перекрывание представляет собой не поддающееся регулированию событие, представляющее собой самопроизвольное обрушение скважины в условиях неконтролируемого выброса, что, как правило, имеет место в присутствии обширного участка необсаженного ствола скважины.
Каптаж представляет собой способ закрывания задвижки, широко применяемый при неконтролируемых выбросах на континентальных промыслах, но затруднительный для использования на морских промыслах, особенно на больших глубинах.
Создание разгрузочной скважины в настоящее время является самым надежным и наиболее широко применяемым способом, но предполагает большие затраты времени, порядка месяцев, и чрезвычайно высокие расходы.
Воздействие путем глушения состоит во введении специальной колонны наращиваемых буровых штанг (глушильной колонны) внутрь фонтанирующей скважины, которое позволяет применять традиционные способы глушения, такие как циркуляция утяжеленного бурового раствора, перекрывание с помощью задвижек или надувных пакеров и так далее.
Этот метод в настоящее время может быть применен только в случае неконтролируемых выбросов из подводных скважин на малых глубинах, то есть менее 1000 м, которые обеспечивают возможность действовать в условиях сносной видимости под водой, а также возможность перемещать глушильную колонну относительно легко с помощью буровой установки.
Цель настоящего изобретения состоит в сокращении продолжительности операции для прекращения неконтролируемого выброса (в течение нескольких дней против недель/месяцев, необходимых при современных способах), также преодолении возможных вышеупомянутых недостатков благодаря введению в ствол скважины высокоплотных твердых элементов засыпки, имеющих надлежащие размеры.
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить перекрывание в забое скважины, которое таким образом может также применяться в случаях, в которых целостность скважины не позволяет ни перекрыть устье, ни заглушить ствол скважины нагнетанием бурового раствора из ВОР.
3
3
Способ, как предмет настоящего изобретения, прекращения или по меньшей мере сокращения неконтролируемого выделения углеводородов, фонтанирования из скважины для извлечения углеводородов включает введение высокоплотных твердых элементов засыпки у забоя скважины, через подходящий трубопровод, предпочтительно имеющих плотность выше 7000 кг/м, более предпочтительно выше 10000 кг/м, имеющих многогранную, шаровидную, эллиптическую или параболическую форму, правильную или неправильную, причем наименьший размер составляет более 1 мм, предпочтительно свыше 2,5 мм, и наибольший размер составляет менее 100 мм, предпочтительно менее 50 мм, таким образом, чтобы указанные твердые элементы засыпки при введении накапливались с образованием беспорядочной набивки у забоя буровой скважины, формируя столб, который полностью, или по меньшей мере частично, блокирует неконтролируемое выделение указанных углеводородов.
Твердые элементы засыпки должны состоять из материала или содержать материал, который позволяет достигать высокой плотности, чтобы обеспечивать их оседание даже в условиях предельно высокой величины расхода потока неконтролируемого выброса, среди материалов, которые могут быть использованы, рекомендуются свинец или вольфрам.
Форма вводимых твердых элементов засыпки предпочтительно является шаровидной, более предпочтительно выбирается из сфер, сплюснутых сфероидов (уплощенных сфер) и вытянутых сфероидов (продолговатых сфер) или многогранников, предпочтительно выбранных из кубов и цилиндров.
Очевидно, что в случае как сфер, так и кубов наименьший размер и наибольший размер совпадают, и, следовательно, предпочтительные диапазоны должны соответствовать минимальным и максимальным значениям одного и того же размера.
По меньшей мере часть вводимых твердых элементов засыпки может быть покрыта материалом или содержать материал, набухающий в контакте с жидкостями, которые выделяются во время неконтролируемого выброса, углеводородами или водой, в зависимости от обстоятельств, предпочтительно выбранный из полимера или смолы.
3
3
В этом случае плотность твердого элемента засыпки, покрытого набухающим материалом или содержащего набухающий материал, предпочтительно составляет выше 7000 кг/м, и плотность материала, образующего снабженный покрытием твердый элемент засыпки, без набухающего материала, составляет выше 10000 кг/м. Назначение этого набухающего материала состоит в заполнении при расширении пустых промежутков, остающихся свободными между твердыми элементами засыпки во время самопроизвольной упаковки, и тем самым в прекращении или значительном сокращении неконтролируемого течения углеводородов из ствола скважины.
Эти твердые элементы засыпки с набухающим полимером или смолой могут быть получены разнообразными путями, среди которых:
- нанесение покрытия на отдельные твердые элементы засыпки из слоя расплавленного полимера или в форме латекса, с последующим высушиванием;
- нанесение покрытия на отдельные твердые элементы засыпки из гранулированного набухающего материала, надлежащим образом приклеенного к поверхности твердых элементов засыпки самих по себе;
- получение набухающего полимера или смолы шаровой или иной формы и заполнение их одним или более твердыми элементами засыпки для увеличения их веса.
Техническое решение, альтернативное покрытым твердым элементам засыпки, то есть твердым элементам засыпки, содержащим набухающий материал, может быть достигнуто, например, с помощью оболочек или подобных форм, которые при температуре забоя скважины открываются, высвобождая подходящий полимер, который, в результате полимеризации или набухания, закупоривает промежутки между этими твердыми элементами засыпки.
Набухающие смолу или полимер предпочтительно выбирают из тех, которые чувствительны к присутствию углеводородов. Объемное набухание смолы или полимера предпочтительно может варьировать от 50 до 8000%, в зависимости от использованного продукта и толщины нанесенного слоя.
Эти продукты имеются в продаже на рынке и представляют известную технологию, как и способы нанесения на твердые элементы засыпки (такие как сферы или шарики и т.д.).
Соотношение между введенными твердыми элементами засыпки, как не покрытыми, так и не содержащими набухающие материалы, и введенными твердыми элементами засыпки, покрытыми или содержащими набухающие материалы, предпочтительно выбирают от 5/1 до 1/5.
Поверхность твердых элементов засыпки может быть гладкой или шероховатой, сообразно требованиям к нанесению покрытий или доступности.
Способ согласно настоящему изобретению может быть реализован в скважине любого типа для добычи углеводородов, в частности на скважинах морской добычи, в которых предпочтительно присутствуют вторичные устройства контроля скважины, так называемые противовыбросовые превенторы (BOP).
Подходящий подающий трубопровод для введения твердых элементов засыпки у забойной зоны подводной скважины предпочтительно должен соединять плавучее буровое основание подводной скважины с ВОР у забоя скважины; этот трубопровод может представлять собой:
- трубопровод для обслуживания, присутствующий в стволе подводной скважины;
- новый, специально сооруженный трубопровод;
- саму обсадную колонну.
Жидкость, предпочтительно содержащая воду, возможно, загущенную для повышения вязкости воду с добавлением полимерного загустителя, например карбоксиметилцеллюлозы или ксантановой камеди, может быть закачана в подающий трубопровод или канал для твердых элементов засыпки, с концентрациями, известными в композициях бурильных текучих сред, с величиной расхода потока, которая достаточна для обеспечения того, что твердые элементы засыпки также переносятся в горизонтальные или слегка наклонные секции канала. Как только нагнетаемая жидкость достигает ствола скважины, она переносится вверх фонтанирующими текучими средами.
Твердые элементы засыпки могут быть введены в подающий канал на выходном патрубке насосов, с помощью простых, уже существующих устройств, возможно, оптимизированных для обеспечения автоматической подачи указанных твердых элементов засыпки с предпочтительной частотой по меньшей мере один твердый элемент засыпки в секунду, тем самым сокращая время, необходимое для прекращения неконтролируемого выброса.
В качестве подающих устройств могут быть применены или приспособлены, например, устройства для введения уплотняющих шариков (пластиковых шариков, нагнетаемых с кислотой, которые повышают эффективность стимулирования) в ствол скважины.
Характеристики скважины и потока определяют параметры вмешательства: высоту, столб, число и размер твердых элементов засыпки, тип полимера и толщину, надлежащее чередование твердых элементов засыпки без набухающего материала и твердых элементов засыпки, покрытых набухающим материалом или содержащих его (чередование необходимо для предотвращения, в отсутствие вышележащего груза, всплывания набухших твердых элементов засыпки и подъема вверх в колонне), вязкость и величину расхода потока жидкостного носителя (морской воды).
Из расчетов получается, что даже в отсутствие набухающего полимера или в случае его неэффективности, чтобы обеспечить прекращение неконтролируемого выброса, требуется столб из шариков высотой 50-100 метров, который эквивалентен нескольким десяткам тысяч шариков (в зависимости от диаметра необсаженного ствола скважины и/или обсадной колонны). С другой стороны, когда полимер является эффективным, то, как предусматривается изобретением, эффективно действующий столб может быть уменьшен на порядок величины, доводя число шариков до немногих тысяч и, соответственно, сокращая продолжительность введения.
Операция герметизации ствола скважины с помощью этой системы может быть выполнена с помощью двух схем соединения плавучего бурового основания с ВОР:
- обходным путем через линию глушения;
- сверху прямым вертикальным доступом к ВОР (с использованием верхнего колпака или вставной трубы, которая приводится в действие сдвоенным телеуправляемым подводным аппаратом (ROV)).
Эти способы подачи также могут применяться в случае береговых скважин.
Введение высокоплотных твердых элементов засыпки у забоя скважины предпочтительно может быть выполнено в последовательности по меньшей мере следующих этапов:
- введение высокоплотных твердых элементов засыпки, как не покрытых набухающим материалом, так и не содержащих его, имеющих диаметр менее 5 мм, возможно, в форме разбавленной водой дисперсии, чтобы сформировать первый столб, состоящий из слоя указанных твердых элементов засыпки, имеющего подходящую высоту;
- введение высокоплотных твердых элементов засыпки, покрытых набухающим материалом, имеющих в 5-15 раз большие размеры, чем высокоплотные твердые элементы засыпки, как не покрытые набухающим материалом, так и не содержащие его, введенные на предшествующем этапе, чтобы сформировать второй столб, состоящий из слоя указанных твердых элементов засыпки, имеющего высоту предпочтительно между половиной высоты первого столба и удвоенной высотой первого столба;
- введение высокоплотных твердых элементов засыпки, как не покрытых набухающим материалом, так и не содержащих его, имеющих в 5-15 раз большие размеры, чем введенные ранее высокоплотные твердые элементы засыпки, как не покрытые набухающим материалом, так и не содержащие его, предпочтительно имеющие примерно такие же размеры, как покрытые твердые элементы засыпки, введенные на предшествующем этапе, чтобы сформировать третий столб, состоящий из слоя указанных твердых элементов засыпки, имеющего высоту предпочтительно между половиной высоты первого столба и удвоенной высотой первого столба.
Характеристики и преимущества способа прекращения или по меньшей мере сокращения неконтролируемого выделения углеводородов из скважины согласно настоящему изобретению станут более очевидными из нижеследующего иллюстративного и неограничивающего описания, с привлечением сопроводительных схематических чертежей, в которых:
- фигура 1 представляет схематическое изображение возможного варианта исполнения, включающего морскую буровую скважину (Р) в условиях неконтролируемого выброса; судно (N) для вмешательства в ситуацию, которое также может совпадать с установкой, используемой для бурения скважины, оборудованное нагнетательными устройствами согласно фигурам 4 и 5, устройствами для хранения твердых элементов засыпки и подающими трубопроводами (L) для подачи тяжелых твердых элементов засыпки в ствол скважины;
- фигура 2 представляет подробности возможного пути тяжелых элементов засыпки через имеющиеся задвижки и каналы, где стрелки указывают возможные пути твердых элементов засыпки через подающие трубопроводы в ствол скважины (Р);
- фигура 3 схематически показывает возможный вариант исполнения системы подачи тяжелых твердых элементов засыпки, имеющих малые размеры (показательно имеющих максимальный диаметр не более 3 мм), причем твердые элементы засыпки накапливаются в бункере (Т) и смешиваются в резервуаре (S) с текучей средой (F), чтобы сформировать суспензию (D), нагнетаемую в линию подачи (L) насосом (P);
- фигура 4 схематически показывает устройство подачи твердых элементов засыпки, имеющих более крупный размер, то есть таких, которые не способны непосредственно проходить в нагнетательный насос, причем твердые элементы засыпки накапливаются в подходящем контейнере и вводятся в устройство (А), которое, с помощью специальной системы (V) задвижек, вводит каждый твердый элемент засыпки в текучую среду (F), которая протекает в трубопроводах (L);
- фигура 5 представляет напластование тяжелых твердых элементов засыпки, постепенно введенных в ствол скважины, применимых для достижения заявленных в настоящем изобретении целей, то есть для постепенного сокращения величины расхода потока углеводородов, выделяющихся в окружающую среду, вплоть до полного прекращения течения, причем (А) представляет первый слой непокрытых твердых элементов засыпки, имеющих малые размеры, вводимых до тех пор, пока не будет превышен продуктивный горизонт и не будет наблюдаться снижение величины расхода потока неконтролируемого выброса, (В) представляет второй слой твердых элементов засыпки, имеющих более крупные размеры, покрытых набухающей смолой, (С) представляет третий слой твердых элементов засыпки, имеющих более крупные размеры, не покрытых смолой.
Форма твердых элементов засыпки, показанная сферической, является сугубо графической, поскольку также могут быть другие формы, как уже было указано в тексте.
Ниже представлен один вариант исполнения заявленного способа, который не следует рассматривать как ограничивающий область пунктов патентной формулы.
Пример
Возможный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фигуры 1 и 2, относящиеся к неконтролируемому потоку углеводородов из береговой скважины, представлен последовательностью выполнения следующих операций.
3
3
3
(А) Высокоплотные твердые элементы засыпки, не покрытые смолой и имеющие малый диаметр (<3 мм), в форме разбавленной дисперсии сфер в воде, вводят через трубопроводы (L), имеющие внутренний диаметр 3 дюйма (76,2 мм) (фигура 2), которые соединяют судно с подводным ВОР. Как только эти твердые элементы засыпки достигают внутренности ствола скважины, они падают в противотоке, пока не достигнут забоя скважины, тогда как вода, которая является для них носителем, следует за потоком углеводородов и выходит из самой скважины. Величина расхода нагнетаемого потока этой дисперсии твердых элементов засыпки является такой, чтобы получалась скорость около 5 м/сек в 3-дюймовых (76,2 мм) трубопроводах. Твердые элементы засыпки диспергированы в воде с низкой объемной концентрацией, равной примерно 2,5%, и нагнетаются с помощью устройств, иллюстрированных на фигуре 3 или на фигуре 4. Эта операция нагнетания продолжается до тех пор, пока не будет зарегистрировано явное снижение величины расхода потока подводного неконтролируемого выброса. Например, можно ожидать, что это снижение потребует формирования слоя твердых элементов засыпки, имеющего высоту, равную примерно 60 метрам, то есть равную приблизительно 1 м диспергированных твердых элементов засыпки. При установленной концентрации твердых элементов засыпки на уровне 2,5% этот объем был бы получен нагнетанием в скважину приблизительно 40 м дисперсии. Однако следует заметить, что положение продуктивного горизонта, из которого выделяются углеводороды, не известно и может отличаться от положения, находящегося у забоя скважины. Поэтому в качестве примера со ссылкой на фигуру 5, допускается, что должен быть сформирован столб (А) твердых элементов засыпки, равный 240 м, прежде чем достигнет продуктивного горизонта, и что дополнительные 60 м твердых элементов засыпки должны быть накоплены выше этого горизонта, чтобы получить заметное снижение величины расхода потока неконтролируемого выброса. Поэтому в совокупности должны быть введены 5 м дисперсии, чтобы получить слой твердых элементов засыпки, обозначаемый (А). Выполнение этой операции потребует около 3 часов.
(В) Слой (В) высотой 20 м из твердых элементов засыпки, покрытых набухающей смолой, имеющих более крупный размер, чем твердые элементы засыпки этапа (А), нагнетают над слоем мелких непокрытых твердых элементов засыпки, созданным на предшествующем этапе (А). Эти твердые элементы засыпки вводят с помощью устройства, иллюстрированного в фигуре 4. В качестве примера предполагается, что частота введения этих покрытых твердых элементов засыпки равна примерно 10 твердым элементам засыпки/секунду. Этот поток твердых элементов засыпки проводится через подводящие 3-дюймовые (76,2 мм) трубопроводы с такой величиной расхода потока воды, какая использована на этапе (А). Если считать вес каждого твердого элемента засыпки равным примерно 35 граммам, эта операция потребует введения около 250000 твердых элементов засыпки в ствол скважины и продолжительности операции около 3 часов.
(С) После нагнетания покрытых твердых элементов засыпки следует нагнетание в скважину слоя (С), имеющего высоту 40 м и состоящего из непокрытых твердых элементов засыпки тех же размеров и формы, как на этапе (В), и с использованием такого же оборудования. Следуя такому же анализу, как на этапе (В), это нагнетание потребует около 6 часов.
(D) В целом, формирование трех слоев твердых элементов засыпки, из которых один составлен покрытыми набухающей смолой твердыми элементами засыпки и два состоят из непокрытых твердых элементов засыпки, потребует около 12 часов и ведет к значительному снижению течения углеводородов, выходящих из ствола скважины. В последующие 24-36 часов набухание смолы, присутствующей в промежуточном слое, ведет к полному перекрыванию прохода углеводородов через поры, тем самым обеспечивая полное прекращение неконтролируемого выброса.
Следует отметить, что этот эффект полного прекращения тем самым достигается в течение периода 36-48 часов после начала операций нагнетания твердых элементов засыпки, тогда как значительное сокращение величины расхода потока неконтролируемого выброса может быть получено уже через 6 часов после начала операций.
Твердые элементы засыпки, покрытые набухающей смолой, могут быть получены погружением в латекс из смолы, диспергированный в воде, и последующим высушиванием, возможно, при температуре, подходящей для вулканизации такой смолы, к которой был предварительно добавлен вулканизатор. Результатом этой операции вулканизации является предотвращение растворения смолы в углеводородах, являющегося возможным негативным следствием возобновления течения углеводородов из скважины, и задержка набухания смолы, чтобы получить обнаруживаемые эффекты примерно через 12 часов после первого контакта смолы с углеводородами.