Что такое выброс при бурении нефти? Объяснение причин, последствий и профилактики

A выброс при бурении нефтяных скважин Это неконтролируемый выброс сырой нефти, природного газа или других пластовых флюидов из скважины на поверхность, происходящий, когда скважинное давление превышает способность системы управления стволом скважины его сдерживать. Это наиболее опасный и дорогостоящий тип отказа управления скважиной в нефтяной промышленности, способный привести к немедленной гибели людей, катастрофическим пожарам, долгосрочному загрязнению окружающей среды и экономическим потерям, измеряемым миллиардами долларов.

Термин «выброс» описывает конкретный режим отказа: не просто утечку или разлив, а внезапное, мощное и неконтролируемое вытеснение подземных флюидов, вызванное пластовым давлением. В функционирующей скважине вес бурового раствора (раствора) в стволе скважины уравновешивает естественное давление нефти и газа в горной породе ниже. Когда этот баланс нарушается — будь то из-за человеческой ошибки, неисправности оборудования или непредвиденных геологических условий — пластовое давление побеждает, и происходит выброс.

По данным Международной ассоциации буровых подрядчиков (IADC), в мировой нефтегазовой отрасли в среднем зафиксировано От 20 до 40 серьезных инцидентов в сфере контроля скважин в год в течение десятилетия, предшествовавшего 2020 году, причем полные выбросы представляют собой наиболее серьезную часть этих событий. Хотя крупные выбросы статистически редки по сравнению с общим количеством скважин, пробуренных каждый год во всем мире (по данным Управления энергетической информации США, в мире около 60 000 новых скважин в год), их последствия, когда они происходят, непропорционально серьезны.

В этой статье объясняется, что такое выброс масла находится на механическом и геологическом уровне, что их вызывает, как отрасль работает над их предотвращением и что происходит, когда предотвращение не дает результатов, — иллюстрируется конкретными историческими примерами, которые сформировали современную практику управления скважинами.

Как происходит выброс при бурении нефти: механика

Ан выброс нефтяной скважины является результатом дисбаланса давления в стволе скважины, а именно ситуации, когда поровое давление пласта превышает как гидростатическое давление столба бурового раствора, так и вторичное сдерживание, обеспечиваемое стопкой противовыбросовых превенторов (ПВП).

В нормальных условиях бурения баланс давления в стволе скважины работает следующим образом:

• Пластовое давление: Естественное давление флюидов (нефти, газа, воды), запертых в порах и трещинах породы-коллектора. В глубоких морских скважинах это давление может превышать 20 000 фунтов на квадратный дюйм (фунтов на квадратный дюйм).
• Гидростатическое давление бурового раствора: Вес столба бурового раствора в стволе скважины оказывает давление вниз на пласт, противодействуя поровому давлению. Бурильщики корректируют плотность бурового раствора (измеряется в фунтах на галлон, фунтах на галлон), чтобы поддерживать небольшой перевес — обычно на 100–200 фунтов на квадратный дюйм выше пластового давления.
• Механические барьеры ствола скважины: Стальная обсадная колонна, цементированная в ствол скважины через определенные промежутки времени, обеспечивает структурную герметизацию, а блок противовыбросовых превенторов на поверхности обеспечивает окончательный механический барьер против неконтролируемого потока.

A выброс происходит, когда эта система выходит из строя последовательно:

1. Удар происходит: Пластовые флюиды попадают в ствол скважины, поскольку масса бурового раствора недостаточна для выдерживания порового давления. Удар — это еще не удар — это предупредительный знак. Бурильщики обнаруживают выбросы, отслеживая возврат бурового раствора: неожиданное увеличение объема буровой ямы означает приток пластовой жидкости.
2. Удар не обнаружен или не распространен вовремя: Если приток газа или нефти не распознается быстро и скважина не закрывается (закрывается) с использованием противовыбросового превентора, более легкие пластовые флюиды поднимаются в стволе скважины, снижая гидростатическое давление столба бурового раствора по мере их подъема, создавая самоусиливающийся цикл снижения давления и дальнейшего притока.
3. Превентор не в состоянии сдержать скважину: Либо BOP не активирован, активируется слишком поздно или механически выходит из строя. После выхода из строя противовыбросового превентора или его обхода барьера между пластовым давлением и поверхностью не остается.
4. Выброс происходит: Пластовые жидкости достигают поверхности при полном пластовом давлении, выбрасывая буровой раствор, оборудование и самих себя в атмосферу или, в морских скважинах, в океан.

Скорость этой последовательности может вызывать тревогу. Согласно данным Международного форума по управлению скважинами (IWCF), выброс глубоководной скважины, который не обнаруживается в течение нескольких минут, может перерасти в полный выброс менее чем за 30 минут.

Что вызывает выброс нефтяной скважины?

Выбросы нефтяных скважин вызваны сочетанием геологических, механических и человеческих факторов — и в большинстве задокументированных крупных выбросов расследование обнаруживает сбои на нескольких уровнях, а не одну причину. Всесторонний анализ аварийных ситуаций, проведенный Комитетом по контролю за скважинами IADC, выявил следующие основные факторы, способствующие этому:

Таблица 1. Основные причины выбросов нефтяных скважин и их частота при расследовании инцидентов (Источник: данные Комитета по контролю скважин Международной ассоциации буровых подрядчиков)

Поверхностные и подземные выбросы

Не все выброс нефтяной скважиныs достичь поверхности. Ан подземный выброс происходит, когда пластовые флюиды мигрируют из зоны высокого давления в зону низкого давления через затрубное пространство между обсадной колонной и пластом, не достигая устья скважины. Подземные выбросы труднее обнаружить, но они могут структурно дестабилизировать ствол скважины и вызвать загрязнение подземной окружающей среды.

A поверхностный выброс — более распространенный тип — создает впечатляющее изображение гейзера нефти, газа, грязи и мусора, вырывающегося из устья скважины, часто перерастающего в колодезный пожар, который может гореть в течение нескольких дней, недель или месяцев.

Каковы последствия выброса нефтяной скважины?

Последствия выброс нефти охватывают четыре взаимосвязанные области — безопасность человека, ущерб окружающей среде, экономические потери и реагирование регулирующих органов — и в случае крупных инцидентов все четыре являются серьезными одновременно.

Безопасность человека

Выбросы являются основной причиной смертности при буровых работах. При взрыве скважины и возгорании газа возникающий в результате взрыв и пожар могут быть мгновенными и фатальными для персонала, находящегося в непосредственной близости от взрыва. По данным Совета по расследованию химической безопасности и опасностей США (CSB), в результате первого взрыва в результате катастрофы Deepwater Horizon в 2010 году погибло 11 рабочих. Это событие остается самой смертоносной аварией при бурении на море в истории США. Даже невоспламеняющиеся выбросы представляют непосредственную опасность из-за кинетической энергии выброшенных обломков, токсичности сероводорода (H2S) и разрушения конструкции бурового оборудования.

Воздействие на окружающую среду

Выбросы нефти являются одними из крупнейших случаев серьезного загрязнения окружающей среды в истории промышленности. По оценкам, в результате выброса Deepwater Horizon в 2010 г. 4,9 миллиона баррелей (около 210 миллионов галлонов) сырой нефти в Мексиканский залив до того, как скважина была закрыта 87 дней спустя, по данным Технической группы США по дебиту. Разлив загрязнил примерно 1300 миль береговой линии США, погиб примерно 1 миллион морских птиц и более 100 000 морских млекопитающих, а также нанес ущерб экосистеме, документально подтвержденный более десяти лет спустя (Национальное управление океанических и атмосферных исследований, 2020).

Наземные выбросы приводят к концентрированному загрязнению почвы и грунтовых вод на буровой площадке, а побочные продукты нефтяных пожаров — сажа, диоксид серы и летучие органические соединения — оказывают значительное воздействие на качество воздуха в окружающем регионе. Пожары на нефтяных скважинах в Кувейте в 1991 году, спровоцированные преднамеренным саботажем во время войны в Персидском заливе, привели к выбросам примерно 1,5 миллиарда баррелей нефтяного эквивалента По данным Геологической службы США, в дыме и продуктах сгорания, создавая региональное явление загрязнения атмосферы, видимое на спутниковых снимках.

Экономические последствия

Экономическая стоимость крупного выброс нефтяной скважины ошеломляет и многослойен. Прямые затраты включают закрытие скважин и бурение разгрузочных скважин, потерю активов, восстановление окружающей среды и судебные разбирательства. Косвенные затраты включают потерю производственных доходов, увеличение страховых премий по всей отрасли и затраты на соблюдение нормативных требований для более широкого сектора.

Катастрофа Deepwater Horizon в конечном итоге стоила ее оператору более Общий объем обязательств составляет 65 миллиардов долларов США. - включая соглашение на сумму 20,8 миллиардов долларов США по Закону о чистой воде с Министерством юстиции США в 2015 году, крупнейшее экологическое соглашение в истории США. Сама буровая установка стоимостью примерно 560 миллионов долларов была полностью утеряна. Добыча в Мексиканском заливе была приостановлена ​​на несколько месяцев после введения федерального моратория на бурение.

Как нефтяная промышленность предотвращает выбросы: системы управления скважинами

Предотвращение выбросов В современном бурении используется многоуровневая система барьеров — философия, согласно которой ни одна точка отказа не может вызвать выброс, если все остальные элементы системы функционируют правильно.

Противовыбросовый превентор (ПВП): основной механический барьер

выброс preventer представляет собой большой узел клапана высокого давления, установленный в верхней части ствола скважины — на поверхности для наземных скважин и на морском дне для глубоководных морских скважин. Пакет противовыбросовых превенторов обычно содержит несколько независимо работающих компонентов:

• Анnular preventer: Резиновый уплотнительный элемент, который может герметизировать трубу любой формы или полностью герметизировать открытое отверстие путем гидравлического сжатия внутрь. Это закрывающее устройство первого действия, способное закрываться практически в любой конфигурации ствола скважины.
• Трубные плашки: Стальные плашки, которые закрываются вокруг бурильной колонны, герметизируя кольцевое пространство между трубой и стенкой ствола скважины. Трубные плашки подбираются под конкретный диаметр используемой трубы.
• Глухие/срезные плашки: last-resort mechanical barrier — hardened steel blades that close completely across the wellbore, cutting through the drill string if necessary and sealing the well. Modern deepwater shear rams must be able to cut through tool joints and other hardware, requirements strengthened significantly after the Deepwater Horizon inquiry.

Современные глубоководные противовыбросовые барьеры могут весить более 400 тонн и имеют высоту более 15 метров и содержат до шести отдельных закрывающих элементов. Их номинальное давление соответствует максимальному ожидаемому давлению в стволе скважины — при глубоководных операциях в Мексиканском заливе превенторы обычно рассчитаны на 15 000 фунтов на квадратный дюйм или выше (Бюро по безопасности и охране окружающей среды, 2016).

Управление весом бурового раствора: основной барьер для жидкости

Правильное управление весом бурового раствора (раствора) Это первая линия защиты от выброса. Предотвратить выброс гораздо эффективнее и дешевле, чем закрывать скважину после того, как он произошел.

Инженеры по буровым растворам постоянно контролируют и регулируют плотность бурового раствора, измеряемую в фунтах на галлон (ppg). Типичный вес бурового раствора колеблется от От 8,5 фунтов на галлон (исходный уровень пресной воды) до 18 фунтов на галлон или выше в пластах высокого давления. Поддержание правильного веса бурового раствора требует точного прогнозирования порового давления на основе сейсмического анализа перед бурением, данных соседних скважин и измерений в реальном времени во время бурения (MWD/LWD — инструменты измерения/каротажа во время бурения).

Слишком легкая грязь вызывает удар; слишком тяжелый буровой раствор может привести к разрушению пласта (потеря циркуляции) — это также серьезная проблема управления скважиной, которая может косвенно привести к выбросу из-за уменьшения эффективной высоты столба бурового раствора.

Обсадная колонна и цементирование: структурный барьер

Стальные обсадные колонны спускаются в ствол скважины через определенные промежутки времени и цементируются на месте, образуя серию концентрических стально-цементных цилиндров, которые изолируют ствол скважины от окружающего пласта и друг от друга. Правильно разработанная и реализованная программа обсадных колонн гарантирует, что даже в случае выхода из строя основного барьера для жидкости (бурового раствора) структурные барьеры обеспечат резервирование. Качество работ по цементированию проверяется с помощью каротажа сцепления цемента — акустических измерений, которые подтверждают, эффективно ли цемент сцепился как с обсадной колонной, так и с пластом. Плохое сцепление цемента, как было обнаружено в результате анализа скважины Deepwater Horizon, проведенного Национальной комиссией по разливу нефти компании BP Deepwater Horizon, создает путь миграции газа за обсадной колонной, который полностью обходит превентор.

Выбросы нефти на суше и на море: ключевые различия

Хотя основная механика выброс нефти одинаковы на суше и на море, оперативный контекст, последствия и варианты реагирования существенно различаются на суше и на море.

Таблица 2. Сравнение выбросов нефтяных скважин на суше и на море по ключевым эксплуатационным, экологическим факторам и факторам реагирования

Как остановить выброс нефтяной скважины?

Остановка активного выброса нефтяной скважины является одной из наиболее технически сложных операций по ликвидации чрезвычайных ситуаций в промышленном мире — единого универсального метода не существует, подход зависит от того, горит ли скважина, глубины и типа выброса, а также механического состояния ствола скважины.

• Динамическое убийство (бычий): Закачивание тяжелого бурового раствора или цемента в ствол скважины под высоким давлением для преодоления пластового давления и остановки потока. Это самый быстрый метод, когда устье доступно и ствол скважины не поврежден. Эффективность зависит от наличия достаточного давления насоса, превышающего пластовое давление в точке притока.
• Закрывающий стек: Специализированный противовыбросовый блок, который можно установить на поврежденное или разрушенное устье скважины для восстановления механического закрытия скважины. Перекрывающие трубы стали заметными после реагирования на Deepwater Horizon - перекрывающая труба, установленная на этой скважине 15 июля 2010 года, остановила поток через 87 дней, хотя скважина не была окончательно глушена до тех пор, пока не были завершены работы по восстановлению разгрузочных скважин.
• Бурение разгрузочных скважин: Бурение новой наклонной скважины из близлежащего местоположения для пересечения выдувной скважины на глубине с последующей закачкой ликвидационной жидкости в пласт для постоянного баланса пластового давления. Бурение разгрузочных скважин — это окончательный метод для скважин, которые невозможно глушить сверху, но на их завершение уходит от нескольких недель до месяцев. Одновременно были пробурены вспомогательные скважины Deepwater Horizon, первое пересечение произошло 17 сентября 2010 года, через 152 дня после начала выброса.
• Тушение пожара и выгорание: В случае возгорающихся выбросов зачастую предпочтительной первоначальной стратегией является контроль над огнем, а не его немедленное тушение, поскольку горящая скважина не распространяет жидкую нефть в окружающую среду. Специалисты по управлению скважинами используют струи воды большого объема, а иногда и взрывчатку, чтобы тушить пламя, после чего скважину можно закрыть.

Как крупные выбросы изменили правила бурения нефтяных скважин

Каждое значимое выброс нефтяной скважины привела к изменениям в регулировании — часто запоздалым реформам, которым отрасль сопротивлялась до тех пор, пока катастрофа не сделала их политически и юридически неизбежными.

Таблица 3. Крупные выбросы нефтяных скважин и их долгосрочное влияние на регулирование мировой нефтяной промышленности.

Часто задаваемые вопросы о выбросах нефти

A выброс масла drilling представляет собой слияние геологических сил, механических систем и принятия человеком решений под давлением — и когда какой-либо элемент этой системы выходит из строя в неподходящий момент, последствия выходят далеко за пределы ствола самой скважины. Современная нефтяная промышленность добилась огромного прогресса в предотвращении выбросов благодаря более совершенным технологиям, более строгому обучению и ужесточению регулирования. Но до тех пор, пока скважины бурятся в пластах с высоким давлением, возможность выброса не может быть полностью устранена — только управлять, контролировать и смягчать последствия посредством постоянной бдительности и многоуровневой защиты.

Понимая, что выброс нефти то, как это происходит и сколько это стоит, — это важные знания не только для инженеров по бурению и специалистов по управлению скважинами, но и для всех, кто стремится понять подлинные риски и ответственность, связанные с добычей нефти и газа из земли.