авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Научное обоснование и развитие технико-технологических решений по предупреждению внезапных выбросов газа при бурении направленных скважин в криолитозон е

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 622.24

НОР Алексей Вячеславович


Научное обоснование и развитие технико-технологических решений по предупреждению внезапных выбросов газа при бурении направленных скважин в криолитозон е

25.00.15 Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Ухта 2008

Работа выполнена в Ухтинском государственном техническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Буслаев В.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Быков И.Ю.

кандидат технических наук Злотников Г.П.

Ведущее предприятие – филиал ООО «ВНИИгаз» - «СеверНИПИгаз»

Защита состоится 25 октября 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.291.01 в Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300 г. Ухта, Республика Коми, ул. Первомайская, дом 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета.

Автореферат размещён на сайте университета http://ugtu.net .

Автореферат разослан ____сентября 2008 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

к.т.н., профессор Н.М. Уляшёва

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В 21 веке основной объём добычи газа, геологоразведочных и буровых работ предполагается осуществлять на арктических месторождениях России, в частности, на Бованенковском, Крузенштерновском, Харасавейском полуострова Ямал, газоугольных залежах Печорского бассейна и других, где толщина многолетнемёрзлых пород (ММП) достигает 400 и более метров, температура до минус 6 °С и льдистость пород до 70%, где существует опасность внезапных выбросов газа, образования грифонов и опасность возникновения критических ситуаций, приводящих к аварийности, травматизму и снижению скорости бурения.

Например, случаи внезапного выброса газа зафиксированы на скважинах ВК-1149, ВК-1633, ВК-1655, ВК-1656, ВК-1690 Воргашорского газоугольного месторождения Печорского бассейна, на кустах скважин 56, 69 Бованенковского газоконденсатного месторождения (ГКМ) и других.

Взрывы метана в угольных шахтах России, Украины и Казахстана потребовали соответствующего пересмотра отношения к заблаговременной дегазации. В Ухтинском ГТУ для Печорского газоугольного бассейна было предложено проведение заблаговременной дегазации ММП и подмерзлотной зоны с использованием горизонтальных и разветвлённо-горизонтальных скважин, что позволяет наиболее эффективно производить дегазацию и предупреждение внезапных выбросов при проведении горных работ и бурении скважин, в том числе, кустами.

Исследованиям по заблаговременной дегазации ММП и подмерзлотной зоны, в том числе каустобиолитов, посвящены работы Ухтинского ГТУ, ПечорНИИпроекта (г. Воркута), Московского горного ГУ, Санкт-Петербургского горного института, РГУНиГа им. И.М. Губкина, ООО ВНИИГаза, ООО Промгаза, СевКавНИПИГаза и других, которые требуют своего развития, так как отсутствует научное обоснование и технико-технологические решения, которые бы в комплексе обеспечивали предупреждение или управление внезапными выбросами газа при бурении и креплении в криолитозоне направленных, в том числе кустовых, скважин.

Цель работы. Научное обоснование и развитие технико-технологических решений по предупреждению внезапных выбросов газа при бурении направленных скважин в криолитозоне.

Основные задачи исследования:

  1. Анализ осложнений при бурении и креплении скважин в криолитозоне.
  2. Анализ исследований межфазовых переходов газогидратов и конденсатов в криолитозоне и обоснование природы внезапных выбросов газа при бурении.
  3. Моделирование и исследование технологических управляющих параметров при бурении и вскрытии криолитозоны на примере Б ованенковского ГКМ.
  4. Технико-технологические решения по дегазации и вскрытию криолитозоны с использованием вертикальных, горизонтальных и разветвлённых горизонтальных скважин.

Научная новизна:

  1. Теоретически, на основе закономерностей распределения порового, горного, и давления гидратообразования, обоснованы интервалы вероятных фазовых переходов газогидратов и конденсатов, газопроявлений и внезапных выбросов газа, имеющие качественное подтверждение результатами бурения скважин в криолитозоне.
  2. На основе развития физико-математической модели процесса бурения в криолитозоне обоснованы граничные условия её применения и выбор основных управляющих технологических параметров, таких как: механическая скорость бурения; расход, плотность и температура бурового агента; избыточное устьевое давление и установлено их влияние на состояние фазовых переходов газогидратов в скважине и вероятность возникновения газопроявлений.
  3. При несоблюдении безопасных технологических параметров научно обоснован оперативный контроль и управление критическими ситуациями и термобарическими условиями в скважине.
  4. Принцип экспериментальных исследований фазовых превращений газовых гидратов и смесей в межфазовом состоянии путём изучения гистерезиса механических характеристик с моделированием физико-химических условий бурении.

Практическая ценность:

  1. Создана комплексная методика предупреждения внезапных выбросов газа в процессе бурения криолитозоны, независимая от природы образования залежи, включающая следующие основные положения:
  • предварительное обоснование перечня и количественных значений параметров режима бурения в криолитозоне, обеспечивающие предупреждение фазовых превращений газовых гидратов, конденсатов в пласте, неконтролируемого разгазирования бурового раствора и возникновения внезапных выбросов газа;
  • обоснование предупреждения и управляемого разложения газовых гидратов, гидроразрыва пород и образования грифонов путём регулирования устьевого давления методом дросселирования с использованием выкидной или факельной линии, установленной на направлении.
  1. Разработана методика совмещения процессов бурения и добычи газа при опасности возникновения неуправляемых проявлений пластовых флюидов и грифонов.
  2. Предложена научно обоснованная технология и техника, позволяющая осуществлять безопасное бурение наклонно-направленных, горизонтальных и разветвлённых, в том числе дегазационных скважин на интервалы подмерзлотного проницаемого пространства горных пород.
  3. Предложен способ добычи газа из газогидратных залежей (Патент № 2230899 РФ [ 1]), позволяющий обеспечивать дегазацию криолитозоны, в том числе кустов скважин в ММП.
  4. Разработано устройство для исследования газожидкостных, в том числе газогидратных смесей (Патент № 40802 РФ [ 6]).
  5. Предложена технология и наддолотное устройство с конической поверхностью скольжения по стенке скважины [ 14], для безориентированного управления траекторией ствола направленных скважин в криолитозоне в условиях уширения, получившее название «буровая лыжа».

Реализация результатов работы осуществлялась:

  1. При выполнении контракта с Министерством природных ресурсов Республики Коми по теме «Оценка ресурсов нетрадиционных источников газа (газов генерации углей, синтез-газа подземной газификации, газогидратов и др.) с технико-экономической оценкой возможности их применения в промышленности и энергетике Республики Коми» по договору № 22/2000 от 23 октября 2000 года.
  2. При проведении исследований поисковой НИР по договору № 02-03-2000 (№ 2002 ООО «Севергазпром») «Происхождение и накопление газогидратов, оценка возможности их промышленной разработки на месторождениях Тимано-Печорской провинции».
  3. При научном обосновании результатов НИР по договору №38/05 с ООО «Бургаз» «Развитие технико-технологических решений по предупреждению осложнений при бурении и креплении в многолетнемёрзлых породах» на примере Бованенковского ГКМ».
  4. При подготовке заявки для участия в государственном конкурсе «ЛОТ 3. 2007-5-1.5-34-01. Создание научных основ новых технологий и технических решений извлечения природного газа газогидратных месторождений.»
  5. При выполнении бакалаврских работ и дипломном проектировании в Ухтинском ГТУ по специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Защищаемые положения:

  1. Научное обоснование управляющих технологических параметров и технико-технологические решения по предупреждению внезапных выбросов газа при бурении скважин в криолитозоне.
  2. Принцип дегазации ММП и подмерзлотного слоя путём бурения горизонтальных скважин в проницаемую часть криолитозоны.
  3. Комплекс технико-технологических решений по строительству наклонно-направленных и горизонтальных скважин в криолитозоне.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием комплекса методик, включающего: системный анализ и обобщение данных, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, в том числе по экспериментальному исследованию процессов гидратообразования в различных термобарических условиях, сравнение экспериментальных данных с данными разложения газовых гидратов и газопроявлений в скважине в процессе бурения, аналитические исследования, проведение логических и математических экспериментов с применением ПЭВМ, на основе физико-математической модели.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены результатами анализа промысловой информации, физико-математического моделирования, достаточным объёмом аналитических исследований и экспериментов предыдущих исследователей на протяжении более 30 лет.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «Севергеоэкотех» при Ухтинском государственном техническом университете в 2006 году, на защитах отчётов НИР по теме «Развитие технико-технологических решений по предупреждению осложнений при бурении и креплении в многолетнемёрзлых породах» на примере Бованенковского ГКМ», на научно-практических конференциях УГТУ и научных семинарах кафедры бурения в 2006, 2007, 2008 годах, использовались при разработке дипломных и выпускных работ на кафедре бурения УГТУ.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 16 работах, в том числе в 3 патентах РФ и в 13 статьях, в том числе 12 в центральных журналах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 135 страницах, состоит из введения, 4 разделов (глав), заключения, в том числе содержит 33 рисунка и 13 таблиц.

В первой главе представлен анализ осложнений, применяемых технологий при бурении и креплении скважин в многолетнемёрзлых породах, дана общая характеристика геокриологических условий Северо-востока Европейской части России, причины и характеристика геокриологических осложнений, анализ газопроявлений и внезапных выбросов газа в Тимано-Печорской провинции и на Бованенковском ГКМ.

Показано, что по современным представлениям, газопроявления и выбросы могут являться результатом вскрытия газогидратных залежей, при котором газовые гидраты начинают эндотермически разлагаться с выделением до 180 объёмов газа, что приводит к быстрому разгазированию ограниченного объёма раствора, внезапному выбросу газа, охлаждению бурового раствора, перекристаллизации молекул воды в поровом пространстве залежей и последующему быстрому прекращению газопроявления.

В технологических регламентах, проектах на строительство скважин, отсутствуют решения по предупреждению, профилактике и ликвидации этого вида осложнений.

Выявлено, что природа внезапных выбросов и их самопроизвольного прекращения изучена недостаточно. Для создания научных основ разведки и добычи газа из газогидратных залежей необходимо развитие теории фазовых превращений газогидратов в пористой среде и в скважине, что позволило бы моделировать различные методы вскрытия и освоения в лабораторных и промысловых условиях, разрабатывать научно обоснованные технологические решения.

Во второй главе представлен анализ современных исследований межфазовых переходов газогидратов и конденсатов, в том числе сведения о газовых гидратах и конденсатах, экспериментальное и аналитическое определение условий гидратообразования.

Показано, что необходимо исследовать гипотезу об образовании газовых гидратов, по которой процесс внедрения молекул газов или лёгкокипящих жидкостей, называемых «гостями», в полости кристаллической решетки, построенной молекулами Н2О, называемых «хозяевами», является характерным, в основном, для молекул простых газов. Сложные газы путём внедрения образуют непроницаемые для газа газогидратные плёнки. При образовании трёхмерных газогидратных тел углеводородные газы чаще являются центрами кристаллизации молекул воды.

Показано, что необходимо исследовать гипотезу о том, что гидрофильная поверхность катализирует процесс кристаллизации гидратов, запуская механизм послойной адсорбции. Явление послойной адсорбции в скважине может уменьшить зону термобарического равновесия, выход из границ которой может вызвать разложение газогидратов, охлаждение бурового раствора, образование гидратных пробок и прихватов инструмента. Эти условия необходимо учитывать при физико-математическом моделировании и обосновании управляющих технологических параметров вскрытия криолитозоны. Явление послойной адсорбции в коллекторе может существенно увеличить его газовую ёмкость, в дополнение к растворённому газу и увеличить опасность газового выброса.

Теоретически обоснованы границы вероятных выбросов в зависимости от глубины скважины, которая определяется системой уравнений ( 1 ) – ( 4 ):

Рпор Рг = Рг.о. Рг.р. ( 1 )
( 2 )
tг.о.= -58 lgРг.о.+В1 ( 3 )
lgPг.о.= 0,0171(В1-tг.о.) ( 4 )

где: Рпор – давление поровое; Рг – давление горное; Рг.о. – давление гидратообразования; Рг.р. – давление гидроразрыва; hп – глубина пороговая; г.п. – плотность горной породы; g – ускорение свободного падения; tг.о. – температура гидратообразования; В1 – коэффициент, зависящий от компонентного состава газа при отрицательной температуре.

Здесь к известным уравнениям добавлено условие ( 1 ).

Погрешность приближения ( 1 ) по Бованенковскому НГКМ в интервале от 0 до 150 м – 1,9 %, до 300 м – 12,4%.

В третьей главе представлено обоснование допущений, моделирование и исследование технологических управляющих параметров при бурении и вскрытии криолитозоны на примере Бованенковского ГКМ, методика численных расчётов, физико-математическое моделирование вскрытия криолитозоны вертикальными скважинами, обоснование величин и управление параметрами режима бурения, результаты реализации модели на ПЭВМ, полезная модель для экспериментальных исследований фазовых превращений мёрзлых пород и газогидратов.

На основе физико-математической модели созданной доцентами Васильевой З.А., Пушкиным В.Н., Нором А.В. под руководством профессора Буслаева В.Ф. с участием Алчинова Ю.А., Буслаева Г.В. разработана методика и программа для ПЭВМ по расчёту управляющих параметров, обеспечивающих исключение разложение газогидратов в скважине, в том числе в интервале их залегания, и предупреждение внезапных выбросов газа.

Математическая модель фазовых переходов газовых гидратов при бурении скважины состоит из схемы, представленной на рисунке 1, и системы уравнений (5), (6), (7), и других.

(5)
(6)
(7)

где T – температура бурового раствора, оС, G – массовый расход, кг/с, Q1 – объёмный расход, м3/с, – плотность, кг/м3 и c – теплоёмкость промывочной жидкости, Дж/(кгоС); индексы «1» и «2» относятся, соответственно, к внутреннему каналу бурильных труб и кольцевому каналу скважины; k – коэффициент теплопередачи через стенку бурильной колонны, Вт/(моС); TО – температура окружающих пород, оС; D – диаметр скважины, м; ka – безразмерный коэффициент интенсификации теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества; k – коэффициент нестационарного теплообмена между скважиной и массивом горных пород, Вт/(моС).

Результаты аналитических исследований образуют замкнутую систему алгебраических уравнений, позволяющую определить режим работы буровой скважины при заданных значениях параметров в квазистационарном приближении. Последнее означает, что рассматриваемый режим бурения протекает в период далёкий от начальной, существенно неустановившейся стадии.

На основе результатов моделирования можно определить область кольцевого канала, в которой при наличии газогидратов в породе возможны интенсивные фазовые превращения. Интересен случай, когда нарушение фазового равновесия происходит на забое скважины при вскрытии газогидратной залежи и дальнейшем углублении скважины (рисунок 2). Подобные режимы в дальнейшем классифицируются как критические.

В модели принято допущение, что при

,

где – температура смеси в кольцевом канале на забое скважины;

– температура фазового перехода газового гидрата

газогидрат в составе породы стабилен, фазовые превращения не наблюдаются. Равенство (8) представляет собой критическое условие разложения газогидратов на глубине забоя. Вариациями управляющих параметров можно добиться бесконечно большого количества состояний, соответствующих условию (8), когда разложения газогидратов не происходит и исключается условия для возникновения газопроявлений. В параметрическом пространстве они образуют поверхность, разделяющую множество всех режимов работы скважины на два класса: критические и безаварийные (рабочие).

" width="900" >

Рисунок 1 - Схема вскрытия гидратонасыщенной залежи

(8)


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.