2.1. Бурение скважин и добыча нефти и газа

В процессе разведки, обустройства месторождения и добычи нефти и газа используют трубопроводные системы, оснащенные центробежными и поршневыми насосами, компрессорами высокого давления. Вместе с запорной арматурой (обратные клапаны, задвижки) насосы и компрессоры являются источниками возмущений волнового характера. На переходных, нештатных и аварийных режимах работы интенсивность волновых процессов значительно возрастает. В качестве примера рассмотрим аварийные ситуации, возникающие при бурении скважин.

Многие месторождения нефти и газа характеризуются аномально высоким пластовым давлением. Технология разбуривания таких месторождений требует непрерывной закачки в скважину глинистого раствора, в который входят: глина, вода, нефть, каустическая сода, унищелочный реагент. Процентный состав компонентов строго не определен, поэтому плотность глинистого раствора колеблется от 1200 до 1300 кг/м³; кинематическая вязкость принимает значения на уровне (0,9 – 1) * 10^-4 м²/с. В состав оборудования обычно входят один или два двухпоршневых насоса, имеющие следующие характеристики: диаметр поршня 170 мм; оптимальная подача 130 м³/ч; предельное давление 14,5 МПа.

В стационарном режиме работы бурового насоса в гидросистеме закачки должно обеспечиваться номинальное давление 5,0 МПа. В ходе экспериментов обнаружено, что в гидросистеме закачки относительно номинального уровня 5,0 МПа имели место пульсации давления с частотой 18 Гц (рис. 2.1), амплитуда которых достигала 2,0 МПа. При пуске и остановке насоса частота колебаний сохранялась, но амплитуда изменялась пропорционально давлению [2].

Рис. 2.1 – Пульсации давления в гидросистеме бурового насоса УВН-600А

Таким образом, трубопроводы системы закачки подвергают высоким знакопеременным динамическим нагрузкам, которые возрастают с ростом среднего давления, что приводит к раскрытию фланцевых соединений; сильным вибрациям трубопровода, сопровождающимся разрывом в месте установки насоса; отрыву гибкого шланга и турбобура в узлах крепления; разрушению обсадных труб и породы; выходу из строя манифольдов; частичному или катастрофическому поглощению промывочной жидкости и тампонажного раствора; нарушению резьбовых соединений скважинных труб вследствие их изгибных колеба­ний. Последствия таких аварий связаны с нанесением травм об­служивающему персоналу сво­бодными концами гибкого шлан­га, разливом в систему сбора сточных вод или непосредствен­но в окружающую среду эколо­гически опасных компонентов глинистого раствора, таких как реагент, барит. При отрыве тур­бобура насосно-компрессорные трубы приходится заменять.

Аварии при бурении сопровождаются как прямым, так и косвенным неблагоприятным воздействием на окружающую среду. Так, поглощение промывочной жидкости и глинистого раствора может стать причиной загрязнения подземных вод. При нарушении устойчивости пород увеличивается непредусмотренное проектом образование отходов бурения - буро­вых вод и шламов. Излив из устья скважины пластовых вод с высокой степенью минерализации (до 400 г/л) даже в случае их попадания в систему сбора сточных вод существенно усложняет проблему оборотного водоснабжения.

Аналогичные явления имеют место в процессе добычи нефти: при закрытии обратных клапанов, а также при запуске глубинных насосов уровень колебаний в месте стыка его с насосно-компрессорной трубой может достигать 2 – 3-кратного превышения рабочего давления, т.е. 30 МПа. Глубинные насосы также служат сильными возбудителями колебаний давления из-за неуравновешенности ро­тора и консольного крепления насоса с электродвигателем, в ре­зультате чего возникают интенсивные вибрации труб.

Гидравлический удар возможен вследствие прорыва газа из нефтяного пласта, в результате чего насос начинает работать в холостом режиме с соответствующим снижением давления в про­странстве за обратным клапаном. При этом направление потока жидкости в насосно-компрессорной трубе меняется на противопо­ложное, срабатывает обратный клапан, что сопровождается гидро­ударом. Статистика свидетельствует, что в среднем в одном нефтегазодобывающем управлении (НГДУ) имеют место до 30 так называемых «полетов» глубинных насосов в год. Помимо значительных экономических потерь наносится существенный экологический ущерб в связи с утечкой нефти из разбираемых насосно-компрессорных труб. Некоторые наклонные скважины становятся непригодными для повторного использования.

Аварийные ситуации возникают также в системах закачки послесепарационной воды в пласт. В каждом НГДУ имеются несколько кустовых насосных станций, работающих одновременно и обеспечивающих рабочее давление в системе закачки послесепарационной воды до 25 МПа. В результате взаимовлияния волновых процессов в подобной трубопроводной системе с распределенными источниками давление в узлах колебаний возрастает в два раза, что вызывает разрыв линейной части трубопроводов и утечку сероводородсодержащей жидкости в окружающую среду.