УДК 622.276

Об опасности прорыва добывающих скважин, возникновения нефтяных и газовых фонтанов на объектах добычи нефти и газа

Лобачев Антон Александрович – студент Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»

Мордвинова Анна Витальевна – кандидат технических наук, доцент Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»

Аннотация: В данной статье рассматриваются вопросы опасности прорыва добывающей скважины, который может иметь серьезные последствия для окружающей среды, здоровья и безопасности людей, а также для экономики. Прорыв скважины может привести к утечке нефти или газа, что может вызвать загрязнение почвы, воды и воздуха, а также пожары и взрывы. Кроме того, прорыв скважины может угрожать жизни работников, находящихся на месте происшествия, а также для жителей близлежащих поселений. В статье рассматриваются некоторые причины прорывов скважин, их последствия и меры по предотвращению и ликвидации последствий прорывов.

Ключевые слова: прорыв скважины, нефтяной фонтан, пожар, противофонтанная служба, объект обустройства

Нефтегазовая промышленность является устоявшейся отраслью с богатой историей. Она известна своей консервативностью, а изменения в ней не происходят без крайней необходимости. На заре отрасли, проблеме прорыва добывающей скважины не уделялось должного внимания из-за отсутствия эффективных способов контролировать взрывные выбросы, а формирование нефтяного фонтана воспринималось признаком успешного открытия скважины. На рисунке 1 представлена фотография нефтяного фонтана при разработке (бурении) Мамонтовского месторождения в Ханты-Мансийском автономном округе.

Рисунок 1. Нефтяной фонтан на Мамонтовском месторождении.

Однако такое явление, как нефтяной или газовый фонтан при эксплуатации объекта добычи является крайне негативным, наиболее тяжелым видом аварийной ситуации.

Развитие всех аспектов отрасли как открыло дополнительные возможности по добыче углеводородов, так и привело к переосмыслению рисков, связанных с прорывом добывающей скважины. Новые требования привели к появлению многих новшеств во всех процессах, будь то в области моделирования пластов, бурения наземных месторождений, будь то, методов подводной добычи. Бурение находится в самом ядре этой индустрии, поскольку просто невозможно достичь целей разработки месторождений без него. Конкретно, по мере увеличения глубины бурения, появляется всё больше проблем, в частности давление кратно возрастает. Когда давление в пласте превышает гидростатическое давление контролирующей буровой жидкости, может произойти прорыв добывающей скважины. В результате нефть, газ или оба компонента начинают выбрасываться из скважины на поверхность в виде фонтана [1].

Причины прорыва скважины могут быть разнообразными, например:

• Ошибки в предварительных расчётах: если предполагаемое давление залежи превышает давление в скважине, это может вызвать прорыв.

• Нарушение целостности обсадной колонны: если обсадная колонна скважины повреждена или неисправна, это может привести к прорыву скважины. Причины повреждения колонны могут быть различными, такими как коррозия, механические повреждения, нарушение технологии цементирования обсадной колонны или иные.

• Дефекты в уплотнениях: дефекты в уплотнениях могут привести к утечке нефти или газа и возможному прорыву.

• Нарушения технологических процессов при эксплуатации: неправильная эксплуатация скважины, несоблюдение регламента по бурению или добыче, а также другие нарушения технологических процессов могут также приводить к прорыву скважины.

Как показывает история аварий, большинство прорывов скважин приводит к загоранию выбрасываемых углеводородов и образованию горящего фонтана - опасной аварии, параметры которой следует учитывать при планировании объекта обустройства, а также разработке мер защиты сооружений, оборудования и персонала. При планировании защитных мероприятий и разработке инструкций по действию персонала необходимо ответить на множество вопросов, в том числе на следующие:

- какими геометрическими параметрами будет обладать горящий нефтегазовый фонтан?

- какие опасные факторы горящего фонтана оказывают влияние на окружающие объекты и персонал?

- какова вероятность возникновения данного события?

Поиску ответов на данные вопросы посвящено дальнейшее исследование.

Рассматривая горящий нефтяной или газовый фонтан, как струйное факельное горение, можно определить размеры пламени по известным в настоящее время методам. Схематичное изображение струйного факела при истечении паровой фазы сжиженного углеводородного газа (СУГ) представлено на рисунке 2.

Рис.2. Схема геометрических параметров факела при истечении паровой фазы СУГ [3]

Длина факела L_F (м) может быть определена в соответствии с «Методикой определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах», утв. приказом МЧС России от 10.07.2009 № 404 [4] по формуле для диффузионных факелов при струйном истечении сжатых горючих газов, паровой и жидкой фазы СУГ и СПГ, ЛВЖ и ГЖ под давлением:

где G – расход истекающего продукта, кг/с;

K - эмпирический коэффициент, который при истечении сжатых газов принимается равным 12,5.

Ширина факела D_F (м) при струйном горении определяется по формуле:

Значение высоты факела и диметра могут варьироваться в зависимости от различных условий истечения и внешних параметров окружающей среды.

Примером крупной аварии с образованием горящего фонтана является инцидент, случившийся 25.06.1985 г. на скважине №37 месторождения Тенгиз. Произошел прорыв скважины с дальнейшим взрывом, вследствие чего пламя поднялось на высоту 150-200 метров, и на выходе газонефтяной смеси, под давлением 250-300 атмосфер, над устьем образовалась огромная воронка диаметром около трех метров, ежедневно сгорало 10-20 тысяч тонн нефти [5].

Явление прорыва скважины и образования нефтяных или газовых фонтанов является крайне опасной ситуацией, которую нельзя допускать. Данная авария может привести к катастрофическим последствиям:

• Ущерб экосистеме: прорыв скважины может привести к неконтролируемому выбросу нефти, газа в окружающую среду. Это может привести к тяжелым последствиям для растений, животных и морских организмов. Нефть обладает токсичными свойствами, и ее попадание в почву, водоемы или прибрежные зоны может привести к гибели растительности, отравлению животных и рыб, а также вызвать нарушение экосистемы на длительный срок.

• Пожары и взрывы: утечка газа может создать взрывоопасную обстановку, что может привести к пожарам и взрывам, особенно если вблизи находятся источники тепла или искры, это представляет угрозу для оборудования, окружающих объектов, жизни и здоровью людей, а также животных.

• Экономические потери: прежде всего, сама остановка добычи нефти из-за прорыва приводит к прямым убыткам для нефтедобывающей компании. Кроме того, подобные инциденты могут привести к дорогостоящим судебным разбирательствам, выплатам компенсаций пострадавшим сторонам и штрафам от регулирующих органов. А также прорыв скважины может повлечь за собой значительные издержки на очистку окружающей среды.

При возгорании истекающего в ходе прорыва скважины продукта одним из основных опасных факторов пожара является тепловое излучение высокой интенсивности, уровень которого зависит как от параметров истечения (большое значение имеет ориентация факела: горизонтальный, наклонный, вертикальный), так и от свойств истекающего вещества.

В соответствии с Методикой [4] при проведении оценки пожарной опасности горящего факела при струйном истечении сжатых горючих газов, паровой и жидкой фазы сжиженных газов, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей под давлением допускается принимать следующее:

• зона непосредственного контакта пламени с окружающими объектами определяется размерами факела;
• длина факела L_F не зависит от направления истечения продукта и скорости ветра;
• наибольшую опасность представляют горизонтальные факелы, условную вероятность реализации которых следует принимать равной 0,67;
• поражение человека в горизонтальном факеле происходит в 30^о секторе с радиусом, равным длине факела;
• воздействие горизонтального факела на соседнее оборудование, приводящее к его разрушению (каскадному развитию аварии), происходит в 30о секторе, ограниченном радиусом, равным L_F;
• за пределами указанного сектора на расстояниях от L_F до 1,5 L_F тепловое излучение от горизонтального факела составляет 10 кВт/м²;
• тепловое излучение от вертикальных факелов может быть определено по формулам Методики, как для пожара пролива при определенных допущениях;
• при истечении жидкой фазы сжиженного газа из отверстия с эквивалентным диаметром до 100 мм при мгновенном воспламенении происходит полное сгорание истекающего продукта в факеле без образования пожара пролива;
• область возможного воздействия пожара-вспышки при струйном истечении совпадает с областью воздействия факела (30^о сектор, ограниченный радиусом, равным L_F);
• при мгновенном воспламенении струи газа возможность формирования волн давления допускается не учитывать.

При определении уровня пожарной опасности объекта добычи нефти и газа с применением риск-ориентированного подхода, необходимо учитывать вероятность возникновения горящего нефтяного или газового фонтана, которая зависит от величины частоты реализации инициирующего пожароопасного события. Руководством по безопасности «Методика анализа риска аварий на опасных объектах нефтегазодобычи», утвержденным приказом Ростехнадзора от 10.01.2023 № 4 [2] регламентируются рекомендованные частоты разгерметизации и фонтанирования скважин, равные например, (год^-1) для фонтанирования и (год^-1) для выброса из добывающей скважины. Применяя известный метод построения логических деревьев событий, можно для каждого конкретного объекта добычи определить вероятность воспламенения фонтана.

На основе проведенных оценок пожарной опасности разрабатываются мероприятия по предотвращению возникновения прорыва скважины и других пожароопасных ситуаций, а также мероприятия по их ликвидации.

Задача устранения последствий и недопущения эскалации уже свершившегося прорыва добывающей скважины, всегда являлась крайне важной. Изначально данная проблема решалась совместными усилиями специалистов со всей страны, однако развитие нефтегазовой промышленности, увеличение масштабов добычи и как следствие рост количества аварий, потребовали создания специализированной структуры для борьбы с данным явлением. В 1966 году было принято решение о создании противофонтанных бригад. А в дальнейшем, 23 декабря 1967 г. было издано Постановление Совета Министров СССР № 1145 за подписью Председателя Совмина СССР А. Косыгина «О создании военизированных частей и отрядов по предупреждению возникновения и по ликвидации открытых нефтяных и газовых фонтанов». История данной структуры продолжается и в Российской Федерации. В настоящее время некоторые военизированные противофонтанные части переданы из ведения Минэнерго России и находятся в ведении МЧС России в соответствии с распоряжением правительства Российской Федерации от 14.03.2022 г. № 488-р [6]. Кроме того, ряд компаний-операторов месторождений нефти и газа имеют в своем штате собственные частные противофонтанные формирования, имеющие большой опыт в проведении работ по ликвидации нефтяных и газовых фонтанов.

МЧС России совершенствует нормативную правовую базу в отношении противофонтанных службы, однако проблема недостаточности нормативных документов всё ещё не решена. В настоящий момент на межведомственном уровне с участие заинтересованных нефтегазовых компаний проводится работа по предлагаемым изменениям в статьи 5 и 11 Федерального закона «Об аварийно-спасательных службах и статусе спасателей» [7]. В частности, законопроектом предусмотрено закрепить за Правительством Российской Федерации полномочие по урегулированию деятельности противофонтанных служб в составе МЧС России: задачи, функции и требования к их составу, структуре, комплектованию, оснащенности и постоянной готовности, условия их размещения, несения дежурства спасателями и порядок расчета стоимости обслуживаемых ими объектов.

В заключение следует отметить, что взаимодействие специалистов в области пожарной и промышленной безопасности, опытных специалистов нефтегазовых компаний в работе над решением проблемы предупреждения возникновения и ликвидации фонтанов позволит достичь необходимого уровня безопасности при разработке и эксплуатации месторождений нефти и газа.

Список литературы

1. Ruochen Liu, A. Rashid Hasan, Amar Ahluwalia, M. Sam Mannan, Well specific oil discharge risk assessment by a dynamic blowout simulation tool, Process Safety and Environmental Protection, Volume 103, Part A, 2016, Pages 183-191, ISSN 0957-5820.
2. Приказ Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 10.01.2023 № 4 «Об утверждении руководства по безопасности «Методика анализа риска аварий на опасных производственных объектах нефтегазодобычи».
3. Руководство по оценке пожарного риска для промышленных предприятий. – М.: ВНИИПО, 2006. – 93 с.
4. Приказ МЧС России от 10.07.2009 № 404 «Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска на производственных объектах».
5. «Сегодня более 35 лет назад произошла катастрофа на Тенгизе» // Главное управление МЧС России по краснодарскому сайту URL: https://23.mchs.gov.ru/deyatelnost/press-centr/novosti/4495313 (дата обращения: 01.04.2024).
6. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 14.03.2022 г. № 488-р «О передаче в ведение МЧС России подведомственных Минэнерго России федеральных государственных автономных учреждений».
7. Федеральный закон от 22.08.1995 № 151-ФЗ «Об аварийно-спасательных службах и статусе спасателей».