Воздействие нефтегазовых объектов на окружающую среду

Технологические аспекты воздействия процессов бурения на окружающую среду

Надежная конструкция скважины должна предотвращать:

• заколонные и межколонные перетоки минерализованных вод, нефти, газа в атмосферу, в вышележащие горизонты и на поверхность земли;
• аварийное фонтанирование и образование грифонов;
• растепление криолитозоны и просадку устьев скважин;
• смятие и срезание колонн.

В сильнотрещиноватые водоносные горизонты до глубин 150 м фильтрат бурового раствора может проникать на большое расстояние (более 2 м) несмотря на кратковременность бурения данного интервала.

Бурение продуктивных карбонатных месторождений сопровождается проникновением в них фильтрата на расстояние более 1,5 м от стенок скважины. В процессе добычи нефти фильтрат бурового раствора постепенно извлекается. Проявления напорных минерализованных вод из соленосных отложений — негативный экологический фактор.

Одной из распространенных причин потерь герметичности обсадных колонн является электрохимическая коррозия наружной поверхности труб. При строительстве скважин опасность представляет выход газа, нефти и пластовой воды из-под земли. Причиной грифонообразования являются вертикальные перетоки флюидов из залежи через ствол скважины.

Проблема межпластовых перетоков и межколонных давлений стоит чрезвычайно остро на всех месторождениях. Причинами повышения межколонных давлений являются негерметичность резьбовых соединений обсадных труб (30%) и колонных головок, низкое качество цементирования. Температурные изменения (температура нефти на изливе ) деформируют обсадную колонну. Прочностные и фильтрационные свойства цементного камня снижаются при температуре .

При разгерметизации затрубного пространства нагнетательных скважин реагенты (ПАВ, щелочи, полимеры) могут попасть в подземные воды.

Особенности бурения на Арктическом шельфе

Интенсивные буровые работы на нефть и газ в зонах арктического шельфа начали США и Канада в середине 60-х гг. прошлого века. В 70-е гг. были обнаружены месторождения нефти и газа на Аляске, а позже был введен в эксплуатацию трансаляскинский нефтепровод длиной 1300 км от залива Прадхо-Бей до незамерзающего порта Валдиз на юге Аляски.

Трудности освоения шельфа арктической зоны связаны прежде всего с суровыми климатическими условиями, тяжелой ледовой обстановкой и удаленностью от промышленных центров. Акватории шельфов свободны ото льда в течение 2-4 месяцев в году. Требуется защита от низких температур не только людей, но и механизмов и трубопроводов. В России и Казахстане опыта проведения подобных работ нет. так как акватория Каспийского моря, где осуществляется нефтедобыча, является незамерзающей (средняя глубина моря 180 м, северная часть моря имеет глубину до 20 м).

Ширина шельфовой зоны России составляет сотни километров. Наиболее исследованными являются Баренцево и Карское моря со средними глубинами соответственно 230 и 118 м. Именно в этих морях открыты такие крупные месторождения нефти и газа, как Штокмановское. Приразломное, Варандейское, Русановское и Ленинградское. Особенностью данного региона являются: полярная ночь продолжительностью до 70 суток; зимние температуры до ; ветры со скоростями до 40 м/с; волны высотой до 10 м; приливные колебания уровня воды до 1,5 м; продолжительность ледового периода в устье Печоры до 272 суток и наличие крупных ледяных образований в виде айсбергов.

Морское дно сложено суглинками, глинами, песками, супесями, илами. Под дном морей распространены массивы мерзлых грунтов: на Приразломном месторождении при глубине воды 20 м мощность мерзлых грунтов составляет 23 м; на Варандейском - 63 м. На отдельных участках дна мощность мерзлых грунтов достигает 100 м. Эти грунты отличаются засоленностью, при их оттаивании из донных грунтов выделяется метан.

Глубина моря в районе Штокмановского газоконденсатного месторождения достигает 360 м. Дно моря сложено глинистыми и илистыми грунтами, температура которых в поверхностном слое равна минус . Утвержденные геологические запасы газа составляют 3,2 трлн , газового конденсата - 31 млн т. Особенности ледовых условий: дрейфующие ледовые поля со средней толщиной льда до 1,5 м; айсберги с осадкой до 100 м, массой до 1 млн т и скоростью перемещения до 1 м/с.

Для бурения в подобных ледовых условиях разработаны специальные конструкции стационарных платформ. Такие платформы способны выдерживать воздействие льда, но не могут сопротивляться айсбергам. Материалом для платформ является сталь и предварительно напряженный железобетон.

Различные типы гидросооружений для добычи нефти и газа в арктических районах применяются на следующих глубинах:

• искусственные намывные и насыпные острова из песка и гравия - до 15-20 м;
• платформы из железобетонных или стальных блоков-гигантов - до 30-45 м;
• платформы башенного типа - до 60-100 м;
• плавучие полупогружные платформы на якорях - до 100 м и более.

Освоение континентального шельфа Арктики было первоначально связано со строительством грунтовых островов, поскольку традиционные конструкции платформ более подвержены разрушающему действию льда, чем искусственные острова. Преимуществами островов являются: относительно меньшие капитальные затраты на строительство; большая устойчивость к ледовым, волновым и сейсмическим воздействиям: возможность применения такой же технологии бурения как и на суше.

Самый большой и самый северный остров откосного типа расположен в море Бофорта у берегов Аляски. Глубина в месте возведения острова около 15 м. На отсыпку острова ушло 950 тыс. гравия, в его основании залегают песчано-глинистые отложения. Рабочая площадка острова имеет диаметр 107 м и возвышается над уровнем моря на 6,4 м. Нижняя часть откосов защищена 20 тысячами мешков с гравием. Основные работы были выполнены в 1982 г. Буровые работы начались летом 1983 г.

В канадском арктическом секторе на глубинах до 40 м возведен уникальный остров Моликпак с ограждением из стальных массивов-гигантов. Строительство сборных элементов острова было выполнено в Японии. Буксировка и установка острова на месторождении производилась летом 1984 г.

Подошва корпуса опирается на поверхность песчаной постели. Высота корпуса 29 м, возвышение над уровнем воды 7.6 м. Размеры корпуса в плане на уровне палубы 86,6 х 86,6 м. Внутренняя полость острова заполнена песком. Остров можно передислоцировать на другие места. Подъем и опускание обеспечиваются откачкой или заполнением водой балластных отсеков. Остров ледостойкий, предназначен для круглогодичного бурения. В системе палубной надстройки расположено технологическое оборудование и запасы материалов, энергетическая установка (5 дизелей по 4300 кВт), вертолетная площадка и жилые помещения на 100 человек.

Стационарные платформы для шельфов арктических морей конструктивно отличаются от аналогичных сооружений, возводимых в незамерзающих морях. Эти платформы изготавливаются в промышленных районах, а затем буксируются и устанавливаются на месторождениях. По сравнению с искусственными островами стационарные платформы имеют ряд преимуществ: могут применяться на значительных глубинах: могут перемещаться и эксплуатироваться на нескольких месторождениях; легче привести место эксплуатации в первоначальное естественное состояние после отработки месторождения.

Разработаны проекты стационарных платформ разнообразных конструкций. Чаще всего платформы являются гравитационными, устойчивость которых обеспечивается их собственным весом. Иногда для усиления связи платформы с грунтовым основанием используют стальные трубчатые сваи. Имеются проекты одноопорных и многоопорных платформ. Одноопорная платформа представляет собой прочный корпус конусной или цилиндрической формы, опирающийся на морское дно. В зоне воздействия льда площадь сечения конуса наименьшая.

На рис. 6.1 изображена гравитационная буровая платформа стальной конструкции, которая устанавливается на морском дне при глубинах до 18 м. Основными конструктивными частями платформы являются: фундаментный опорный блок, имеющий вид двух усеченных граненых конусов: опорный цилиндр и верхнее надводное строение.

Рис. 6.1. Морская ледостойкая платформа стальной конструкции

Внутреннее пространство фундаментного блока разделено на отсеки, предназначенные для балластировки платформы морской водой, для хранения пресной воды и топлива. В состоянии эксплуатации балластные отсеки заполнены водой. Платформа может всплывать и переводиться в другое место. На трехпалубном надводном строении размещается буровое и другое технологическое оборудование, электростанция, насосная, бойлерная, подъемные краны, вертолетная площадка, жилые помещения на 90 человек.

В верхней части геологического разреза шельфа арктических районов толща многолетнемерзлых пород (ММП) может достигать 100 м, а на суше - 500 м и более. В состав ММП могут входить прочные и слабые породы.

При бурении скважин в толще ММП возникают следующие осложнения:

• оттаивание пород, проникновение бурового раствора в затрубное пространство, размыв пород за кондуктором, гри-фонообразование;
• кавернообразование, осыпи и обвалы, приводящие к прихвату бурильного инструмента, провалы фундамента под буровой установкой;
• затруднения со спуском обсадных колонн, невозможность прокачки цементного раствора в заколонное пространство, смятие обсадных колонн;
• выбросы бурового раствора, воды и газа при разбуривании пропластков газогидратов.

Эксплуатационная колонна в интервалах залегания ММП должна состоять из труб, выдерживающих давления, которые возникают при обратном промерзании затрубного пространства. Основным способом предотвращения осложнений при бурении ММП является сохранение отрицательной температуры стенок скважины. Для этого используются охлажденные промывочные жидкости.

После разбуривания всей толщи ММП ствол скважины закрепляют обсадной колонной, башмак которой устанавливают ниже глубины промерзания. При цементировании следует использовать хладостойкие растворы. В газовых скважинах кольцевое пространство между кондуктором и стенками ствола следует герметизировать с помощью пакера. Это предотвращает образование грифонов при оттаивании пород. Продолжительность бурения скважины под кондуктор должна составлять не более 2 суток во избежание оттаивания неустойчивых пород.

Особенности освоения шельфа Северного моря

Норвежский сектор Северного моря - один из самых беспокойных на земном шаре: скорость ветра достигает 200 км в час, а волны в штормовую погоду могут достигать 30-ти метровой высоты. Зимой на открытом воздухе человек не может выдержать более десяти минут. Весной 1970 г. на участке "Экофиск" были обнаружены промышленные запасы высококачественной нефти, после чего Северное море стало новой базой для развития мировой нефтяной промышленности.

В 2000 г. Норвегия добыла в Северном море 161 млн т. а Англия - 127 млн т негрти. Обе страны вошли в первую десятку нефтедобывающих стран. Продуктивность скважин в английском секторе моря составляет 240 т в сутки, а в норвежском секторе - 730 т в сутки. Качество североморской нефти очень высокое. Не случайно морское месторождение "Брент" дало имя одноименной марке нефти, продаваемой на фондовой бирже.

Для того чтобы начать добычу нефти в условиях Северного моря, важно было решить сложные технологические задачи. Работы осложнялись суровыми природными условиями, большими расстояниями от берега и необходимостью бурения на глубину до шести тысяч метров.

В 1973 г. было принято решение о строительстве уникальной сети подводных трубопроводов, которые должны были связать морские месторождения с потребителями в Германии и Великобритании. В 1975 г. была пущена в эксплуатацию 357-километровая английская ветвь, а в 1977 г. - 440-километровая германская ветвь трубопровода. Срок их службы был определен в 30 лет. В 1985 г. было завершено строительство еще одного трубопровода длиной 880 км, соединившего мощное месторождение "Статфьорд" с материком. На этом месторождении установлена трехпалубная платформа общим весом 650 тыс. т. которая способна выдерживать силу морских течений и атлантических штормов.

В британском секторе моря к 1990 г. сроки освоения месторождений сократились с четырех до двух лет. Максимальная глубина моря, при которой осуществляется разработка месторождений, возросла с 300 до 1800 м.

Норвежские месторождения были местом испытания новых технологий, поэтому не обошлось без аварий. В 1977 г. произошел катастрофический выброс нефти и газа и на платформе начался пожар. Пламя удалось затушить только через семь суток. Через год на другой платформе при пожаре погибло пять человек. В марте 1980 г. на месторождении "Экофиск" в результате сильного шторма была опрокинута платформа со всеми жилыми помещениями. Последствия этой аварии, в которой погибло 123 человека, заставили уделять больше внимания вопросам безопасности операций на континентальном шельфе для людей и окружающей среды.