Диссертация (1173025), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Потенциальные риски при бурении на пласте газогидратовПромышленная геологическая катастрофаВ настоящее время примеров разрушения морских инженерных сооружений в результате разложения газогидратов крайне мало. Тем не менее, по мереактивизации строительства морских инженерных сооружений, а также повышения внимания к вопросам разработки залежей газогидратов и перехода кихкоммерческой разработке, возможные риски в процессе эксплуатации такихместорождений требуют все более пристального внимания. Боровски и пр.
[87]подчеркивают, что прокладка труб по морскому дну может вызвать подводныеоползни, а это, в свою очередь, может привести к их повреждению. Салинг идругие ученые [88] считают, что разложение гидратов может способствоватькоррозии донных стальных конструкций. Исследования Ховленда и его коллег82[89] подтверждают безопасность использования кессонных якорей и удерживаемых ими морских платформ. На рис.37 приведены обобщенные данные оразрушении обсадных труб, фонтанировании скважин и прочих потенциальных опасностях, возникающих в процессе разработки залежей газогидратов.Рис.37. Схемы возможных аварий при бурении залежи газогидратов на мореЗалежи газогидратов в основном располагаются в осадочных отложенияхкайнозойской эры со слабым или незавершенным диагенезом.
В песчаникеили алевролите газогидраты могут располагаться в порах в виде мелких вкраплений.Влияние газогидратов на процессе буренииПри бурении скважин на морском дне в пластах, содержащих газогидраты,буровым инструментом разрушается пластовый каркас, в результате чего происходит снижение пластового давления; кроме того, в процессе бурения скважины трение бурового инструмента генерирует большое количество тепла итеплообмен между буровым раствором и пластом способствует повышениютемпературы в окружающих скважину породах, содержащих газогидраты.Донный гидратосодержащий слой крайне чувствителен к температурнымусловиям и давлению. Как только температура пласта повышается, а давлениепадает, содержащийся в пласте газогидрат начинает разлагаться.
Помимо83этого, содержащиеся в буровом растворе ингибиторы гидратообразования термодинамического действия на основе минеральных солей и органическихспиртов также могут способствовать разложению содержащихся в пласте газогидратов.Донный слой, содержащий газогидраты, характеризуется сравнительновысоким гидростатическим давлением и низкой температурой окружающейсреды. Когда выделившийся из газогидрата газ в процессе диссоциации вбольшом количестве устремляются в скважину и буровое наземное оборудование, давление внутри них резко повышается.
Между буровым раствором ивнешним слоем, имеющим сравнительно низкую температуру, происходиттеплообмен, в результате чего температура бурового раствора снижается, и этоприводит к повторному образованию гидратов внутри самой скважины и буровом наземном оборудовании.
Когда буровой инструмент достигает слоя свободного газа, расположенного под гидратосодержащим слоем, давление газаможет еще более возрасти, а количество выделившегося газа возрастет ещезначительнее, и попадание в скважину и в вспомогательное наземное буровоеоборудование большого объема холодного газа также может привести к образованию газогидратов внутри них[90].Как показано на рис.38, образование газогидратов внутри скважины ивспомогательном буровом наземном оборудовании может привести к закупориванию скважины и бурильной колонны, что серьезно затруднит буровые работы.Конкретное влияние на скважины, оказываемое образовавшимися в процессе бурения гидратами, может проявляться в следующем:(1) образование гидратов может привести к закупориванию линии длядросселирования и линии для глушения скважин, что сделает невозможнойработу в циклическом режиме;(2) закупоривание газогидратами предохранителя фонтанирования илипространства под ним не позволит производить измерения давления под превенторами;(3) образование газогидратов сделает невозможным перемещение бурового инструмента;(4) образование газогидратов не позволит полностью открывать или закрывать превенторы;(5) образовавшиеся газогидраты в процессе циркуляции в трубопроводеначнут разлагаться из-за изменения температуры и давления с образованием84большого количества газов, что приведет к повышению давления внутриствола скважины и, как следствие, затруднит контроль над скважиной, а в худшем случае может вызвать ее фонтанирование;(6) разложение газогидратов внутри ствола скважины способствует газированию бурового раствора, а сверхвысокое давление, вызванное проникающими в ствол скважины газами, может привести к поглощению бурового раствора, фонтанированию скважины, повреждению обсадных труб и другим авариям;(7) разложение газогидратов также может привести к обрушению осадочных отложений, в результате чего стенки скважины потеряют устойчивость[91,92,93].Рис.38.
Схема образования газогидратной пробки в стволе скважиныПри бурении скважин на морском дне, содержащем газогидраты, образование газогидратов может также оказывать значительное влияние на свойствабурового раствора. Когда в результате разложения газогидратов большойобъем газов попадает в буровой раствор, последний начинает циркулироватьвместе с этими газами, что приводит к снижению плотности бурового раствораи увеличению давления в скважине.
На образование газогидратов расходуетсябольшое количество содержащейся в буровом растворе воды. В результатеэтого происходит водоотдача бурового раствора и, соответственно, изменениеего реологических характеристик, к тому же в буровом растворе может85произойти твердофазная седиментация. Данное явление может привести ктому, что при бурении скважины будет циркулировать лишь небольшое количество бурового раствора. Кроме того, после образования в буровом растворегазогидратов его плотность увеличивается, что снижает скорость бурения. Вто же время образование газогидратов представляет собой экзотермическуюреакцию, и при образовании газогидратов в буровой раствор может высвобождаться большое количество теплоты, что заметно повлияет на температурускважины, температура изменится и, как следствие этого, изменятся и свойства бурового раствора. Из-за возникающего в процессе бурения возмущения,а также из-за изменения температурных условий и давления, образовавшиесяв буровом растворе гидраты могут вновь начать разлагаться, а когда газогидраты начинают разлагаться (разложение газогидратов – это эндотермическаяреакция), температура бурового раствора начнет.В условиях низких температур основные реологические свойства бурового раствора характеризуются кажущейся вязкостью, его пластическая вязкость, динамическое и статическое напряжения сдвига увеличиваются; крометого, неоднородность бурового раствора в подошве и устье ствола увеличивают его способность к твердофазной седиментации, что также влияет на егосвойства.Инциденты геологического характера, связанные с бурением скважинИз схемы фазового равновесия морских газогидратов (рис.39) видно, чтогазогидраты на морском дне существуют в зонах установившегося фазовогоравновесия с соответствующей температурой и давлением.
Температура и давление в указанных зонах находятся в пределах термодинамического диапазона,обеспечивающего формирование и стабильное существование газогидратов.86Рис.39. График условий существования газогидратов в зависимости от температуры и глубиныПри бурении скважин в донных слоях, содержащих газогидраты, снижение пластового давления и повышение температуры, вызванные процессомбурения, приводят к разложению гидратов, в процессе чего выделяется большое количество газа и большое количество воды. В результате фазовое равновесие, находящихся в квазистационарном связанном состоянии гидратов идонного слоя нарушается, а высвобождающиеся газа и вода создают условиядля масштабного смещения осадочных пород.
Если выделяющийся при разложении газ не может быстро ассимилироваться в поровом пространстве породы,в порах возникает избыточное статическое поровое давление, в результатечего эффективное напряжение каркаса снижается, несущая способность осадочного пласта уменьшается.Геологическая структура с язвенной коррозией, газодымовыми каналамиот движения горячих жидкостей, грязевыми вулканами и прочими потенциально опасными явлениями также может способствовать оседанию морскогодна, донным оползням и другим инцидентами геологического характера.Крупномасштабные морские геологические бедствия, вызываемые разложением газогидратов, как правило, связаны с глобальными изменениями –например, с повышением температуры морской воды в результате глобального потепления, снижением уровня моря в позднеплейстоценовый период.Донный оползень Стурегга в Норвегии, Кейп-Фир в США и прочие оползнивозникли не без влияния разложения газогидратов; происходящие в последниегоды климатические изменения привели к снижению стабильности87газогидратов, что вызвало возникновение донных оползней и привело к увеличению вероятности выброса метана.Рис.40.
Связь между разложением газогидрата и подводными образованиямиНа рис.40 приведена схема взаимосвязи между разложением газогидратовна фоне повышения температуры морской воды и образованием пластовых зонс избыточным давлением, газовыми выбросами, формированием подводныхвозвышенностей и оседанием морского дна.
На рис. 40b и 40c показан процессформирования геологической структуры. На рис.41 представлен механизмвозникновения донных оползней, сопровождаемых утечкой газов и селевымипотоками, в результате разложения газогидратов.Рис.41. Связь между разложением газогидрата и подводным оползнем88Вызываемые разложением газогидратов донные оползни и оседание морского дна создают техногенную угрозу, поскольку являются причиной повреждения донных электрических кабелей, оптоволоконных кабелей связи, буровых установок и пр.[94,95].Воздействие на окружающую средуОсновной компонент газогидратов – метан – представляет собой газ, создающий крайне сильный парниковый эффект. Например, парниковый эффект,вызванный выделением метана в 21 раз превышает парниковый эффект, вызванный выделением углекислого газа.
При бурении на морском дне пластов,содержащих газогидраты, нарушается его стабильность, при разложении высвобождается большое количество метана, которое в конечном счете, попадаетв атмосферу. В результате по мере разложения газогидратов на морском днесодержание метана в атмосфере возрастает, что значительно способствует изменению состава мировой атмосферы и влияет на глобальные тенденции изменения климата [96].Устойчивость ствола скважины при бурении в зоне наличия газогидратовБуровой раствор, проникая в пласт в процессе бурения, ускоряет процессразложения газогидрата. С одной стороны, поступление в пласт бурового раствора приводит к изменениям пластового давления, с другой стороны, буровойраствор подводит в пласт тепло, и температура пласта повышается (рис.42).Рис.42.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
