ЭПНГК. Лекция 3. Воздействие бурения скважин на недра
Нарушение земных недр Бурение скважин и добыча углеводородов всегда сопровождаются • нарушением равновесного состояния земных недр • загрязнением недр реагентами, используемых при добыче и нефтепродуктами. 2
Нарушение земных недр • Нефть может попасть в водоносные пласты, и наоборот, пласт нефти может обводниться. • Из-за катастрофических уходов промывочной жидкости в горные породы попадают применяемые в буровых растворах минеральные и органические вещества 3
Изменения в недрах • Проходка скважины нарушает естественную разобщенность горных пород и создает возможность взаимодействия пластов между собой и с атмосферой. 4
Изменения в недрах • Отбор нефти и газа из недр, а также нагнетание воды и других реагентов в продуктивные горизонты изменяют напряженно-деформированное состояние огромных массивов пород. • Существует доказанная причинноследственная связь между эксплуатацией месторождений и случаями сейсмических проявлений, особенно, когда залежи приурочены к зонам тектонических напряжений, разломов и сдвигов 5
Сейсмические проявления Просадка земной поверхности • Большие опускания земной поверхности происходят при длительном отборе нефти, когда продуктивный пласт сложен мощной песчано-глинистой толщей. Отбор нефти вызывает значительное снижение порового давления в пласте. По мере отбора нефти все возрастающую часть веса вышележащего массива воспринимает продуктивный пласт. • Оседания земной поверхности наблюдаются, в частности, на крупных и длительно разрабатываемых месторождениях Западной Сибири. • Просадка земной поверхности может достигать нескольких метров 6
• Частицы грунта испытывают всестороннее давление окружающей их жидкости, но вес их от этого уменьшается в результате воздействия выталкивающей силы. • После удаления жидкости вес грунтовых частиц, контактирующих друг с другом, передается на лежащие ниже грунтовые частицы. Оно и создает нагрузку, способную Модель оседания поверхности земли при уплотнять грунт. выкачивании флюидов 7
Примеры просадок поверхности • Нефтяное месторождение Уилмингтон (Калифорния) открыто в 1936 году, к 1968 году из недр было выкачано почти 160 млн тонн нефти и 24 млрд кубометров газа. Через три года началось проседание грунта над месторождением. В 1960 -х годах амплитуда оседания достигла уже 8, 7 метра в год. Пришлось нарастить на 9 м береговые дамбы порта Лонг-Бич; • Месторождение Lagunilas (Венесуэла), открытое в 1926 году. Максимальное опускание - 4, 1 метра к 1976 году. Скорость проседания - до 20 сантиметров в год. 8
Примеры просадок поверхности • На промыслах Экофиск в норвежской части Северного моря произошло непредвиденное погружение оснований стационарных буровых платформ более чем на 4 м, что привело к сокращению безопасного расстояния относительно уровня воды. • Уложенные на дне трубы, соединяющие платформы друг с другом и с материком, испытали повреждения и деформации: зависание над дном и горизонтальные изгибы. 9
Примеры просадок поверхности • 01. 2011. Карачаганакское нефтегазоконденсатное месторождение (Зап. Казахстан). В поселке Березовка, который расположен в санитарно-защитной зоне, появились провалы грунта. • Есть предположение, что провалы могли появиться из-за увеличения добычи на месторождении. 10
Западная Сибирь • Объемы опустевших пород образовавшиеся под Западно-Сибирской низменностью в районах нефте– и газодобычи, составляют от 3 до 11 тысяч кубических километров. • Просадка грунтов на эксплуатируемых месторождениях идет. В некоторых районах от 1 м (Уренгой) до 2 м на Ямале. Но сейчас в основном пока за счет таяния подземных льдов. Сергей Алексеев "Россия: мы и мир" – прогноз будущего ХМАО и Ямала 11
Горизонтальные смещения и неравномерные оседания • Наиболее опасны горизонтальные смещения и неравномерные оседания земной поверхности, которые могут привести к авариям нефтегазопроводов и других инженерных сооружений. • На нефтяном месторождении Инглвуд (Калифорния) образовавшиеся на поверхности горизонтальные смещения стали причиной деформаций и разрыва плотины Болдуин-Хилс. 12
Горизонтальные смещения • Горизонтальным сдвигам горных пород способствует наличие в разрезе глинистых слоев, играющих роль смазки для горизонтальных смещений вышележащих пластов. • Горизонтальные смещения массивов приводят к срезанию обсадных колонн эксплуатационных скважин. 13
Сейсмические явления • Причиной происходящих на месторождениях нефти и газа сейсмических событий может являться увеличение гидродинамического давления в процессе циркуляции промывочной жидкости или принудительного нагнетания воды в продуктивные пласты. 14
Сейсмические явления • Ранее накопленная упругая потенциальная энергия деформаций высвобождается, скачком переходит в кинетическую энергию – происходит землетрясение. • В качестве примера можно привести землетрясение с магнитудой 5, 7, случившееся в 1983 г. с очагом на глубине 7 – 8 км на Кумдагском месторождении в Туркменистане. 15
Причины сейсмичности • Длительная закачка воды в глубокие горизонты вызывает изменение температурного состояния массива и, что неизбежно, – дополнительные деформации и напряжения. Для типичных по упругим и тепловым свойствам горных пород понижение температуры на 1 °С по реакции массива эквивалентно повышению давления воды в порах и трещинах на 0, 7 МПа. • Таким образом, нагнетание воды в глубокие горизонты вызывает возникновение дополнительных напряжений в горных породах как за счет их охлаждения, так и за счет повышения порового давления. Два последних фактора следует рассматривать в ряду причин возбужденной сейсмичности. 16
Причины сейсмичности • Сейсмические события происходят и в результате отбора большой массы углеводородов и снижения гидростатической нагрузки на породы фундамента и кровли, находящихся в критически напряженном состоянии. • Так на Ромашкинском месторождении, где продуктивные пласты залегают на глубине до двух километров, центры землетрясений находились в верхней части кристаллического фундамента на глубинах 3– 5 км. В Волго -Уральской нефтегазоносной провинции техногенноиндуцированные землетрясения достигали силы 7 баллов. 17
Выводы • Разработка месторождений нефти и газа часто провоцирует землетрясения в районах добычи. • Возникают они как при интенсивном отборе углеводородов, так и при закачке жидкости для поддержания пластового давления с целью повышения нефтеотдачи. • Поэтому для предупреждения опасных событий при разработке месторождений следует проводить мониторинг напряженно-деформированного состояния массива и создавать специальную сеть сейсмических станций. 18
Методы и техника утилизации отходов бурения • Строительство нефтяных и газовых скважин сопровождается образованием значительных объемов отходов бурения, отрицательно действующих на окружающую среду: загрязняются недра, почвы и водные объекты; сокращаются лесные и земельные фонды. 19
Основные источники загрязнения окружающей среды при бурении • промывочные жидкости и реагенты, используемые для регулирования ее свойств; • частицы горных пород, выносимые потоком промывочной жидкости из скважины; • пластовые жидкости, выходящие из скважины с потоком промывочной жидкости либо изливающиеся во время газонефтепроявлений, при освоении и испытании; • нефть и нефтепродукты. 20
Некоторые реагенты, используемые при бурении скважин Реагент Концент рация. % Углещелочной 0, 5– 1, 0 реагент Известь Назначение Понижение водоотдачи для создания тонкой, прочной, малопроницаемой корки на стенках скважины Стабилизация структурнореологических свойств буровых растворов; обладает смазывающими свойствами Стабилизация буровых растворов Ги. ПАН 0, 2– 2, 0 Понижение водоотдачи Хлористый кальций 0, 1– 10 Описание реагента Реагент представляет собой продукт взаимодействия измельченного бурого угля с содой каустической или едким калием. Водный раствор Са(ОН)2 Гидролизованный полиакрилонитрил Ингибитор диспергации глины 21
Некоторые реагенты, используемые при бурении скважин Жидкое стекло Хромпик Кальцинирова нная сода Смазка 2, 0– 5, 0 Ингибитор диспергации глины 0, 05– Регулятор загустевания 0, 2 тампонажных растворов 0, 3– 0, 5 Регулятор р. Н 1, 0– 2, 0 Смазочная добавка Силикат натрия или калия Бихромат калия или натрия или смеси (K 2 Cr 2 O 7, Na 2 Cr 2 O 7). Карбонат натрия, Na 2 CO 3 Cоли металлов жирных кислот; сложные эфиры жирных кислот, модифицированные жирные кислоты, растительные масла, нефть и др. 22
Отходы бурения • Наибольший объем отходов бурения составляют буровые сточные воды (БСВ), представляющие собой многокомпонентные суспензии, содержащие нефть и нефтепродукты, минеральные и органические вещества. • В сточных водах в растворенном виде присутствуют минеральные соли натрия, кальция, магния и химические реагенты. • Нефтепродукты находятся в БСВ в эмульгированном и растворенном состояниях. • Минеральная часть взвешенных веществ состоит из частиц глины, утяжелителя и выбуренной породы. Высокий уровень загрязненности БСВ не допускает их сброса в объекты природной среды без предварительной очистки 23
Мероприятия по утилизации отходов бурения • Перед началом буровых работ необходимо снимать слой почвы со всей площади, отводимой под строительство скважины, а после окончания бурения почвенный слой вновь восстанавливается. Наиболее рациональным и экологически оправданным методом утилизации БСВ является переход на замкнутый цикл водоснабжения буровой установки, что обеспечит снижение норм водопотребления. Например, сточные воды можно использовать для приготовления тампонажных (цементирующих стенки скважины) растворов. После окончания строительства скважины буровые сточные воды и отходы буровых растворов следует вывозить на соседние скважины для повторного использования. 24
Количество получающихся отходов бурения • На Тенгизском месторождении (Казахстан) общее количество отходов от 72 пробуренных скважин составило 220 тыс. т, общий объем которых– более 120 тыс. м 3. В среднем количество отходов буровых растворов от проходки одной скважины – более 3000 τ или 1600 м 3 25
Буровые сточные воды • Буровые сточные воды, образующиеся в ходе выполнения различных технологических операций и при работе механизмов и устройств, загрязнены углеводородами, а также всеми компонентами, входящими в состав буровых растворов. • Промывочные воды, воды для охлаждения буровых насосов и др. 26
Очистка буровых сточных вод • Для очистки БСВ используют механические и физико-химические методы. • Метод механической очистки включает – отстаивание, – центрифугирование, – фильтрование и позволяет удалять все примеси за исключением коллоидных фракций. • В гидроциклонах и на центрифугах можно удалить из БСВ до 70% взвешенных частиц. Лучшие результаты достигаются при фильтрации БСВ через пористые материалы. • Наиболее эффективно очищаются БСВ с помощью коагулянтов – солей алюминия и железа. При высокой загрязненности БСВ используются совместно коагулянты и флоккулянты – растворимые высокомолекулярные соединения. • Перспективен биохимический метод очистки БСВ, основанный на способности некоторых микроорганизмов извлекать из воды органические вещества. 27
Практика утилизации • При проектной вместимости одного амбара 5000 м 3 отходы химических реагентов и материалов занимают третью часть вместимости амбара. • При этом содержание нефти, битума и дизельного топлива в одном амбаре составило более 1000 т. • Кроме этого в шламовый амбар также сбрасывался избыток тампонажного раствора. • Остальной объем амбара заполнялся выбуренной породой, а после технической рекультивации –грунтом, вынутым при строительстве амбара. • Подобный способ захоронения полужидкой массы отходов бурения в шламовых амбарах на территории буровой практикуется почти повсеместно. Способ локализации отходов бурения посредством засыпки котлованов без их обезвреживания не решает полностью задачи защиты почвы и грунтовых вод от загрязнения отходами. 28
Рациональная утилизация • Повторное отработанных буровых растворов (ОБР) использование для бурения новых скважин и крепления стволов скважин. • Самым доступным методом ликвидации ОБР и бурового шлама (БШ) является их захоронение в земляных амбарах непосредственно на буровой. • При этом обязательным условием является обезвреживание захороненной массы. 29
Обезвреживание буровых отходов • Наиболее простым и эффективным способом обезвреживания и утилизации ОБР является их отверждение с помощью минеральных вяжущих материалов с активирующими добавками: – – окись алюминия, жидкое стекло, хлорид железа. вяжущие на основе полимерных материалов. • Проблемы очистки и утилизации всех отходов бурения целесообразно решать в комплексе – такая технологическая политика должна стать основной среди нефтедобывающих компаний. 30
Рекультивация нарушенных территорий • Рекультивация нарушенных территорий – это комплекс мероприятий по восстановлению нарушенного почвенного покрова, биоресурсов, природной и геологической среды. • Процессы рекультивации должны носить системный характер и занимать равное положение с процессами эксплуатации недр. • Рекультивация земель должна осуществляться за счет средств добывающих компаний. Эти средства должны входить в себестоимость готовой продукции. 31
Управленческие мероприятия по снижению воздействия на ОС • Проекты разведки и обустройства месторождений, а также проекты строительства скважин на нефть и газ должны содержать раздел «Охрана окружающей среды» с указанием различных мер и средств защиты. • В контрактах на разработку месторождений и в лицензиях на пользование недрами содержатся мероприятия по охране недр. 32
Вопросы к лекции 3 «Воздействие бурения скважин на недра» • 1. Перечислить отрицательные эффекты воздействия процессов бурения на почву и недра. Выделить механические и химические эффекты и их последствия. • 2. Какой химикат буровых растворов является наиболее опасным? • 3. Перечислить способы очистки буровых сточных вод. От каких компонентов их очищают? Почему коллоидные частицы нельзя отделить фильтрованием? • 4. Почему классический способ локализации отходов бурения посредством засыпки котлованов без их обезвреживания не решает полностью задачи защиты окружающей среды? 33
Скачать презентацию ЭПНГК Лекция 3 Воздействие бурения скважин на недра
L_3_Vozdeystvie_burenia_skvazhin_na_nedra.ppt