Вопрос 2 Особенности горения газонефтяных фонтанов

Особенности пожарной опасности бурения в целом определяются неустойчивостью равновесия между пластовым давлением и давлением, создаваемым нагнетанием в скважину глинистого раствора. Это равновесие может быть нарушено в результате: несвоевременной подкачки глинистого раствора в скважину при подъеме бурильного инструмента; увеличения потерь глинистого раствора при бурении пород, содержащих пустоты или трещины; уменьшения плотности глинистого раствора при чрезмерном насыщении его нефтяными газами или обводнении пластовыми водами.

Выбросу и открытому фонтанированию способствует также максимальное на момент бурения пластовое давление для данной скважины, несоответствие плотности глинистого раствора требованиям геологического наряда, замена глинистого раствора водой или нефтью и т. п.

Период промышленной эксплуатации скважин при нормальной работе установки в целом характеризуется стационарным режимом работы технологического оборудования. Однако на отдельных операциях, связанных с освоением скважин, могут возникать опасные ситуации. Так, в процессе освоения скважины при возбуждении пласта, осуществляемого путем снижения давления на забой, может значительно повыситься давление на устье скважины и вызвать повреждение или срыв арматуры с открытым фонтанированием.

Возбуждение пласта с помощью эрлифта приводит к выделению из. скважины значительного количества горючих паров и газов даже без повреждения арматуры. Большую опасность здесь представляет процесс так называемого тартания, при котором через открытое устье скважины на поверхность могут выходить горючие газы и пары нефти, способные в смеси с воздухом образовать горючую концентрацию в объеме значительных размеров.

Однако наиболее опасным является открытое фонтанирование, которое приводит к выбросу большого количества нефти и газа и образованию горючего парогазовоздушного облака гигантских размеров. Облако в зависимости от мощности фонтана, метеорологических условий и рельефа местности может распространиться на расстояние 1-2км и более от фонтанирующей скважины.

Наиболее вероятные источники зажигания при бурении связаны с тепловым проявлением механической, химической и электрической энергии.

Опасность проявления механической энергии обусловлена возможностью выброса, из скважины глинистого раствора. Вместе с раствором из скважины могут быть выброшены буровой инструмент или горная порода, которые при ударе о стальные элементы оборудования высекают искры, имеющие достаточную для зажигания воспламеняющую способность.

Опасно также тепловое проявление процесса самовозгорания отложений сернистых соединений железа, которые образуются на внутренних стенках технологического оборудования в результате химического взаимодействия сероводорода или свободной серы со стальными поверхностями. При контакте с кислородом воздуха сернистые соединения железа способны активно окисляться вплоть до их самовозгорания. Наибольшая опасность самовозгорания существует в аппаратах емкостного типа, куда периодически может поступать воздух (резервуары, сепараторы и другое промысловое оборудование).

Повышенную опасность представляют скважины с электропогружными насосами, так как предполагают использование разветвленной сети электропроводов и кабелей, находящихся под напряжением. Поэтому имеется опасность теплового проявления коротких замыканий и перегрузок силовой сети.

На буровой установке могут быть и другие источники зажигания: искры двигателей внутреннего сгорания (при использовании в качестве привода двигателей внутреннего сгорания), открытое пламя аппаратов с огневым подогревом (например, трубчатые печи пунктов комплексной подготовки нефти) и разряды атмосферного электричества.

Характерными путями распространения пожара на установке являются парогазовоздушное облако и зеркало разлившейся нефти, образующиеся при аварийном выбросе нефти и газа, а также при открытом фонтанировании нефти.

Пожар на фонтанирующих скважинах может достигать катастрофических масштабов, распространяться на соседние буровые установки и сооружения в результате мощного теплового излучения от образующегося вертикального факела пламени высотой до 100 м и более и горящей вокруг него нефти, разлившейся на площади нескольких тысяч квадратных метров.

Газовые и нефтяные фонтаны классифицируют по составу фонтанирующего вещества, виду струи фонтана, количеству фонтанирующих скважин.

По составу фонтанирующего вещества различают фонтаны нефтяные (содержащие по массе более 50% нефти или конденсата), газонефтяные (10-50% нефти или конденсата) и газовые (более 90% газа). При горении нефтяных фонтанов нефть и конденсат, как правило, не успевают полностью сгорать в пламени фонтана, растекаются вокруг скважины и образуют значительную зону горения на поверхности земли. В газонефтяных и газовых фонтанах нефть и конденсат сгорают в пламени полностью. Однако при подаче водяных струй в факел газонефтяного фонтана интенсивность горения уменьшается, при этом возможно выпадение нефти и конденсата из горящего фонтана и создание очага горения на поверхности земли.

По виду струи фонтаны различают компактные, распыленные и комбинированные. Комбинированный фонтан состоит из распыленной части и компактных струй.

Распыленный и комбинированный фонтаны можно преобразовать в компактный, путем растаскивания бурового оборудования и расчистки устья скважины или снятия (отстрела) поврежденной фонтанной арматуры и противовыбросового оборудования.

По количеству одновременно фонтанирующих скважин фонтаны подразделяют на одиночные и групповые. Групповые фонтаны обычно возникают при кустовой разработке месторождения. Аварийное фонтанирование до воспламенения фонтана может продолжаться несколько суток, и в течение этого времени вблизи фонтана образуется зона, характеризующаяся наличием пожаро- и взрывоопасных веществ, выбрасываемых из скважины.

Зона загазованности при отсутствии ветра может достигать несколько километров в длину, а зона растекания нефти и конденсата в зависимости от рельефа местности и дебита фонтана может иметь протяженность несколько сот метров. По поверхности воды нефть и конденсат могут растекаться на значительные площади.

Воспламенение фонтана сопровождается взрывообразным сгоранием газовоздушной смеси в объеме загазованной зоны, а при растекании нефти и конденсата происходит развитие горения на всю поверхность этой зоны. В результате пожар может распространиться на другие объекты, расположенные в указанных зонах.

Через 15-30 минут после воспламенения фонтана металлоконструкции в зоне воздействия пламени теряют несущую способность, деформируются и загромождают устье скважины.

С течением времени ослабление креплений устьевого оборудования от действия пламени, появление воды, нефти или конденсата в газовом фонтане, повреждение ствола скважины и т. д. могут привести к изменению вида фонтанирования, состава фонтанирующего вещества и дебита фонтана.

На кусте скважин развитие пожара обуславливается близким расположением устьев друг относительно друга, вследствие чего при пожаре на одной из скважин огонь быстро распространяется на весь куст, и устьевое оборудование соседних скважин оказывается в зоне огня. В течение часа арматура всех скважин вследствие воздействия высокой температуры разгерметизируется и возникают открытые распыленные фонтаны всех скважин, не задавленных промывочной жидкостью.

Одним из серьезных осложнений пожара является образование кратера на устье скважины и грифонов на прилегающей территории. Они возникают чаще всего при разгерметизации ствола скважины из-за недостаточной глубины спуска кондуктора и его некачественного цементирования.

В этом случае происходит прорыв газа или нефти из скважины. При малой глубине прорыва и отсутствии каверн или проницаемых пластов газ или нефть по контакту «цемент-порода» выходят на поверхность непосредственно у устья скважины, где образуется кратер или котлован. При большой глубине прорыва и наличии пустот или проницаемых слоев происходит переток газа или нефти в вышележащие горизонты. Выход газа или нефти на поверхность в этих условиях происходит через трещины, колодцы или ранее пробуренные скважины, иногда на значительных расстояниях от аварийной скважины с образованием грифонов. Дебит фонтанирующей скважины - один из основных параметров, определяющих приемы тушения пожара и расходы огнетушащих средств.

Существует несколько методов, позволяющих ориентировочно определить дебит фонтанирующей скважины:

а) по геолого-техническим характеристикам (с учетом конструкции забоя скважины и параметров пласта, условий фильтрации нефти и газа в породе, величины пластового и забойного давления, геометрических размеров ствола скважины и др.);

б) по геометрическим размерам пламени;

в) по величине прямого скачка уплотнения (фотометрический метод);

г) по уровню шума (акустический метод);

д) по газодинамическим характеристикам (в зависимости от давления на устье скважины, площади выходного сечения, плотности и температуры фонтанирующего вещества).

Основными теплофизическими параметрами горящего фонтана являются температура пламени и плотность теплового потока.

Температура пламени зависит от состава фонтанирующего вещества. Характерным для нефтяных и газовых фонтанов является то, что температура быстро, в течение нескольких минут стабилизируется и достигает порядка 1200 - 1500° С.

Величина тепловых потоков зависит от температуры пламени, дебита скважины, вида струи фонтана, состава фонтанирующего вещества, расстояния до факела пламени, расположения пламени над уровнем земли, направления и скорости ветра.

Плотность теплового потока в зоне длительной работы личного состава без специального теплозащитного снаряжения не должна превышать 6 кал/(см²-мин). В этой зоне личный состав может работать в боевой одежде и в касках с защитными щитками.

При использовании специального теплозащитного снаряжения, предварительно смоченного водой, и под защитой распыленных водяных струй личный состав может кратковременно, в пределах до 5 минут работать в зоне с плотностью теплового потока до 20 кал/(см²- мин). Техника, защищенная войлоком или другим теплоизоляционным материалом, а также тепло отражательными экранами, при непрерывном орошении водяными струями может работать в этой зоне в течение 5-10 минут.

Плотность теплового потока может быть существенно понижена путем подачи водяных струй в струю фонтана, создания экранирующих водяных завес, использования экранирующих щитов для групповой и индивидуальной защиты.

Результаты измерений на ряде опытных и реальных пожаров газовых фонтанов показывают, что при подаче водяных струй в струю фонтана плотность теплового потока снижается в 2 раза при удельном расходе воды 10-15 л/с на 1 млн. м. куб/сутки газа и в 3 раза - при подаче 30 л/с воды на 1 млн. м. куб/сутки газа.

Открытые газовые и нефтяные фонтаны сопровождаются шумом, уровень которого зависит от дебита фонтанирующей скважины, вида фонтана, состава фонтанирующей струи, расстояния до фонтана.

Допустимый уровень шума разрешается при суммарной длительности воздействия за день до 8 часов.

При меньшей продолжительности воздействия допустимый уровень шума увеличивается соответственно при времени работы:

от 1 до 4 часов до 91 дб;

от 0,25 до 1 часа до 97 дб;

от 5 до 15 минут до 103 дб;

менее 5 минут до 109 дб.

Указанные величины уровня шума горящих и не горящих газовых фонтанов превышают допустимые. В связи с этим при работе на устье скважины требуется принятие специальных мер по защите органов слуха человека.