КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЖАРОВ ГАЗОВЫХ И НЕФТЯНЫХ ФОНТАНОВ.
Нефть и газ из недр земли добывают через скважины пробуриваемых на глубину залегания нефтяного и газовых пластов. Верхняя часть скважины называется устьем. Нижняя – забой.
Комплекс различных силовых и вспомогательных агрегатов, и механизмов и оборудования, необходимого для бурения скважин, объединяют под общим названием буровая установка, в состав которой входит также буровая вышка высотой до 55 метров.
При вскрытии и проходке продуктивных пластов, в процессе бурения, если противодавление столба промывочной жидкости окажется меньше пластового давления, могут возникнуть фонтаны газа и нефти с газом.
На эксплуатационных скважинах открытые фонтаны могут возникнуть при фонтанном способе добычи, в результате разгерметизации устья, а также при ремонте скважин.
Открытое фонтанирование часто приводит к пожарам. Для этого достаточно появиться малейшему источнику воспламенения.
Газовые и нефтяные фонтаны классифицируются по:
— составу фонтанирующего вещества;
— конфигурации струи фонтана;
— количеству одновременно действующих фонтанов на одной площадке;
— дебиту фонтанирующих скважин.
По составу фонтанирующего вещества фонтаны различают:
— нефтяные ( содержание в массе более 50% нефти или конденсата);
— газонефтяные (10-50 % нефти или конденсата);
— газовые (более 90 % газа ).
В практике вид фонтана можно определить по внешним признакам. Так, в нефтяных фонтанах нефть и конденсат не успевают сгорать в факеле пламени, падают вниз и скапливаются на поверхности земли. В черном дыму просматриваются языки пламени.
У газонефтяных фонтанов цвет пламени обычно оранжевый и временами появляется густой черный дым, что свидетельствует о периодической пульсации в фонтане нефти. Нефть и газ сгорают в пламени полностью и скопление их вокруг скважины не образуется. Однако при подаче водяных струй в факел пламени интенсивность горения уменьшается, при этом возможно выпадение нефти и конденсата из горящего фонтана и создания очага горения на поверхности земли.
В газовых фонтанах дым выделяется в небольших количествах. При горении метана фонтан имеет светло-желтое пламя.
По конфигурации струи фонтаны различают на:
Компактные фонтаны образуются, когда фонтанирование происходит через открытые обсадные или эксплуатационные колонны, через тройник или крестовину на устье скважины.
Компактный фонтан может быть вертикальный или горизонтальный. Величина зависит от сечения струи и дебита.
Распыленный фонтан образуется, когда через 15-20 мин. произойдет обрушение буровой вышки, или при истечении газа или нефти через неплотности фонтанной арматуры, а также на выходе струи имеются препятствия, о которые струя разбивается на отдельные потоки.
Комбинированный фонтан состоит из компактной и распыленной части и может занимать площадь несколько десятков квадратных метров.
По количеству одновременно фонтанирующих скважин делят на одиночные и групповые. Групповые фонтаны обычно возникают при кустовой разработке месторождений, на чем я останавливался раньше.
По дебиту фонтанирующие скважины можно разделить на слабые, средние и мощные.
| Вид фонтана | Дебит фонтанирующей скважины (млн. м 3 /сутки) газа или (тыс. м 3 /сутки) нефти | |
| компактные струи | распыленные и комбинированные | |
| Слабый Средний Мощный | До 2.0 2.0-5.0 Свыше 5.0 | До 1.0 1.0-2.0 Свыше 2.0 |
При расчете сил и средств на тушение газонефтяного фонтана можно принять, что на 1 м 3 нефти эквивалентен 1000 м 3 газа.
Дебит- один из основных параметров, определяющих параметры тушения пожара и расходы огнетушащих средств.
В условиях аварийного фонтанирования определить дебит скважины довольно сложно. Но существует несколько методов расчетов дебитов которые рассматриваются в ВИПТШ МВД.
Как же изменится обстановка при возникновении открытого фонтанирования?
Аварийное фонтанирование до воспламенения выходящей смеси (нефти, газа) может продолжаться несколько суток при отсутствии источников зажигания, в результате чего вблизи фонтана образуется зона, характеризующая наличие пожаро-взрывоопасных веществ, выбрасываемых из скважины.
Зона загазованности при отсутствие ветра может достигать несколько километров в длину, а зона растекания нефти и конденсата зависит от рельефа местности и дебита фонтана, может иметь протяженность в несколько сот метров. (Показать фрагмент экологической обстановки в Кувейте)
Воспламенение фонтана сопровождается взрывообразным сгоранием газовоздушной смеси в объеме загазованной зоны, а при растекании нефти и конденсата происходит развитие горения по всей поверхности этой зоны. В результате пожар распространится на другие объекты, расположенные в указанных зонах.
Через 15-30 мин. после воспламенения на бурящихся скважинах метало конструкции зоне воздействия пламени теряют несущую способность, деформируются, обрушаются, загромождают устье скважины. На кусте скважин развитие пожара обуславливается близким расположением устьев друг от друга, вследствии чего при пожаре огонь быстро распространяется на все остальные скважины. Из опытных данных известно, что в течении часа арматура восьми скважин на кусте, вследствие 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.
Температура пламени зависит от состава фонтанирующего вещества и достигает порядка 1200-1500 0 С.
Высокая температура и огромный фронт пламени вызывает мощный тепловой поток на значительное расстояние от устья скважины. При горении газового фонтана в Кашкадарьинской области местность и оборудование от воздействия пламени факела высотой 70-80 м. были на столько накалены, что не давали возможности подходить в радиусе до 150-200 м..
Так при дебите 700 тыс.м 3 газа в сутки замеры произведенные ИПЛ УВД Харьковской области показали, что на расстоянии 10 м. от устья скважины с наветренной стороны интенсивность излучения равна 18 кал/см 2 мин., а с подветренной стороны на расстоянии 20 м. она равна 20 кал/см 2 мин.. Длительно допустимая интенсивность излучения на человека составляет 6 кал/см 2 мин.
Воздействие теплового потока на открытую кожу человека, оборудование, технику (Показать кадр на кодоскопе).
| Плотность теплового потока (кал/см 2 мин.) | Последствия теплового воздействия | ||||
| На кожу человека | На технику | ||||
| металлическое оборудование | древесина | резина одежда | ткань | ||
| 6,0 | Болевые ощущения через 20 с. | Без изменения | Без изменения | Без изменения | Без изменения |
| 12,0 | Появление волдырей через 20 с. | Вспучивание краски | Разложение | Разложение | Обугливание |
| 15,0 | — | Обгорание краски | Загорание | Загорание | Загорание |
Плотность теплового потока можно понизить путем:
— подачи водяных струй в сторону фонтана. Так при расходе воды 10-15 л/с на 1 млн. м 3 /с газа плотность теплового потока снижается в 2 раза, и в 3 раза при подаче 30 л/с;
— созданием экранирующих водяных завес;
— использование экранирующих щитов для групповой и индивидуальной защиты.
Открытые газовые и нефтяные фонтаны сопровождаются чрезвычайно большим шумом, при котором невозможно услышать голос человека даже на близком расстоянии. При этом не дают эффекта даже самые мощные громкоговорящие устройства. В этих условиях распоряжения РТП передаются только в письменном виде или с помощью сигналов управления. Уровень шума зависит от дебита скважины, вида фонтана, состава фонтанирующей струи, расстояния до фонтана. Зона потери слышимости разговорной речи человека может достигать 500 м и более.
Величина уровня шума для горящих и негорящих газовых фонтанов измеряется в дебитах (показать на кодоскопе).
| Вид фонтана | Дебит фонтана (млн.м 3 /cутки) | Уровень шума в децибелах | ||||
| Горящая струя | Негорящая струя | |||||
| 10 м | 20 м | 40 м | 60 м | 10 м | 20 м | 40 м |
| Компактный | 1.0 2.0 3.0 6.0 7.0 | 120,5 |
Степень воздействия шума на человека при суммарной длительности воздействия:
| Уровень шума в децибелах | Степень воздействия на человека |
| Допустимый уровень Болевой порог Смертельный уровень |
Таким образом: пожары газовых и нефтяных фонтанов характерны:
— наличием большого теплового потока и шума;
— большой высотой факела пламени;
— деформацией буровых вышек;
— возможностью быстрого распространения огня на замерные установки типа “Спутник” и другие сооружения;
— при аварийном фонтанировании не исключена возможность загазованности местности и образование взрывоопасной концентрации.
Все это затрудняет действия подразделений по ликвидации аварий и пожаров, требует от личного состава большой натренированности, выносливости, напряжения силы и воли.
При получении сообщения об открытом фонтане начальник местного гарнизона пожарной охраны должен направить на фонтан силы и средства, лично выехать на место, оценить обстановку на пожаре, при возможности организовать охлаждение водой зоны горения и совместно с представителями нефтегазодобывающего (геологоразведочного) предприятия принять участие в организации выполнения необходимых первоочередных мероприятий в соответствии с “Инструкцией по организации и безопасному ведению работ при ликвидации открытых газовых и нефтяных фонтанов”, а также доложить немедленно об аварии и принятых мерах в УГПС.
Для проведения различных работ по ликвидации фонтана создается штаб в который входят различные службы, в том числе и пожарная.
Для лучшей организации действий пожарных подразделений РТП создает оперативный штаб тушения пожара.
Основными задачами оперативного штаба тушения пожара являются:
— выявление особенностей пожара, характера фонтанирования и дебита фонтана, возможные пути развития пожара;
— выбор способа тушения пожара и вызов необходимого количества сил и средств;
— детальная разработка и осуществление тактического плана тушения пожара и дислокация боевых участков;
— расстановка и распределение по боевым участкам прибывших пожарных подразделений, постановка перед ними задач в соответствии с тактическим планом тушения пожара;
— обеспечение четкого выполнения тактического плана мероприятий по тушению пожара;
— создание водяной защиты людей, работающих на устье фонтанирующей скважины, обеспечение орошение фонтана и металлоконструкций; бесперебойное снабжение водой работающих пожарных подразделений;
— организация связи между оперативным штабом тушения пожара и боевыми участками;
— обеспечение соблюдения требований техники безопасности при работе личного состава на боевых участках.
Первоначальные мероприятия штаба по подготовке и тушению пожаров фонтанов включают в себя:
— создания расчетного запаса воды для тушения пожара или ликвидации фонтана;
— расчистка места пожара от оборудования и металлоконструкций;
— развертывание средств тушения и подготовка боевых позиций для автомобилей АГВТ-100(150);
— осуществление мероприятий, связанных отводом и сбором нефти после тушения пожара, с защитой ближайших объектов, населенных пунктов и т.д.
Запасы воды для работы пожарных подразделений определяется в зависимости от вида и дебита скважины, особенности тушения пожара и ликвидации фонтана, метеорологических условий и т. д.
Как показывает опыт тушения пожаров, общий объем водоемов, которые необходимо построить, составляет 2,5-5 тыс.м 3 , т.е. для бесперебойной работы пожарных подразделений Qтр=150-200 л/c и более. Водоемы должны располагаться с двух противоположных сторон относительно скважины на расстоянии 200-300 м.
Расчистка места пожара производится с целью удаления с устья скважины конструкций и оборудования, мешающих боевому развертыванию средств тушения и препятствующих свободному выходу нефти и газа из фонтанирующей скважины, т.е. создание компактного фонтана.
Эти работы выполняются с использованием тракторов, тягачей и другой техники под прикрытием водяных струй. В отдельных случаях, когда расчистка места пожара обычными методами невозможна, прибегают к отстрелу оборудования артиллерийскими снарядами.
Пожарные подразделения при очистке места пожара осуществляют следующие операции:
— защиту распыленными водяными струями людей и техники, производящих расчистку места пожара с расходом воды 60 л/с.
— орошение фонтана компактными водяными струями из лафетных стволов для снижения плотности теплового потока из расчета 1-2 ствола на 1 млн.м 3 /сутки газа;
— охлаждение водой оборудования на устье скважины и прилегающей территории. Здесь надо различать две зоны:
— территорию и металлоконструкции, охваченные фронтом пламени (0.3-0.4 л/с м 2 );
— территорию и металлоконструкции, прилегающие к фронту пламени на расстоянии 10-15 м (0.1-0.2 л/с м 2 ).
Развертывание сил и средств пожаротушения включает в себя устройство площадок (в основном для АГВТ о чем подробно остановимся ниже), прокладку магистральных линий из металлических труб диаметром 150-200 мм с гребенками и капроновые рукава диаметром 150 мм.
Для рабочих линий в непосредственной близости от горящего фонтана применять непрорезиненные рукава. Прокладку рукавов следует производить после предварительного охлаждения земли и под защитой водяных струй.
Автомобили по подаче воды, обслуживающие БУ, целесообразно объединять в группы с расстоянием между группами 4-5 м.
После завершения работ по подготовке устья скважины, сосредоточения запасов воды и оборудования, проводят тренировки личного состава для отработки приемов тушения фонтана
Источник
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/(см 2 -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/(см 2 — 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.
Источник