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
Динамика развития пожаров на газовых, газонефтяных и нефтяных фонтанах
Пожары фонтанов условно разделяют на три группы: газовые, газонефтяные и нефтяные. Газовыми считаются фонтаны с содержанием горючего газа не менее 95% по массе, газонефтяными — газа более 50% и нефти менее 50% по массе, а нефтяными — фонтаны с дебитом нефти более 50% по массе. Кроме того, газовые и газонефтяные фонтаны условно подразделяются по мощности (дебиту) на слабые — с дебитом газа до 2млн.м 3 /сутки, средние — от 2 до 5 млн.м 3 /сутки и мощные — свыше 5 млн.м 3 /сутки.
При авариях на скважинах истечение газа из фонтанной арматуры происходит при высоких перепадах давления, значительно превышающих критические, т.е. на срезе трубы устанавливается скорость истечения, равная скорости звука. Для метана скорость звука равна приблизительно 400 м/с.
Горение газового фонтана является диффузионным. В окружающую атмосферу вытекает свежий газ, а горение происходит в результате взаимной диффузии газа и кислорода воздуха.
Горение газовых фонтанов устойчивое, которое может длиться неделями и даже месяцами и не зависит от метеорологических условий- ветра, дождя и т.п. Для ликвидации такого пожара необходимо огромное количество сил и средств.
Поскольку в реальных условиях истечение газа из фонтанной арматуры происходит в основном со скоростями в несколько десятков и даже сотен метров в секунду (при Rе (число Рейнольдса) > 2300), то характер изменения поля скоростей и концентраций газа вдоль струи и в поперечных сечениях (отстоящих на различных расстояниях от места истечения) будут определяться основными закономерностями турбулентной газовой струи [4,10,35].
Рассматривая факелы газонефтяных фонтанов, можно пользоваться (с некоторыми поправками) основными закономерностями турбулентных газовых струй, так как при соотношении массы жидкой фазы (нефти) к массе газа около единицы отношение объемов газа и нефти будет около тысячи. По мере удаления от среза трубы (за счет массообмена струи с окружающим воздухом) это соотношение будет увеличиваться в десятки раз. Скорость движения капелек нефти в струе будет приблизительно равна скорости движения газовой фазы. Поэтому такую двухфазную струю можно рассматривать как свободную затопленную турбулентную струю.
Одним из важных параметров газового факела является его длина (высота). Под высотой факела горения понимается наблюдаемая визуально или «фотографическая» длина факела, а не «химическая».
Проведенными исследованиями установлена экспериментальная зависимость между высотой факела пламени и дебитом газовой скважины. Для практических расчетов с точностью + 5% может быть использована формула:
(3. 1.)
где 
— дебит фонтана млн. м 3 /сутки
Зная дебит фонтана, можно предположить, что высота факела фонтана составит:
.
Исследованиями установлено, что с увеличением расхода газа высота факела пламени растет медленно, причем на нее не оказывает существенного влияния диаметр насадка. Так, при расходе газа 2,2 млн.м³/сутки высота факела для устья фонтана диаметром 150 и 250 мм, составляет 33 м.
Высота пламени у газонефтяных фонтанов несколько больше, чем у газовых. Нефтяные фонтаны с большим дебитом нефти и незначительным содержанием газа имеют небольшую высоту факела пламени, примерно 20-З0 м. Пламя газового фонтана имеет светло-желтую окраску. При пожарах газонефтяных фонтанов вся нефть, как правило, сгорает в факеле пожара, пламя имеет оранжевый цвет, иногда горение сопровождается клубами черного дыма. При пожарах нефтяных фонтанов только незначительная часть нефти успевает испариться и сгореть в воздухе, а большая ее часть выпадает на землю, разливается вокруг устья скважины и продолжает гореть. Нефтяной фонтан горит темным оранжевым пламенем с большим выделением черного дыма.
Одним из факторов, препятствующих ликвидации пожаров газовых фонтанов, является высокая интенсивность теплового излучения факела пламени. Поэтому при тушении газового фонтана большие расходы воды необходимо предусматривать на орошение поверхности земли вокруг скважины в радиусе 10-15 м для снижения температуры в этой зоне, а также на защиту от теплового излучения личного состава и техники, принимающих участие в ликвидации пожара.
Интенсивность излучения компактного вертикального факела газового фонтана в безветренную погоду может быть рассчитана по формуле
(3. 3.)
где f— коэффициент излучения факела пламени, учитывающий долю тепла, рассеивающегося излучением в окружающее пространство; 
— количество тепла, выделяемого факелом пламени; R— расстояние от центра пламени до рассматриваемой точки на поверхности земли.
Значение f принимается: для метана — 0,2, пропана — 0,33, других углеводородов — 0,4.
Теплота пожара определяется по формуле:
(3. 4)
Где 
— низшая теплота сгорания газа, Дж/м 3 ; — расход (дебит) газового фонтана, м 3 /ч; β- коэффициент неполноты сгорания.
Зная величину интенсивности теплового излучения, которую выдерживает личный состав 
, можно рассчитать предельное расстояние (рис. 3.1.) от центра факела пламени по формуле:
(3. 5)
На рис. 3.2. показана зависимость интенсивности теплового излучения от времени теплового воздействия при максимальных болевых ощущениях. Из графика видно, что с увеличением тепловых нагрузок время резко сокращается. При интенсивности излучения (3-4)· 
Дж/(м²·ч) время реакции человека (
5 с) оказывается больше, чем время достижения болевых ощущений, что может привести к сильным ожогам людей, находящихся вблизи устья фонтана при неожиданной его вспышке. При расчетах принимают, что тепловое излучение с интенсивностью в 5,6· 
Дж/(м²·ч) является безопасным и личный состав может выдерживать такие тепловые нагрузки без специальной защиты в течение неограниченного времени.
Безопасное расстояние (рис. 3.1.), на котором могут работать участники тушения пожара, рассчитывается по формуле:
(3. 6.)
Рис. 3. 1. Принципиальная схема расчета безопасного расстояния до горящего факела газового фонтана.
Рис. 3. 2. Зависимость интенсивности теплоизлучения от времени воздействия при максимальных болевых ощущениях
При сильном ветре пламя факела газового фонтана отклоняется от вертикального положения (рис. 3.3.), поэтому проекция зоны теплового воздействия будет иметь форму эллипса. В этом случае безопасное расстояние от устья скважины в противоположном направлении ветра увеличивается и может быть рассчитано по формуле:
(3.7.)
Рис. 3. 3. Принципиальная схема расчета безопасного расстояния для наклонного факела пламени
Для двух горелок различных диаметров при одинаковой скорости смеси в них, считая нормальную скорость константой, тепловые напряжения объема факела обратно пропорциональны радиусу горелки:
(3. 8.)
Это объясняется тем, что горение смеси происходит по поверхности факела. С уменьшением радиуса горелки увеличивается поверхность пламени, приходящаяся на единицу объема факела, что приводит к увеличению теплового напряжения. Такой вид горения наблюдается и на реальных пожарах при горении распыленных газовых фонтанов (рис. 3.4.), например, когда на устье скважины находится буровое оборудование или скважина оборудована фонтанной арматурой (елкой). Фронт пламени имеет развитую поверхность горения, что уменьшает инертный объем факела и увеличивает тепловое напряжение факела горения. При этом факел пламени имеет незначительную длину (высоту) и большой поперечный размер (ширину, диаметр). При встрече струи с фонтанной арматурой за плохо обтекаемыми телами образуется разрежение, вызывающее циркуляцию мощного потока высоконагретых продуктов горения. Факел горения принимает вид полого расходящегося конуса, в котором зажигание осуществляется как изнутри, так и по наружной поверхности. Тушение мощных распыленных фонтанов значительно труднее, чем компактных. Из-за сильно развитой поверхности горения, горение является более устойчивым. На практике распыленный фонтан, как правило, приводят к компактному и только затем приступают к его тушению. Кроме того, встречаются комбинированные фонтаны с компактным факелом сверху (или наклоненном под углом к горизонту) и распыленными у устья (на арматуре), а также групповые (кустовые) фонтаны с одновременным горением двух и более скважин.
Рис. 3. 4. Виды факелов пламени распыленных газовых фонтанов
Источник