Моделирование процесса диссоциации газового гидрата при вскрытии залежи бурением. Часть 2

1 2 3

---

 

3 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Постановка задачи

При бурении на морской акватории (глубина моря – 200 м) были встречены газовые гидраты. Рассчитать и начертить график изменения температуры бурового раствора при его циркуляции в скважине (прямая промывка).

При расчетах примем следующие предположения. Известны следующие параметры бурения:

1. Td (0, t) – температура бурового раствора на устье скважины на входе в бурильную трубу
2. Q(t) – расход бурового раствора на устье
3. υ(t) – скорость бурения

Известны тепловые свойства разреза. Разбуриваемая среда однородная по радиусу. Учитывается слоистость горных пород. Тепловые свойства, такие как теплоемкость c, теплопроводность λ, плотность ρ бурового раствора будем считать постоянными в пределах слоя.

В буровой трубе нисходящий поток обменивается теплом с потоком в затрубном пространстве:

Здесь:

,  – температура бурового раствора в буровой трубе и затрубном пространстве, oC;  , – коэффициент теплопередачи в буровой трубе и затрубном пространстве, Вт/(м2 · oC); – теплопроводность труб, Вт/(м · oC); , – наружный и внутренний диаметр буровых труб, м;  – глубина отдельного участка, м;

В затрубном пространстве восходящий поток бурового раствора обменивается теплом с буровым раствором в буровой трубе и стенкой скважины:

Здесь:

– температура стенки скважины, oC; – площадь сечения затрубного пространства, м2;  – коэффициент теплоотдачи от потока в затрубном пространстве к стенке скважины, Вт/(м2 · oC);  – время теплообмена между раствором и стенкой скважины, с;

Граничные и начальные условия:

1. на устье скважины (H=0) температура бурового раствора является известной величиной

1. на забое скважины температура бурового раствора дополнительно увеличивается за счет трения долота о породу

1. на бесконечном удалении от скважины сохраняется невозмущенная температура пород

Коэффициенты теплообмена:

1. теплообмен между потоком в буровой трубе и потоком затрубном пространстве рассчитывается по формуле

1. теплоотдача от потока в затрубном пространстве к стенке скважины

где

– теплопроводность бурового раствора, Вт/(м · oC);  – число Нуссельта для теплообмена в буровой трубе;  – число Нуссельта для теплообмена в затрубном пространстве; – диаметр затрубного пространства, м.

Число Нуссельта:

Число Прандтля:

Число Рейнольдса в буровой трубе:

Число Рейнольдса в затрубном пространстве:

Здесь:

число Прандтля при температуре стенки; коэффициент; теплоемкость бурового раствора, Дж/(кг · oC); динамическая вязкость бурового раствора, Па · с, – кинематическая вязкость бурового раствора, м2/с; , – скорость бурового раствора в трубе и затрубном пространстве, м/с.

3.2 Результаты расчетов

Моделируется бурение слоистой среды. Количество слоев равно трем. Мощность каждого слоя различна:

1. мощность слоя воды – 200 м;
2. мощность слоя породы – 70 м;
3. мощность слоя гидратов – 100 м.

Тепловые свойства представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Тепловые свойства слоев

Моделируется бурение до глубины 370 м в течение 6 часов с постоянной скоростью. Затем продолжается промывка скважины путем циркуляции бурового раствора при неизменной глубине в течение 5 часов, после чего идет восстановление температуры в течение 10 часов. Таким образом, длительность моделирования составляет 21 час.

На рис. 6.1 приведены результаты расчетов.

Как видно из рис. 6.1 (б), температуры в буровой трубе и затрубном пространстве в простаивающей после бурения скважине сравнялись и стремятся к равновесной температуре горных пород.

На рис. 3 показано изменение температуры на глубине z=z(t) во времени.

Рисунок 6.1 – Термограммы в стволе скважины:

а) t=6 ч; б) t=21 ч; 1 – геотермическое распределение; 2 – температура в буровой трубе; 3 – температура в затрубном пространстве

 

Рисунок 6.2 – Распределение температуры по времени на долоте:

1 – период бурения; 2 – промывка скважины; 3 – восстановление температуры

4 ОХРАНА ТРУДА

4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов при проектировании

В соответствии с ГОСТ 12.0.003-2015 «Опасные и вредные производственные факторы. Классификация» на людей, работающих на данном объекте, возможно воздействие таких опасных и вредных производственных факторов как:

1. Факторы физического воздействия:

• опасные и вредные производственные факторы, которые связаны с силами и энергией механического движения, в том числе в поле силы тяжести:
• действие силы тяжести, которое может вызвать падение работающего с высоты;
• неподвижные режущие, колющие, обдирающие, разрывающие части твердых объектов, воздействующие на работающего при соприкосновении с ним;
• движущиеся (в том числе разлетающиеся) твердые, жидкие или газообразные объекты, наносящие удар по телу работающего.
• опасные и вредные производственные факторы, связанные с чрезмерно высокой или низкой температурой материальных объектов производственной среды, которые могут вызвать ожоги (обморожения) тканей организма человека;
• опасные и вредные производственные факторы, связанные с аномальными микроклиматическими параметрами воздушной среды на местонахождении работающего, температурой и относительной влажностью воздуха, скоростью движения (подвижностью) воздуха относительно тела работающего, а также с тепловым излучением окружающих поверхностей, зон горения, фронта пламени, солнечной инсоляции;
• опасные и вредные производственные факторы, связанные с механическими колебаниями твердых тел и их поверхностей;
• опасные и вредные производственные факторы, связанные с акустическими колебаниями в производственной среде;
• опасные и вредные производственные факторы, связанные с электрическим током, вызываемым, разницей электрических потенциалов, под действие которого попадает работающий, включая действие молнии и высоковольтного разряда в виде дуги, а также электрического разряда живых организмов.

1. Факторы химического воздействия:

• химические вещества, воздействующие на организм человека:
• раздражающие;
• токсические.
• химические вещества по критерию опасной трансформации:
• используемые в производственной деятельности для преднамеренных технологически обусловленных химических реакций, вызывающих возникновение новых веществ с иными химическими свойствами.
• химические вещества по критерию опасного и (или) вредного воздействия на организм работающего:
• непосредственно действующие на организм работающего как опасные и вредные производственные факторы химической природы действия.
• отдельные группы химических веществ, связанных с химической продукцией и специфично воздействующих на человека:
• вещества, обладающие острой токсичностью по воздействию на организм (ядовитые вещества/ химикаты/химическая продукция);
• вещества, вызывающие серьезные повреждения или раздражение глаз;
• вещества, представляющие опасность при аспирации.

1. Факторы биологического воздействия:

• опасные и вредные производственные факторы биологической природы действия на организм работающего связаны с такими биологическими объектами, как:
• патогенные и условно патогенные микроорганизмы.
• биологические объекты, обладающие биологическим воздействием на организм работающего по характеру результирующего воздействия на организм человека и вызывающие:
• иные острые или хронические заболевания, причина которых может быть так или иначе связана с условиями труда;
• иные острые или хронические заболевания, причина которых не может быть однозначно связана с условиями труда (общие заболевания).
• биологические объекты, обладающие биологическим воздействием на организм работающего, подразделяют по характеру проникновения в организм работающего человека на попадающие в него:
• с воздухом;
• с пищей и (или) водой, а также из-за загрязненных рук.
• биологические объекты, обладающие биологическим воздействием на организм работающего:
• способные/неспособные к устойчивому существованию в окружающей среде, сырье, материалах, полуфабрикатах и готовой продукции.

1. Факторы психофизиологического воздействия:

• опасные и вредные производственные факторы, обладающие свойствами психофизиологического воздействия на организм человека:
• физические перегрузки, связанные с тяжестью трудового процесса;
• нервно-психические перегрузки, связанные с напряженностью трудового процесса.

 

 

4.2 Разработка технических мероприятий по снижению воздействия ОВПФ на работающих

Мероприятия по минимизации последствий опасных и вредных производственных факторов включают:

1. для уменьшения или полного устранения уровня опасности от вредных веществ ограничивают применение их по числу и объему, а также стараются заменить высокотоксичные вещества на менее токсичные, сокращают время пребывания людей в загрязненном воздухе и следят за эффективным проветриванием производственных помещений; в особо опасных условиях применяют индивидуальные средства защиты;
2. для уменьшения уровня шума на объекте используются как индивидуальные, так и коллективные средства защиты (пневмоударники, звукоизоляция и звукопоглощение);
3. для борьбы с вибрацией на объекте производят балансировку, установку амортизаторов, виброфундамент, увеличивают массу основания, используют виброизолирующие хомуты на напорных линиях буровых насосов, применяют специальные виброгасящие коврики под ноги у пультов управления различными механизмами;
4. обеспечение недоступности прикосновения к оголенным токоведущим частям, находящимся под напряжением;
5. применение защитного заземления буровой установки;
6. запрет на проведение буровых работ при содержании нефтяного газа в воздухе у устья скважины и в других возможных местах его скопления выше 20% от нижнего концентрационного предела взрывоопасности;
7. сбор, хранение и захоронение производственных и бытовых отходов производится в специально отведенных и приспособленных для этих целей местах;
8. создание на буровой условий для отдыха рабочих в период между сменами; рабочая обувь должна ежедневно просушиваться, спецодежда не стеснять движение, но быть достаточно теплой; также для минимизации воздействия низких температур устанавливаются специально оборудованные помещения для обогрева персонала;
9. обязательное соблюдение санитарно-гигиенических условий труда всем персоналом буровой;
10. в производственных помещениях, помимо рабочего освещения, должно быть предусмотрено аварийное, а в зонах работ на открытых площадках — аварийное или эвакуационное освещение.

4.2.1 Требования к производственным площадкам, помещениям, оборудованию и его размещению

Площадки, помещения, оборудование должны соответствовать:

1. правилам устройства электроустановок (ПУЭ);
2. приказу Ростехнадзора от 18.03.2014 № 105 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности морских объектов нефтегазового комплекса»;
3. приказу Ростехнадзора от 12.03.2013 N 101 (ред. от 12.01.2015) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности»;
4. ГОСТ Р 54483-2011 «Нефтяная и газовая промышленность. Платформы морские для нефтегазодобычи. Общие требования»;
5. ГОСТ Р 54594-2011 «Платформы морские. Правила обитаемости. Общие требования»;
6. РД 08-272-99 «Требования безопасности к буровому оборудованию для нефтяной и газовой промышленности».

4.2.2 Требования к рабочим местам и инструменту

Рабочие места и инструмент должны соответствовать требованиям:

1. приказу Ростехнадзора от 18.03.2014 № 105 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности морских объектов нефтегазового комплекса»;
2. ГОСТ Р 54483-2011 «Нефтяная и газовая промышленность. Платформы морские для нефтегазодобычи. Общие требования»;
3. ГОСТ Р 54594-2011 «Платформы морские. Правила обитаемости. Общие требования»;
4. приказу Ростехнадзора от 12.03.2013 N 101 (ред. от 12.01.2015) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности»;
5. РД 08-272-99 «Требования безопасности к буровому оборудованию для нефтяной и газовой промышленности».

4.2.3 Требования к технологическим процессам

Технологические процессы должны соответствовать требованиям:

1. приказу Ростехнадзора от 18.03.2014 № 105 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности морских объектов нефтегазового комплекса»;
2. приказу Ростехнадзора от 12.03.2013 N 101 (ред. от 12.01.2015) «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности».

 

4.3 Пожарная безопасность

4.3.1 Причины пожаров и взрывов

К основным причинам возникновения пожаров и взрывов при эксплуатации морских буровых платформ относятся следующие:

— нарушение технологических процессов и неисправность оборудования;

— несоблюдение правил пожарной безопасности при обращении с огнем и электроприборами;

— короткое замыкание электрических проводов и перегрев электрического оборудования;

— нарушения, допущенные при производстве электрогазосварочных и других огневых работ.

4.3.2 Технические мероприятия по профилактике и тушению пожаров

Мероприятия по профилактике и тушению пожаров на объекте включают в себя:

1. Определение категории взрывопожарной и пожарной опасности производственных помещений, класса взвывопожарной и пожарной зоны.

В зависимости от количества и пожаровзрывоопасных свойств находящихся в помещениях веществ и материалов, с учетом особенностей технологических процессов, размещенных в них производств, производственные и складские помещения делятся на категории А; Б; В1-В4; Г и Д по взрывопожарной и пожарной опасности.

В зависимости от количества и пожаровзрывоопасных свойств находящихся на наружных установках веществ и материалов с учетом особенностей технологических процессов наружные установки делятся на категории АН, БН, ВН, ГН и ДН по пожарной опасности.

Категории каждого помещения и каждой наружной установки буровой платформы должны быть определены при разработке проектной документации и при необходимости уточнены на последующих стадиях проектов.

Классификацию взрывоопасных и пожароопасных зон следует выполнять в соответствии с «Техническим регламентом о требованиях пожарной безопасности».

Перечень помещений и открытых площадок с указанием классов взрывоопасных зон, категории и группы взрывоопасных смесей, а также пожароопасных зон должен быть приведен в проектной документации.

Буровая установка представляет собой металлоконструкцию, состоящую из несущих элементов здания R-45, которые обшиты металлическим шифером. Категория буровой установки по пожарной опасности по СП 12.13130.2009 — АН.

1. Определение класса пожаров в производственных помещениях.

На морской буровой платформе возможно возникновение таких классов пожаров как:

• класс пожара – B;
• класс пожара – С;
• класс пожара – Е.

1. Определение степени огнестойкости производственных помещений

В соответствии со статьей 87 ФЗ-123 и табл. 6.1 п. 6.1.1 СП 2.13130-2009, степени огнестойкости приняты в зависимости от класса функциональной пожарной опасности, площади пожарного отсека и пожарной опасности технологических процессов, происходящих в них. В соответствии с табл. 21 ФЗ-123, пределы огнестойкости строительных конструкций соответствуют принятой степени огнестойкости зданий.

По пожарно-технической классификации проектируемые сооружения отвечают третьей и четвертой степени огнестойкости.

1. Определение датчиков пожарной сигнализации

Система пожарной сигнализации должна быть адресной с автоматическим обнаружением очагов пожара.

Автоматическими установками пожарной сигнализации должны быть защищены помещения категории А, Б, В1-В3, кабельные тоннели и трассы в помещениях, операторная платформы, аварийный центр управления, помещения жилого модуля.

Для обнаружения пожара на платформе следует устанавливать пожарные извещатели следующих типов:

1. тепловой или пламени — в тех помещениях, где возможно горение горючих газов, легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, смазочных материалов;
2. дымовой или тепловой — в жилом модуле, на эвакуационных путях, в помещениях с электрооборудованием и электроникой, в складах, мастерских и воздуховодах.

В том случае, когда в зоне контроля доминирующий фактор пожара не определен, следует применять комбинацию пожарных извещателей, реагирующих на различные факторы пожара, или комбинированные пожарные извещатели.

Помещения жилого модуля должны быть оснащены дымовыми пожарными извещателями. Помещения приготовления пищи оснащаются тепловыми пожарными извещателями.

Каждую точку защищаемой зоны необходимо контролировать не менее чем двумя пожарными извещателями. В каждом защищаемом помещении следует устанавливать не менее двух пожарных извещателей.

1. Средства пожаротушения, оборудование и пожарный инвентарь

На буровой платформе следует предусмотреть создание не менее 2-х пожарных подразделений. Персонал, который входит в состав этих подразделений, обязан пройти подготовку в установленном порядке.

В перечень системы оснащения для тушения пожара должно входить:

1. комплекты снаряжения для пожарных (аппараты дыхательные, костюмы пожарных, каски, светильники аккумуляторные, тросы предохранительные);
2. комплекты пожарного инструмента;
3. емкости запаса воды для пожарных нужд;
4. система наружного противопожарного водопровода;
5. огнетушители воздушнопенные;
6. огнетушители порошковые;
7. пожарные рукава и стволы;

соединения пожарные переходные международного образца.

---

1 2 3