Modelowanie stref zagrożenia dla odwiertów gazowych, Wiertnik, Zarys górnictwa otworowego
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
WIERTNICTWO NAFTA GAZ
TOM 22/1
2005
Petr Bujok*, Jaroslav Damec*, Sylva Drabkova*,
Petr Jancik*, Robert Rado**
MODELOWANIE STREF ZAGRO¯ENIA
DLAODWIERTÓW GAZOWYCH***
1. WPROWADZENIE
Negatywne skutki zaprzestania eksploatacji s¹ widoczne na niektórych z³o¿ach, na
których zakoñczono eksploatacjê w latach 60. i 70. ubieg³ego stulecia. Do grupy tych z³ó¿
mno¿na zaliczyæ w szczególnoœci te z³o¿a (Lanhot, Nesyt, Luice, Brodské, Týnec i in.),
w przypadku, których zakoñczono eksploatacjê przed ca³kowitym wydobyciem ich zaso-
bów. W z³o¿ach tych, po dostatecznie d³ugim okresie od zatrzymania eksploatacji dochodzi
do odbudowy ciœnienia z³o¿owego, co przek³ada siê na wzrost ciœnienia w nieczynnych
i zlikwidowanych odwiertach. Wzrost ciœnienia mo¿e doprowadziæ do uszkodzenia lub na-
ruszenia wyposa¿enia odwiertu. Nie bez znaczenia s¹ tutaj te¿ procesy korozyjne. W takich
przypadkach mo¿e dojœæ do niekontrolowanego samowyp³ywu ropy naftowej lub ulatniania
siê gazu ziemnego do otaczaj¹cego œrodowiska. W tych przypadkach, w których odwierty
i ich wyposa¿enie pozostaj¹ nadal szczelne, wyloty odwiertów s¹ pod ciœnieniem, jednak
wartoœæ tego ciœnienia nie jest znana i trudna do okreœlenia. Odwierty te w przysz³oœci
mog¹ staæ siê zagro¿eniem.
Ogólnie ujmuj¹c, w przypadkach o których mowa, istniej¹ dwa sposoby postêpo-
wania, czyli rozwi¹zywania potencjalnego zagro¿enia:
1) ponowne przygotowanie z³o¿a do eksploatacji i wydobycie pozosta³ych w nim zasobów,
2) ponowna likwidacja odwiertów eksploatacyjnych.
Drugi ze sposobów wymaga na ogó³ obni¿enia ciœnienia z³o¿owego do takiego pozio-
mu, który umo¿liwi bezpieczne, ekonomicznie uzasadnione i ekologiczne wykonanie ko-
niecznych operacji. Odwiert eksploatacyjny ropy czy gazu tworzy wraz ze z³o¿em po³¹czo-
ny zespó³ hydrodynamiczny.
*
VŠB-TU Ostrava, Czech Republic
** Wydzia³ Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Kraków
*** Praca wykonana w ramach grantu finansowanego przez CEZ GA 541 5061 i KBN BS 11.11.190.01
97
Z punktu widzenia uk³adu hydrodynamicznego i procesów filtracyjnych wylot otworu
jest, w porównaniu z przepuszczalnoœci¹ warstwy produktywnej, elementem o najni¿szych
oporach przep³ywu. Z tego wzglêdu przep³yw p³ynu z³o¿owego skierowany bêdzie
w kierunku odwiertu.
W wiêkszoœci przypadków powszechnie stosowane technologie likwidacji odwiertów
eksploatacyjnych lub poszukiwawczych s¹ wystarczaj¹co skuteczne. Likwidacjê przepro-
wadza siê izoluj¹c ca³¹ d³ugoœæ odwiertu lub cementuj¹c wybrane interwa³y zaczynem cemen-
towym z uszczelnieniem kolumny wstêpnej do g³êbokoœci ok. 1,5 m poni¿ej powierzchni
terenu. Likwidacjê odwiertu koñczy przykrycie jego wylotu betonow¹ p³yt¹ [2].
Natomiast, jeœli nie jest mo¿liwe zredukowanie ciœnienia z³o¿owego, koniecznoœci¹
staje siê likwidacja odwiertu „pod ciœnieniem”, czyli tzw. cementacja pod ciœnieniem. Ten
sposób likwidacji odwiertów jest z technicznego punktu widzenia trudniejszy (ekonomicz-
nie – bardziej kosztowny), przy czym nie chodzi tu o wybór w³aœciwej technologii, ale
przede wszystkim o wykluczenie mo¿liwoœci awarii z jej wszystkimi ekologicznymi na-
stêpstwami. Likwidacja taka wymaga specjalnego zabezpieczenia za³ogi prowadz¹cej lik-
widacjê. Dodatkowo pod uwagê nale¿ wzi¹æ koniecznoœæ ochrony zabudowañ, wszêdzie
tam, gdzie niebezpieczne odwierty znajduj¹ siê w pobli¿u terenów mieszkalnych czy prze-
mys³owych.
Wszelkie analizy maj¹ce na celu podniesienie bezpieczeñstwa powinny uwzglêdniaæ
nie tylko mo¿liwoœæ powstania zagro¿enia na terenach ze zlikwidowanymi odwiertami, ale
tak¿e uwzglêdniaæ czynne odwierty na z³o¿u gazu (z punktu widzenia mo¿liwoœci powsta-
nia erupcji lub wybuchu). Zasiêgiem potencjalnych zagro¿eñ i ich skutkami oraz zakresem
ochrony œrodowiska obecnie w Republice Czeskiej nie zajmuje siê szczegó³owo ¿adna
organizacja [4].
2. IDENTYFIKACJA ZAGRO¯EÑ
WOKÓ£ ODWIERTÓW EKSPLOATACYJNYCH
Pierwszy etap badañ maj¹cych na celu identyfikacjê przyczyn powstawania zagro¿eñ
przy likwidacji nieczynnych ju¿ odwiertów eksploatacyjnych na wyeksploatowanych z³o-
¿ach wêglowodorów bêd¹cych pod ciœnieniem, obejmowa³ wytypowanie odwiertów, które
mog¹ byæ potencjalnym zagro¿eniem Dla wybranych potencjalnie najbardziej niebezpiecz-
nych odwiertów autorzy chcieli zdefiniowaæ warunki, przy których zosta³yby przeprowa-
dzone badania wybranych parametrów propagacji fali ciœnieniowej i uderzeniowej. Dodat-
kowymi badaniami by³yby objête równie¿ warunki przejœcia wybuchu w detonacjê, celem
zaprojektowania odpowiedniego wyposa¿enia aparaturowego, sposobów i metod pomia-
rów, a tak¿e sposobów przygotowania i analizy mieszanek gazów palnych. Dla rozwi¹zania
tego zagadnienia za³o¿ono ponadto rozszerzenie prowadzonych ju¿ prac terenowych i eks-
perymentalnych. W nastêpnym etapie zostanie dokonany dobór punktów obserwacyjnych
dla ustalenia stref i granic, w których dane uzyskane z pomiarów bêd¹ porównywane
z modelem matematycznym.
Na podstawie uzyskanych wyników przygotowano dane o terenie, w którym znajduj¹
siê najbardziej niebezpieczne odwierty (szczególnie z punktu widzenia ich oddalenia od
98
najbli¿szych zabudowañ, wielkoœci oraz przeznaczenia terenów). Do tego celu wykorzyst-
ano dane z geograficznego systemu informacji (GIS) [3]. Nastêpnie zostan¹ przygotowane
wstêpne dane o Ÿród³ach zagra¿aj¹cych œrodowisku (chodzi o tzw. Ÿród³a punktowe).
Eksperymenty z generowaniem fal ciœnieniowych i uderzeniowych przeprowadzono
dotychczas w warunkach laboratoryjnych. Bêd¹ one weryfikowane i porównywane z wy-
nikami uzyskanymi na otwartej przestrzeni. Dodatkowo badania zostan¹ poszerzone rów-
nie¿ o problematykê promieniowania cieplnego, które w okreœlonych warunkach mo¿e
mieæ skutki niszcz¹ce porównywalne z fal¹ ciœnieniow¹ lub podciœnieniow¹ [1].
Rozwa¿ania nad dzia³aniem fal ciœnieniowych modelowano laboratoryjnie pod k¹tem
ich dzia³ania w warunkach zbli¿onych do naturalnych (stê¿enie oraz mieszanina gazów,
a tak¿e sposoby inicjacji wybuchu). Uzyskane informacje pozwol¹ na przygotowanie
w ograniczonej skali eksperymentów polowych.
Po inicjacji mieszanki wybuchowej w nastêpstwie egzotermicznej reakcja spalania
wydziela siê du¿a iloœæ ciep³a, wiêksza ni¿ mo¿e odprowadziæ uk³ad. W zamkniêtym œro-
dowisku wzrost temperatury przek³ada siê zwiêkszeniem ciœnienia. Czasowy przebieg nara-
stania ciœnienia przy wybuchu w zale¿noœci od czasu przedstawia rysunek 1.
p [MPa]
t
Stê¿enie CH w O : 66%
Energia inicjacji 10 J
Podciœnienie pocz¹tkowe 0,1 MPa
4
2
D
C
p
p
A
B
t
j
t [ms]
t
r
t
max
Rys.1.
Krzywa wybuchu
Po inicjacji w punkcie A up³ywa czas
t
i
do momentu pojawienia siê wzrostu ciœnienia.
Jest to czas przygotowania mieszanki do zapalenia. Od punktu B dochodzi do wzrostu ciœ-
nienia.
99
W nastêpstwie wzrostu temperatury wzrasta prêdkoœæ reakcji i trwa ona do punktu C,
gdzie prêdkoœæ wzrostu ciœnienia wybuchu jest najwy¿sza. Pomiêdzy punktami C i D nastê-
puje zmniejszenie prêdkoœci narastania ciœnienia wybuchu w wyniku ubywania sk³adników
stanowi¹cych mieszankê wybuchow¹. W punkcie D przyrost ten wynosi zero. Od tego
punktu ciœnienie spada wp³ywaj¹c na obni¿anie temperatury spalin i skondensowanej pary.
Wielkoœæ wzrostu ciœnienia wybuchu wyznacza styczna w punkcie C
p
t
dp
dt
.
tg
WielkoϾ
dp
/
dt
okreœla szybkoœæ wzrostu ciœnienia wybuchu przy wybuchu mieszanki
o stê¿eniu
c
x
w zamkniêtej przestrzeni
V
. Kszta³t krzywej wybuchu, a tak¿e wartoœci
p
i(
dp
/
dt
) s¹ wyra¿one stê¿eniem mieszanki wybuchowej, co pokazuje rysunek 2.
Najwy¿sze wartoœci ciœnienia wybuchu i szybkoœci wzrostu ciœnienia wybuchu uzys-
kuje siê przy stê¿eniu optymalnym
c
opt
. Wartoœci te to maksymalne ciœnienie wybuchu
i maksymalna szybkoœæ wzrostu ciœnienia wybuchu i oznaczamy
p
max
i(
dp
/
dt
)
max
.
a)
b)
Rys. 2.
Charakterystyki wybuchowe metanu w mieszaninie z powietrzem.
Wykresy: a) ciœnienia wybuchu; b) szybkoœci wzrostu ciœnienia wybuchu
Ze wzrostem lub spadkiem stê¿enia, od
c
opt
ciœnienie wybuchu i szybkoœæ wzrostu
ciœnienia spadaj¹ a¿ do granic wybuchowoœci LEL, (czyli
c
min
) i UEL (czyli
c
max
). Dolna
i górna granica wybuchowoœci ogranicza zakres wybuchowoœci. Poza tymi granicami nie
jest mo¿liwe samoistne rozprzestrzenianie siê wybuchu. Dolna granica wybuchowoœci LEL
przedstawia niedobór substancji palnej w mieszance z œrodkiem utleniaj¹cym. Górna gra-
nica wybuchowoœci UEL wyra¿a niedobór œrodka utleniaj¹cego w mieszaninie.
Granice wybuchowoœci maj¹ du¿e praktyczne znaczenie, poniewa¿ s³u¿¹ do prognozo-
wania potencjalnych zagro¿eñ w œrodowisku zagro¿onym wybuchami.
100
3. METODY OKREŒLANIA STREF ZAGRO¯ENIA
Przy rozwi¹zywaniu zasygnalizowanego powy¿ej problemu korzystano ze znanych
obecnie mo¿liwoœci modelowania rozprzestrzeniania siê substancji zanieczyszczaj¹cych
w œrodowisku. Substancjami zanieczyszczaj¹cymi œrodowisko s¹ gazy, aerozole lub cz¹stki
sta³e, które przedostaj¹ siê do atmosfery ze Ÿróde³ naturalnych i antropogenicznych. Szcze-
gólnym przypadkiem zanieczyszczania œrodowiska naturalnego by³y, s¹ i bêd¹ niekontrolo-
wane ucieczki substancji zanieczyszczaj¹cych. W przypadku omawianego problemu chodzi
przede wszystkim o ucieczki gazu z naturalnych zbiorników (z³ó¿) i zbiorników udostêpnio-
nych wskutek dzia³alnoœci cz³owieka (powierzchniowa i wg³êbna eksploatacja wêgla bru-
natnego i kamiennego, wydobycie i sk³adowanie kopalin ciek³ych i gazowych). ród³a na-
turalne s¹ czêœci¹ sk³adow¹ œrodowiska od zamierzch³ych czasów; aktualnie praktycznie
te¿ nie wp³ywaj¹ negatywnie na œrodowisko. Antropogeniczne Ÿród³a, które emituj¹ sub-
stancje zanieczyszczaj¹ce, s¹ dla cz³owieka i ekosystemu najbardziej niebezpieczne. Sub-
stancje zanieczyszczaj¹ce z tych Ÿróde³ te¿ wystêpuj¹ zwykle w wy¿szych stê¿eniach
w atmosferze.
Zanieczyszczaj¹ce substancje gazowe w miejscach wyp³ywu ze Ÿród³a okreœlane s¹
jako emisje. Mieszaj¹ siê one z atmosfer¹ i wraz z wiatrem s¹ transportowane i przenoszone
w postaci ska¿onego ob³oku. Najwa¿niejsze jest, czy oddzia³ywanie substancji zanieczysz-
czaj¹cych na obiekty nastêpuje w sposób bezpoœredni, czy te¿ wtórny. Generalnie Ÿród³a
emisji zlokalizowane s¹ najczêœciej na powierzchni ziemi. Mamy wówczas do czynienia
z bezpoœrednim oddzia³ywaniem substancji zanieczyszczaj¹cych; czyli mówimy o emisjach
lub o przyziemnych stê¿eniach zanieczyszczeñ.
Stê¿enie substancji zanieczyszczaj¹cych w badanym œrodowisku oraz ich rozprzestrze-
nianie siê zale¿y od szeregu czynników, które mo¿na podzieliæ na trzy podstawowe grupy:
1) czynniki Ÿród³a emisji,
2) czynniki atmosferyczne,
3) czynniki œrodowiska naturalnego.
Wszystkie wymienione czynniki oddzia³ywaj¹ równoczeœnie w sposób kompleksowy,
który mo¿na opisaæ fizykalnie i matematycznie. Wynikiem tego opisu s¹ modele matema-
tyczne dyspersji substancji zanieczyszczaj¹cych w œrodowisku.
Do rozwi¹zania tego problemu wykorzystywane s¹ dwa typy modeli:
1) statyczny,
2) dynamiczny,
które s¹ zasadniczo odmienne i ró¿ni¹ siê wzglêdem siebie wymaganiami aparatu matema-
tycznego, metodami obliczeniowymi i sposobem zadawania parametrów wejœciowych [3].
Modele dynamiczne by³y pocz¹tkowo rozwijane do modelowania przep³ywu p³ynów;
dzisiaj s¹ u¿ywane z powodzeniem przede wszystkim w termodynamice i hydromechanice.
Modele te, na podstawie u¿ycia z³o¿onych uk³adów równañ hydromechanicznych i termo-
dynamicznych rozwi¹zywanych numerycznie, wyznaczaj¹ zmianê stanu oœrodka rzeczywi-
stego w funkcji czasu. Model matematyczny przedstawiony jest uk³adem równañ algebraicz-
nych i równañ ró¿niczkowych cz¹stkowych, które nastêpnie s¹ rozwi¹zywane czêsto metod¹
elementów skoñczonych. Jest to jednak skomplikowane ze wzglêdu na z³o¿onoœæ przep³y-
101
[ Pobierz całość w formacie PDF ]