Обеспечение результативности и эффективности бурения нефтяных и газовых скважин на основе системного подхода

Отобранные на основе изложенных выше критериев показатели оценки процесса бурения предложено представлять в виде таблицы, содержащей ссылку на методику измерения и процедуру документирования каждого показателя. Это важно для обеспечения возможности решения спорных вопросов правовыми методами, в том числе в судебном порядке. С этой целью предложено дополнить макет рабочего проекта на строительство скважины разделом "Оценка соответствия". На основе этого раздела, как приложение к договору подряда на строительство скважины, а при необходимости и к субподрядным договорам, предложено разрабатывать "Регламент оценки соответствия процесса бурения скважины" и "Регламент оценки соответствия законченной строительством скважины" в объеме, необходимом и достаточном для практической реализации оценки соответствия без обращения к другим документам. "Регламент оценки соответствия процесса бурения скважины" является основным документом для бурового супервайзинга, а "Регламент оценки соответствия законченной строительством скважины" - для приемки скважины заказчиком.

Особенностью геолого-технической системы по добыче углеводородов является то, что скважины находится в собственности недропользователя, а недра - государства. Отсюда и разное отношение собственников к этой системе. Абсолютным приоритетом недропользователя как субъекта экономической деятельности является извлечение прибыли при соблюдении, разумеется, законодательных требований, в том числе, в области промышленной и экологической безопасности. Государство как собственник недр заинтересовано в получении экономической выгоды от предоставления в пользование своей собственности при условии обеспечения безопасности производственной деятельности.

Именно безопасность недропользования и рациональное использование недр являются основным камнем преткновения во взаимоотношениях государства и недропользователя. Главным образом эти проблемы имеют отношение к этапу эксплуатации скважин, однако первопричиной большинства из них является неудовлетворительное качество законченных строительством скважин. Стремление недропользователей получить прибыль является доминирующим, зачастую в ущерб безопасности производственной деятельности и рациональному использованию недр. Примерами тому являются низкий конечный коэффициент извлечения углеводородов, техногенное образование месторождений с трудно извлекаемыми запасами, десятки тысяч скважин с заколонными перетоками и межколонными давлениями. При этом государство в оценке качества скважин не участвует, хотя бы потому, что такой обязательной процедуры не существует. Государственное регулирование безопасности недропользования и рационального использования недр осуществляется путем установления ограничений и нормативов с последующей оценкой соответствия в форме государственного надзора контроля, государственной экспертизы, экспертизы промышленной и экологической безопасности. Реализовать эти процедуры в полном объеме можно только, используя количественные показатели соответствия скважины в составе геолого-технической системы по добыче углеводородов. С этой целью автором предложено использовать модель качества скважины, включающую комплексные показатели: функциональности (соответствие назначению скважины), надежности (свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров функциональности), безопасности (свойство обеспечивать приемлемый уровень опасности на всех стадиях жизненного цикла скважины) и ресурсоемкости (уровень затрат ресурсов на всех стадиях жизненного цикла скважины). Каждое из этих комплексных свойств путем последовательного многоуровневого разделения (декомпозиции) предложено представить в виде группы менее сложных, а, в конечном итоге, простых свойств, оцениваемых количественно в виде единичных показателей качества скважины (функциональности - Ф ₁…Ф_х, надежности - Н ₁…Н_у, безопасности Б ₁…Б_z и ресурсоемкости - Р ₁…Р_n). Актуальность оценки соответствия, в частности, безопасности скважин на основе количественных показателей обусловлена передачей части полномочий по оценке соответствия саморегулируемым организациям.

В бурении высшим достижением считается соответствие законченной строительством скважины рабочему проекту. Такая оценка с наилучшей стороны характеризует бурового подрядчика, но, как показывает многолетний опыт автора в области экспертизы проектной документации, не качество рабочего проекта на строительство скважины. В связи с этим предложено выделять уровни качества скважины: идеальное, потенциальное, проектное, реальное, минимально допустимое.

Идеальное качество соответствует современным представлениям о совершенной, т.е. абсолютно удовлетворяющей требованиям скважине. В этом случае единичные показатели качества имеют наилучшие желаемые значения. Представления об идеальной скважине совершенствуются в соответствии с техническим прогрессом и, как следствие, актуализируются единичные показатели качества и их критерии. Поэтому идеальное качество недостижимо на практике - это теоретический уровень качества, служащий ориентиром для развития технологии бурения скважин.

Потенциальное качество - это практически достижимый уровень качества на текущем этапе развития технологии бурения при условии отсутствия у недропользователя ограничений на ресурсы, прежде всего финансовые. Иными словами, это наивысший уровень качества, который может быть обеспечен недропользователем, обладающим неограниченными возможностями по использованию наилучших мировых технологий.

Проектное качество является результатом компромисса между возможностью проектной организации воплотить в рабочем проекте наилучшие мировые технологии бурения скважин и способностью недропользователя инвестировать строительство такой скважины. Даже если недропользователь имеет соответствующие возможности, то бурение высококачественной скважины может быть сочтено им нецелесообразным, например, с целью сокращения издержек на разработку месторождения.

Реальное качество соответствует уровню качества законченной строительством скважины, минимально допустимое - уровню качества, ниже которого скважина не может функционировать в составе добывающего комплекса.

Таким образом, участие государства в оценке достигнутого уровня проектного качества скважин является необходимым условием обеспечения экологической и промышленной безопасности освоения месторождений углеводородов.

Классификация уровней качества скважин имеет принципиальное значение и ко второй проблеме, рассматриваемой в третьем разделе диссертации, - управлению качеством в бурении, поскольку уровень качества скважины определяет цель недпропользователя в области качества.

Несмотря на существование проблемы обеспечения качества скважин, зафиксированной в публикациях, по крайней мере, 40-летней давности, потребность в системном управлении качеством в бурении недпропользователями и буровыми подрядчиками до сих пор не рассматривается как одна из ключевых. Основополагающими, видимо, являются наша статья "Строительство скважин: от повышения качества - к системе управления качеством" (2003) и первое в нефтегазовой отрасли учебное пособие по управлению качеством (2008). Безусловный приоритет в практическом применении квалиметрии скважин принадлежит ОАО "Татнефть", где оценка качества скважин используется в общей системе управления предприятием. Это несомненный прогресс в сравнении с другими компаниями, хотя лишь частичное решение проблемы качества. Мировая теория и практика показали, что единственно правильным ее решением является создание в рамках общей системы управления предприятием системы менеджмента качества. Поэтому логическим продолжением этой работы было бы внедрение в компании системы управления качеством в бурении.

Вероятно, первым буровым подрядчиком, внедрившим систему менеджмента качества, является ЗАО "Сибирская сервисная компания", которая в 2008 году получила сертификат соответствия ее международному стандарту ISO 9001:2000. Однако следует подчеркнуть, что эта система менеджмента качества сертифицирована только в объеме управления, а не выполнения работ по бурению нефтяных и газовых скважин.

Несмотря на наличие зарубежных аналогов систем управления качеством как непосредственно в бурении, так и в близких по условиям отраслях производственной деятельности, системы менеджмента качества в отечественном бурении еще практически не используются. Это обусловлено, прежде всего тем, что системы управления качеством в основаны на процессном подходе, наиболее эффективном при серийном производстве продукции. В этом случае есть возможность подробного документирования всех процессов производства продукции, а при обнаружении дефектов - внесения соответствующих изменений в технологическую документацию. Специфика же бурения заключается в том, что скважина, в отличие от других сооружений, не наземное, а горнотехническое, то есть созданное в недрах сооружение. Это обусловливает чрезвычайно широкую изменчивость условий бурения скважин и недостаточность достоверной информации для управления технологическими процессами. Поэтому технологические процессы бурения большей частью являются недетерминированными, то есть не имеющими однозначной связи воздействия с его результатом. Каждая скважина оригинальна и повторение апробированной технологии бурения на другой скважине не всегда дает положительный результат, требуется ее оперативная адаптация непосредственно в процессе бурения. Поэтому даже при наличии методических руководств, разработанных на основе международных стандартов, единого шаблона для создания системы управления качеством в бурении быть не может. Такая система строго специфична. Иными словами, сколько буровых предприятий - столько и систем управления качеством. Едиными должны быть терминология, структура, логическая организация, методы и средства - методология управления качеством в бурении, основы которой разработаны в диссертации.

С учетом использования разных моделей организации строительства скважин автором выделены два уровня управления качеством в бурении - стратегический и оперативный. Стратегическое управление качеством осуществляется недропользователем и заключается в формулировании требований к качеству скважины, установлении критериев оценки соответствия этим требованиям рабочего проекта на строительство скважины, процесса бурения, законченной строительством скважины и обеспечения качества на каждом из этапов жизненного цикла скважины.

Оперативное управление качеством заключается в управлении конкретной буровой технологической системой, то есть бурением скважины, с целью достижения проектных показателей ее качества. В случае генерального подряда - это функция бурового подрядчика, при интегрированном подряде - недропользователя.

Для определенных видов производственной деятельности наличие системы менеджмента качества является достаточным условием обеспечения их гарантированной результативности, эффективности и качества продукции. При строительстве скважин этого недостаточно. Оценить уровень качества законченной строительством скважины в силу ее специфики при традиционной приемке объекта заказчиком практически невозможно. Скважина, как уже подчеркивалось, представляет собой горнотехническое сооружение, качество которого последовательно формируется в ходе технологических процессов, совершаемых в недрах, и их результат нельзя в полной мере проверить последующим контролем и испытаниями, а исправление допущенного брака затруднено или невозможно. Практически единственным выходом из этой ситуации является надзор за производством работ и, при возможности, поэтапный контроль технологических процессов и их результатов. Система технологического контроля и надзора недропользователя за строительством скважины получила название бурового супервайзинга. Контроль и надзор за ходом строительства скважины, качеством выполнения работ, уровнем технологических процессов и операций, качеством используемых материалов и технических средств, соблюдением безопасных условий труда является обязательным для недропользователеля в соответствии с требованиями п. 2.1.8 правил безопасности ПБ 08-624-03. Наличие системы бурового супервайзинга становится для недропользователя обязательным в случае внедрения системы менеджмента качества (ГОСТ Р ИСО 9001-2008).

Поскольку основное содержание бурового супервайзинга заключается в прямом или косвенном определении соблюдения требований, предъявляемых к объекту (продукция, процессы производства и т.д.), то буровой супервайзинг, по сути, представляет собой оценку соответствия. Следовательно, деятельность служб бурового супервайзинга нефтегазовых компаний и специализированных сервисных компаний, предоставляющих услуги по буровому супервайзингу, должна осуществляться при соблюдении специальных требований (например, EN 45004 "Общие критерии функционирования различных видов контролирующих органов") и аккредитации в качестве органа оценки соответствия в области бурового супервайзинга.

Буровой супервайзинг как деятельность по оценке соответствия предполагает и вполне определенные требования к профессиональной подготовке, теоретическим знаниям и практическому опыту супервайзеров. Поскольку буровой супервайзинг является новым видом деятельности специалистов, то автором разработаны Государственные требования к минимуму содержания и уровню требований к специалистам по дополнительной профессиональной образовательной программе для получения дополнительной квалификации "Специалист технологического контроля и надзора при строительстве скважин (буровой супервайзер)" объемом 1030 часов и соответствующее учебное и методическое обеспечение. После завершения обучения буровые супервайзеры могут быть сертифицированы в органе по сертификации персонала.

При интегрированном подряде возможны разные схемы организации бизнес-процессов. Наиболее эффективной формой из них является управление проектами (проектный менеджмент). Безусловно, наиболее результативным является использование управления проектами в полном объеме. Однако для этого необходимы соответствующие ресурсы, прежде всего специалисты по проектному управлению в бурении. Поэтому в качестве первого шага в направлении освоения проектного управления в бурении автором рекомендовано применение сквозной системы управления качеством (по нисходящей от недропользователя к буровому подрядчику, субподрядчикам и поставщикам) в сочетании с конкурсным отбором исполнителей и оценкой соответствия (рис. 3).

Рис. 3. Приоритетные элементы управления проектами в бурении

При интегрированном подряде управление БТС осуществляется недропользователем через специализированное подразделение, которое по аналогии с организацией работ по схеме генерального подряда не вполне корректно называют супервайзерским. На самом деле, функции этого подразделения заключаются в управлении процессом бурения конкретной скважины (управлении проектом строительства скважины), а не в буровом супервайзинге, то есть в надзоре и контроле за процессом строительства скважины. Это разные виды деятельности и их четкое разделение имеет принципиальное значение, по крайней мере, по двум причинам.

Во-первых, существует мнение, что супервайзер - это суперспециалист, идеально подходящий для принятия быстрых и технически грамотных решений в условиях непрерывного технологического процесса, постоянно меняющейся обстановки, который немедленно, без проволочек, внедряет все, что способствует качественной проводке скважины, не согласовывая свои действия с бюрократическим аппаратом и т.д. и т.п.

Во-вторых, распространенным является также мнение, что для оперативного управления бурением достаточно иметь систему контроля процесса бурения (систему удаленного мониторинга и т.п.).

Оба мнения, являются, по нашему мнению, ошибочными. Во-первых, буровая технологическая система - это сложная система, результативное и эффективное функционирование которой не может обеспечить один специалист - нужен многопрофильный коллектив профессионалов, организованный на принципах проектного управления. Во-вторых, наличие системы контроля - это необходимое и достаточное условие для бурового супервайзинга, но не достаточное - для управления БТС, которое включает функции контроля, регулирования и оперативного управления.

Информационное обеспечение бурения, особенно в последние полтора-два десятилетия, существенно выросло - появилась возможность получать визуализированную информацию о процессе бурения, интерактивную поддержку принятия технологических решений в режиме реального времени и т.д. Однако следует отметить и обратную сторону этого процесса - если еще недавно специалисты-буровики испытывали недостаток информации о технологическом процессе, то сегодня, зачастую, они не в силах справиться с ее потоком. Многообразие технологических задач и возрастающий объем информации о процессе бурения требуют их взаимной увязки, обеспечения общей целенаправленности. Но этого трудно достичь, если не учитывать их сложной зависимости между собой, их системный характер. Современному специалисту-буровику уже недостаточно обладать узкоспециальными знаниями, умениями и навыками, он должен быть компетентен и в смежных с бурением областях деятельности, чтобы в режиме реального времени работать в команде разнопрофильных специалистов. В частности, лицо, принимающее решения, должно обладать знаниями, умениями и навыками научно обоснованного анализа проблемы, генерирования и принятия управленческих решений. Профессиональная подготовка и содержание таких высококвалифицированных специалистов на буровой весьма затратны. Целесообразно, следуя зарубежному опыту, создавать корпоративные и региональные центры оперативного управления бурением (ЦОУБ). Это позволит содержать на буровой только специалистов-исполнителей, а высококвалифицированные кадры сосредоточить в ЦОУБ. Обоснован тезис, что знание персоналом буровой технологической системы и ЦОУБ результатов своей деятельности выступает инструментом обратной связи для корректировки своих профессиональный знаний, умений и навыков, а в итоге способствует повышению результативности и эффективности функционирования БТС.

Четвертый раздел посвящен совершенствованию процесса промывки как средству повышения результативности и эффективности бурения скважин.

Посредством технологических жидкостей осуществляется воздействие на околоскважинный массив горных пород с целью создания условий для бурения скважины и сохранения коллекторских свойств продуктивных пластов. Нарушение равновесия в горнотехнической системе приводит к осложнениям в процессе бурения, снижению его результативности и эффективности. Среди множества значимых факторов наибольшее влияние технология промывки оказывает, вероятно, на деформационную неустойчивость ствола скважины в глинистых отложениях. Помимо возможности возникновения осложнений бурение в глинистых отложениях характеризуется также ухудшением эффективности очистки промывочной жидкости (ПЖ) и, как следствие, наработкой ее избыточных объемов. Возрастает расход химреагентов на обработку промывочной жидкости, возникают сложности с ее размещением, утилизацией и захоронением. Исключить возникновение осложнений или, по крайней мере, существенно снизить их тяжесть и упростить оперативное решение вышеуказанных проблем можно еще на этапе проектирования технологии промывки скважины, прежде всего, путем выбора промывочной жидкости, в наибольшей степени соответствующей специфике разбуриваемых глинистых отложений.

В неустойчивых глинистых породах используют преимущественно минерализованные ПЖ, поэтому в качестве объекта исследования был выбран этот тип промывочных жидкостей. Анализ отечественного и зарубежного опыта использования минерализованных ПЖ показал, что наряду с положительными они обладают и отрицательными свойствами, среди которых следует, прежде всего, выделить трудности с регулированием технологических параметров, повышенную материалоемкость, снижение буримости горных пород, отрицательное влияние на окружающую среду.

Главная проблема, которая неизбежно возникает при бурении в глинистых отложениях, - это обеспечение устойчивости стенки скважины. Длительность сохранения устойчивости зависит от соотношения прочности пород в стенке скважины и их напряженного состояния. При качественной оценке пригодности ПЖ для разбуривания глинистых пород в лабораторных условиях ее влиянием на изменение напряженного состояния, как правило, пренебрегают. Сопоставление используемых в исследовательской практике способов определения ингибирующей способности показывает, что в ряде случаев они не позволяют однозначно оценить ПЖ, а также изучать факторы, ответственные за формирование их разупрочняющих свойств. В свою очередь отсутствие четких представлений о механизме разупрочняющего влияния ПЖ на глинистые породы не позволяет целенаправленно формировать их рецептуры.

Для обоснования методики оценки ингибирующей способности ПЖ автором проведен анализ используемых в исследовательской практике способов. Показано, что в их основе лежит изучение процессов, предлагающихся ответственными за нарушение устойчивости стенки скважины. В диссертации рассмотрены исследования: а) прочностных и деформационных свойств; б) размокания; в) набухания; г) увлажнения; д) одновременно несколько процессов. Эти способы анализируются с трех позиций: а) общая характеристика; б) экспериментально определяемые показатели; в) свойства жидкостей, обусловливающие их влияние на устойчивость пород.

Анализ каждого из указанных способов показал, что их сущность состоит в прямой или косвенной оценке изменения механических свойств глинистых пород при контакте с ПЖ или ее фильтратом. Сделан вывод о том, что целесообразно использовать методы, основанные на непосредственном изучении механических свойств глинистых пород, поскольку в этом случае есть возможность применения результатов экспериментальных исследований при аналитическом решении задач устойчивости приствольной зоны скважины методами горной механики. Поэтому в диссертации влияние ПЖ на устойчивость глинистых пород в стенках скважины оценивали по прочности образца на одноосное сжатие. Для этого по оригинальной методике определяли коэффициент разупрочнения К_р, представляющий собой отношение прочности образца на сжатие после взаимодействия с исследуемой жидкостью Р'_сж к исходной Р_сж. Методика, как показали результаты визуального осмотра разрезанных образцов, обеспечивает достоверные испытания образцов при глубине проникновения фильтрата не более чем на 3/4 их радиуса. В этом случае, как и в стенке скважины, помимо области, охваченной воздействием фильтрата, сохраняется зона, в которой порода обладает своими первоначальными свойствами.

Образцы для испытаний приготавливали методом прессования из мелкодисперсного бентонита, единственным глинистым минералом которого, как показал рентгенофазовый анализ, является монтмориллонит. Так как этот минерал наиболее чувствителен к увлажнению, то, таким образом, были созданы условия, наиболее благоприятные для разупрочнения. Для получения образцов с требуемой по условиям опыта исходной влажности бюксы с навесками глинопорошка перед прессованием и готовые образцы выдерживали в эксикаторе над насыщенным раствором электролита с известным относительным давлением паров воды.

Выбор компонентного состава ПЖ можно осуществлять методом проб и ошибок, определяя для каждой рецептуры К_р. Но это длительный, трудоемкий и малоинформативный путь. Для целенаправленного формирования состава ПЖ необходимо иметь представление о ее свойствах, обусловливающих величину К_р, то есть о механизме разупрочнения. В исследовательской практике используются два подхода. Одна группа исследователей пытается использовать для описания процесса разупрочнения физико-химические свойства жидкости, как правило, вязкость, активность, поверхностное натяжение, диэлектрическую проницаемость, концентрацию ионов водорода, вторая - интегральные показатели, характеризующие одновременно совокупность свойств жидкости и породы, например, параметры набухания.

В диссертации применены оба вышеуказанных подхода. Однако оказалось, что физико-химические свойства жидкостей сложным образом взаимосвязаны и варьировать при проведении опытов величиной одного параметра при фиксированных значениях остальных не представляется возможным. Поэтому первый путь реализовать не удалось, хотя он является желательным, так как дает возможность прогнозировать использование того или иного вещества в составе ПЖ по его физико-химическим свойствам. В качестве интегральных показателей чаще используют параметры процессов увлажнения и набухания. Поэтому в диссертации была принята рабочая гипотеза, заключающаяся в том, что разупрочняющее влияние ПЖ на образцы глинистой породы определяется тремя факторами - скоростью увлажнения их дисперсионной средой ПЖ, скоростью набухания и длительностью взаимодействия жидкости с образцом.

Для проверки рабочей гипотезы под руководством профессора, д.т.н. Е.Г. Леонова проведены параллельные исследования прочности глинистых образцов и кинетики их увлажнения и набухания в фильтратах различных ПЖ. Были исследованы 41 рецептура как ингибирующих, так и не ингибирующих ПЖ (табл. 2). Такой выбор ПЖ, а также разнообразие их ингредиентов вызваны необходимостью получения рецептур с широким диапазоном изменения изучаемых параметров.

Таблица 2. Характеристика исследованных промывочных жидкостей на водной основе

Для изучения процессов увлажнения и набухания глинистых образцов в фильтратах ПЖ (рис. 4) использовали комплексный набухометр, позволяющий определять приращение объема образца V_нб (по индикатору линейного перемещения) и количество поглощаемой им жидкости V_ув (по мерной трубке).

Рис. 4. Типичные зависимости кинетики увлажнения V_ув, набухания V_нб и пропитки V_пр бентонитового образца фильтратом на примере гидрогельмагниевой промывочной жидкости

Для упрощения экспериментов за счет исключения фактора времени длительность выдерживания образцов в жидкости при определении коэффициента разупрочнения сохранялась неизменной. Анализ экспериментальных данных показал, что К_р в целом коррелируется со скоростью увлажнения и набухания, хотя имеет место значительный разброс точек. Экспериментально показано, что это обусловлено, в частности, тем, что набухание и увлажнение взаимосвязаны.

Процесс увлажнения (кривая V_ув(t)) наиболее интенсивно протекает на начальной стадии контакта глинистого образца с жидкостью. Поскольку при этом увеличение объема образца (кривая V_нб(t)) незначительно, то логично предположить, что вся впитавшаяся в образец жидкость расходуется на заполнение его порового пространства, т.е. на пропитку образца. В процессе увлажнения можно выделить два этапа, характеризующихся разными скоростями и, что более существенно, разными механизмами увлажнения. На начальном этапе времени Т_пр увлажнение осуществляется по механизму пропитки, т.е. зависит от текучести жидкости и гидропроводности образца. При этом объем последнего меняется незначительно. На следующем этапе (Т_пр) доминирующим является процесс набухания, и увлажнение образца зависит от способности породы изменять объем в данной конкретной жидкости. Таким образом, увлажнение глинистой породы происходит в результате развития двух различных по своей природе процессов - пропитки и набухания. Следовательно, для того, чтобы с наибольшей эффективностью замедлять увлажнение, следует учитывать специфику этих процессов. Исходя из этого для описания процесса разупрочнения предложено использовать два независимых параметра - скорость набухания W_нб и скорость пропитки и W_пр:

К_р = f(W_нб, W_пр, t) (1)

С привлечением основных положений физикохимии дисперсных систем показано, что скорость набухания является ответственной за величину снижения срочности единичного контакта между глинистыми частицами, а скорость пропитки определяет количество единичных контактов, подверженных разупрочняющему влиянию дисперсионной среды ПЖ.

Функциональная зависимость (3) с учетом условия К_р = 1 при W_пр = 0 или W_нб = 0 может быть представлена формулой:

К_р = Р_сж/(Р_сж + b W_прⁿ W_нб^m), (2)

где К_р - коэффициент разупрочнения; Р_сж - прочность образца на сжатие, МПа; W_нб - скорость набухания, см/ч; W_пр - скорость пропитки, см/ч; b, n, m - эмпирические коэффициенты.

Для большинства ПЖ в максимально достигаемом диапазоне изменения изучаемых параметров (табл. 2) расчетным путем получены следующие значения эмпирических коэффициентов: b = 1,910⁹ (ч/см)^n+m, n = 0,709, m = 1,543. Коэффициент корреляции r при уровне значимости = 0,05 по -преобразованию Фишера находится в следующих доверительных границах: r_min = 0,953 r = 0,975 < r_max = 0,987.

Таким образом, вычленение из процесса увлажнения двух его составляющих - пропитки и набухания позволяет повысить информативность результатов определения ингибирующей способности буровых растворов (контролируются одновременно два параметра) при одновременном его упрощении, по сравнению с определением, например, коэффициента разупрочнения. В диссертации приводится анализ различных вариантов повышения ингибирующей способности ПЖ с применением для ее оценки скоростей пропитки и набухания.

Наиболее трудоемким и ответственным этапом использования предложенной методики является нахождение эмпирических коэффициентов в уравнении (2) для конкретного типа глинистой породы. В диссертации методика реализована для образцов из бентонитовой глины. Поскольку монтмориллонит из всех глинистых минералов наиболее восприимчив к воздействию жидкости, то полученные результаты относятся к заведомо худшим условиям. При отсутствии достоверной информации об инженерно-геологических свойствах разбуриваемых пород их можно взять в качестве более надежной оценки. Для накопления информации создана база данных "Промывка скважин", позволяющая уточнять указанные коэффициенты для других глинистых пород. Достоинством методики является также то, что ее можно использовать в базе знаний для компьютеризированной выдачи искомой рецептуры ПЖ или рекомендаций по ее обработке. Оптимизация состава ПЖ в этом случае осуществляется с использованием формулы (2).

Непосредственная оценка разупрочнения образцов глинистых пород весьма трудоемка, а априори сказать какой из косвенных способов оценки ингибирующей способности буровых технологических жидкостей дает лучшие результаты трудно. Поэтому представляется целесообразной разработка стандартизованной методики оценки ингибирующей способности буровых технологических жидкостей, например, на основе набухометра и таймера капиллярной пропитки OFITE. В настоящее время эти приборы получили наибольшее распространение в исследовательской практике. При этом следует учесть, что таймере капиллярной пропитки OFITE исследуется процесс пропитки фильтровальной бумаги, следовательно, не учитываются физико-химические свойства глинистых пород.

Наличие стандартизованной методики оценки ингибирующей способности буровых технологических жидкостей не исключает использования наряду с ней других методик. Более того, одновременное использование стандартизованной (эталонной) и других методик позволит по мере накопления необходимой информации обосновать сопоставимость их результатов. Это важно, поскольку в бурении распространено принятие управленческих решений на основе собственного профессионального опыта, по аналогии, когда для решения текущей проблемы используется ее решение в схожей ситуации (прецедент). Отсутствие объективных показателей для описания ситуации приводит в последующем к субъективному выбору прецедента и, соответственно, принятию неверного решения текущей проблемы. Наличие базы данных по бурению интервалов неустойчивых глинистых пород, содержащей описания конкретных ситуаций на основе стандартизованных показателей, позволит повысить обоснованность и объективность технологических решений.

При реализации предложенной методики снижение скорости пропитки достигается за счет регулирования вязкостных и поверхностно-активных свойств дисперсионной среды ПЖ. Что же касается скорости набухания, то в результате изучения увлажняющей способности фильтратов ПЖ установлено, что низкие скорости набухания получаются, как правило, при использовании многокомпонентных ПЖ. Дополнительные исследования в этом направлении показали, что наиболее эффективными являются композиции, содержащие вещества различных классов: электролиты, полимеры, ПАВ. Было сделано предположение, что высокая эффективность многокомпонентных композиций обусловлена расширением их возможностей по предотвращению гидратации глинистых минералов, при увеличении числа ингредиентов. Поэтому в качестве компонентов ПЖ предложено использовать микрополидобавки (МПД), состоящие из веществ различных классов (разновалентных солей, полифункциональных полимеров, ПАВ) и мелкодисперсного наполнителя, выполняющего в ПЖ функции структурообразователя и кольматанта. В качестве наполнителя целесообразно использовать волокнистые кислоторастворимые материалы, например, лигнин, торф, асбест.

В четвертом разделе диссертации изложены также результаты изучения влияния минерализованных ПЖ на буримость горных пород. Их применение, по мнению ряда исследователей, сопровождается снижением буримости горных пород (механической скорости проходки). Предполагается, что механизм снижения буримости может быть связан с проявлением ингибирующих свойств ПЖ. Выяснение роли минерализации ПЖ в процессах разупрочнения пород позволит обосновать правильный подход к выбору рецептур минерализованных ПЖ.

На первом этапе исследований с привлечением методов математической статистики был проведен анализ промысловых данных по Прикаспийскому и Восточно-Сибирскому регионам. Данные для анализа, включавшие информацию о результатах отработки примерно 10 тыс. долот, были собраны по первичным документам (суточные рапорта буровых мастеров). Сравнение средних значений механической скорости проходки при промывке различными типами ПЖ проводили по методике для малых выборок, имеющих разные дисперсии, в предположении нормального закона изменения изучаемого признака. В большинстве случаев отрицательное влияние минерализации ПЖ на эффективность работы породоразрушающего инструмента зафиксировано однозначно.

Для установления возможных причин снижения буримости были проведены две серии экспериментов: исследование механических свойств образцов мрамора при статическом вдавливании штампа по методу Л.А. Шрейнера и бурение натуральными долотами в стендовых условиях.

Методика изучения влияния буровых растворов на буримость горных пород (в качестве эквивалентного материала использован мрамор) включала лабораторные исследования по оценке воздействия жидкой среды на механические свойства образцов при вдавливании штампа и стендовые исследования. Последние проводились на базе бурового стенда, состоящего из станка ЗИФ-1200А и комплекса измерительных приборов, позволяющих проводить непрерывную запись текущей проходки в зависимости от числа оборотов долота. О влиянии жидкости на буримость горнах пород судили по величине углубления долота за один оборот.

Из первой серии экспериментов не удалось сделать достоверных выводов, поскольку определяемые экспериментально твердость, пластичность и удельная работа разрушения, изменялись в пределах 10%. Результаты бурения в стендовых условиях оказались более информативными. Установлено, что на относительное углубление долота за один оборот, т.е. механическую скорость проходки, существенное влияние оказывает вязкость дисперсионной среды ПЖ. Химический состав и поверхностное натяжение жидкостей оказывают незначительное влияние на буримость.

В развитие исследований по буримости впервые экспериментально изучено влияние вязкостных свойств жидкой среды на буримость горных пород долотами шарошечными и истирающе-режущего типа. Экспериментально установленная меньшая зависимость показателей работы долот истирающе-режущего типа от вязкостных свойств дисперсионной среды ПЖ по сравнению с шарошечными предопределяет целесообразность их использования при промывке минерализованными растворами.

Основные рекомендации, вытекающие из рассмотренного механизма разупрочнения глинистых пород и исследования влияния минерализованных ПЖ на буримость горных пород, использованы при разработке рецептур безглинистых минерализованных ПЖ. При этом исходили из того, что ПЖ при прочих равных условиях должна обладать низкими скоростями пропитки и набухания, вязкостными свойствами дисперсионной среды, материалоемкостью. Безглинистые минерализованные ПЖ также должны состоять из доступных ингредиентов и иметь экологические характеристики не хуже традиционных рецептур.

К числу безглинистых минерализованных ПЖ, отвечающих этим требованиям, относятся гидрогельмагниевые ПЖ пониженной материалоемкости, разработанные нами под руководством профессора, д.т.н. О.К. Ангелопуло. Снижение расхода магниевых солей достигалось за счет использования асбесто-, торфо-, коллагено-, лигно-, шлам-лигно- и сапропелещелочной затравок, компенсирующих потерю прочности структуры ПЖ из-за недостатка структурообразующих ионов магния. Снижение концентрации магниевых солей, наряду с введением в состав калийсодержащих добавок, предопределяет снижение вязкостных свойств фильтрата ПЖ. Пониженный уровень ингибирующих свойств ПЖ, даже при некотором повышении скорости пропитки, обеспечивается за счет микрополидобавок.

В диссертации приведены примеры разработки безглинистых минерализованных ПЖ, содержащих микрополидобавки, с использованием различных способов оценки ингибирующей способности (по К_р и путем определения W_нб и W_пр).

При разработке рецептур безглинистых минерализованных ПЖ установлено, что для улучшения буримости пород в их состав целесообразно включать лигносульфонатные реагенты, молекулы которых, видимо, обладают способностью под действием внешней нагрузки легко изменять пространственную форму, что обеспечивает фильтрату ПЖ низкие вязкостные свойства.

В пятом разделе диссертации изложены научные и методические основы обеспечения экологической безопасности буровой технологической системы.

Экологическая безопасность буровой технологической системы определяется, прежде всего, объемом и токсичностью обращающихся в ней веществ (материалов, сырья, отходов). Современная практика регламентирования экологической безопасности буровых технологических жидкостей, в частности промывочных, основана на разработка их предельно допустимых концентраций (ПДК) в водах водных объектов рыбохозяйственного значения (приказ Росрыболовства от 18 января 2010 г. № 2010). При разработке рыбохозяйственных нормативов постулируется, что ПЖ: а) являются смесями постоянного состава, б) имеют соответствующий номер ГОСТа или ТУ, номер госрегистрации, международный код, определяющие свойства этих веществ (количество и качество примесей). Эти утверждения являются ошибочными.

Жизненный цикл буровых промывочных жидкостей включает проектирование, приготовление, использование, кондиционирование и перевод в отходы производства. Как материальный объект ПЖ появляется на этапе приготовления (исходная, кондиционная промывочная жидкость), ее использование заключается в многократном прокачивании через скважину при котором ее состав и свойства изменяются в результате:

? обогащения буровым шламом;

? химических реакций и физико-химического взаимодействия между компонентами дисперсионной среды и дисперсной фазы, а также с породами в стенке скважины (путь циркуляции ПЖ через скважину, которая, по сути, является химическим реактором с повышенными температурой и давлением, составляет несколько километров);

? механохимических процессов в элементах циркуляционной системы, прежде всего в гидромониторных насадках долота.

Разумеется, речь не идет о том, что состав и свойства БПЖ существенно изменяются уже в течение первого цикла циркуляции. Интенсивность снижения качества промывочной жидкости в процессе циркуляции зависит от многих факторов и вопрос лишь в том, когда эти изменения станут экологически значимыми. Сохраняя объективность, следует также отметить, что неизбежное ухудшение технологических свойств не обязательно будет сопровождаться ухудшением и экологических свойств промывочной жидкости. Не исключено, что в результате химических реакций и физико-химических процессов экологические свойства циркулирующей промывочной жидкости улучшатся по сравнению с исходной. Однако изначально это не известно.

В процессе циркуляции из скважины выходит некондиционная промывочная жидкость. Для возвращения исходного качества ее кондиционируют, в том числе, периодически путем химической обработки. Таким образом, можно выделить три состояния промывочной жидкости: исходное, для которого формально норматив ПДК утвержден, а также некондиционное (на выходе из скважины) и кондиционное (после химобработки), для которых норматив ПДК неизвестен.

Норматив ПДК определяется для одного фиксированного значения концентрации компонентов ПЖ, хотя это один из множества возможных вариантов ее рецептур. В проектной и технологической документации на строительство скважин приводятся интервалы значений концентрации компонентов ПЖ. Перед приготовлением промывочной жидкости на буровой осуществляют отработку ее рецептуры в лаборатории из реагентов и материалов, имеющихся на предприятии. Оптимизация рецептуры промывочной жидкости в лаборатории осуществляется по технологическим свойствам, которые, в отличие от экологических, можно оперативно измерить. Таким образом, задача воспроизведения ПЖ в соответствии с рецептурой, указанной в перечне ПДК, не ставится. Поэтому совпадение рецептуры приготовленной буровой (исходной) промывочной жидкости и ее утвержденного аналога - дело случая. Концентрации ингредиентов ПЖ изменяются в широких пределах. Следовательно, существует вероятность того, что экологические свойства фактически используемой промывочной жидкости могут быть хуже ее аналога, указанного в перечне ПДК. Для того, чтобы это исключить, целесообразно было в перечне ПДК привести концентрации ингредиентов БПЖ в виде интервала значений, а величину ПДК указать для самой худшей в этом отношении рецептуры промывочной жидкости. Впрочем, и это не сделает утвержденный норматив ПДК реальным, так как состав и свойства ПЖ в процессе циркуляции изменяются.

Целью разработки рыбохозяйственных нормативов смесевых препаратов является экспертная оценка экологического риска применения препарата, проведение экологической и рыбохозяйственной экспертизы, а также подготовка материалов для предъявления исков за ущерб, нанесенный водным биоресурсам. При оценке ущерба водным биоресурсам сопоставляют фактическую концентрацию веществ в воде с предельно допустимой. Следовательно, процедура разработки и утверждения ПДК для ПЖ имеет практическую ценность только при наличии методик их аналитического контроля в воде. Поскольку, попадая в воду, промывочная жидкость перестает существовать, распадаясь на отдельные компоненты, растворяющиеся и осаждающиеся в воде, то речь может идти о создании методик аналитического контроля не ПЖ в целом, а ее компонентов. Однако и утвержденных в установленном порядке таких методик. Следовательно, напрямую использовать значение ПДК промывочной жидкости при оценке ущерба водным биоресурсам не представляется возможным. Величина ПДК промывочной жидкости характеризует ее потенциальную экологичность на основе исследования только одной из возможных ее рецептур. Некоторая практическая польза от этого, безусловно, есть. Например, зная ПДК, на этапе проектирования можно выбрать промывочную жидкость с меньшим потенциальным ущербом водным биоресурсам. Однако с учетом длительности и трудоемкости процедуры разработки и утверждения эколого-рыбохозяйственных нормативов, а также неисчислимого количества существующих рецептур ПЖ такой путь вряд ли можно назвать разумным. На стадии проектирования, видимо, можно ограничиться применением приближенного расчетного способа определения экологичности БПЖ или, если необходим более точный результат, - использовать метод биотестирования. Однако и расчетный способ и биотестирование нуждаются в адаптации к условиям бурения. С этой целью в диссертации приведены результаты исследований технологических отходов бурения. Объектами исследований были отработанная промывочная жидкость (ОПЖ) и буровой шлам (БШ), полученные при бурении скважины № П-1 Южно-Песцового газоконденсатного месторождения Тюменской области. Исследования проводили по общепринятым методикам в Научно-исследовательском институте экологии человека и гигиены окружающей среды имени А.Н. Сысина Российской академии медицинских наук под руководством профессора, д.м.н. З.И. Жолдаковой.

Экспериментально установлено, что исследованная ОПЖ является многокомпонентной смесью, загрязненной химическими элементами и нефтепродуктами, большинство из которых превышает гигиенические ПДК, установленные для воды водных объектов. Безопасное разведение ОПЖ по ее влиянию на органолептические свойства воды определено как 1:111100, на санитарный режим водоемов - на уровне 1:25000. Безопасное разведение ОПЖ по ее влиянию на гидробионты составило 1:4000, поэтому отведение такой ее в водные объекты допустимо только после обезвреживания или разбавления. При этом следует осуществлять контроль по приоритетному показателю вредности - органолептическому, с кратностью разведения чистой водой 1:111 100, а контроль эффективности очистки - по свинцу.

На основании результатов комплексных санитарно-гигиенических экспериментальных исследований по оценке степени токсичности (опасности) БШ из скважины № П-1 установлено, что его следует отнести к 3 классу опасности. БШ представляет значительную опасность, обладает токсическими свойствами и может отрицательно воздействовать на эколого-гигиеническое состояние почвы и окружающую среду в целом и оказывать влияние на здоровье человека.

Установлено, что при биотестировании с предварительным разбавлением технологических отходов бурения водой необходимо учитывать токсичность не только полученной дисперсионной среды, но и дисперсной фазы.

К технологическим отходам бурения в настоящее время относят буровой шлам, буровые сточные воды и отработанные промывочные жидкости. Автором установлено и теоретически обосновано, что при оценке экологической безопасности БТС необходимо учитывать отходы не только промывочной, но и других технологических жидкостей.

В результате приведенных исследований установлено, что единого документа, фиксирующего экологичность веществ и материалов, используемых в бурении, в настоящее время нет. В связи этим в промысловой практике имеют хождение документы локального назначения (Карта токсикологических характеристик, Токсикологический паспорт и т.п.). Основной недостаток таких документов - невозможность сквозного (предприятие - отрасль - федеральные органы контроля и надзора) и комплексного (оценка воздействия на окружающую среду, экологические контроль, сертификация, страхование, аудит и т.д.) их использования. В связи с этим в диссертации разработан Экологический паспорт промывочной жидкости и технологических отходов бурения, который позволит решать весь комплекс вопросов, связанных с использованием веществ и материалов в бурении, в частности: установить единый, обязательный порядок оценки экологичности веществ и материалов, используемых в бурении, и за счет этого повысить экологическую безопасность строительства скважин; улучшить контроль за использованием веществ и материалов в бурении путем фиксирования их экологических характеристик и методов контроля показателей экологичности в экологическом паспорте; повысить достоверность оценки воздействия на окружающую среду и объективность экологической экспертизы проектных решений за счет использования единого подхода к оценке экологичности веществ и материалов, используемых в бурении, на этапах проектирования, согласования и экспертизы проектов; осуществить практическую реализацию экологической сертификации химреагентов для буровых технологических жидкостей.

В диссертации подробно проанализирована практика использования рыбохозяйственных нормативов в бурении. Показано, что основу природоохранных мероприятий в настоящее время составляет контроль соблюдения норм ПДК. Количество новых токсикантов, используемых в буровой практике, увеличивается и действие их смесей на живые организмы трудно предсказуемо. Ввиду того, что в приемлемые сроки невозможно определить аналитическими методами содержание всех представляющих опасность для человека и животных примесей, а ПДК установлены для небольшой части загрязнителей, оценка техногенного загрязнения водоемов, основанная на гидрохимических показателях, не может считаться достаточной. Главный недостаток гидрохимических методов в том, что ПДК сами по себе не говорят о степени токсичности воды для живых организмов. Токсичность - характеристика биологическая, и не может быть определена без биологического объекта. Биологические методы дают интегральную оценку вреда, вызываемого суммарным действием всех токсикантов с учетом их синергизма и антагонизма. Чтобы выявить реакцию на суммарное содержание токсических компонентов в водной среде сложных биологических систем, в экотоксикологических экспериментах их моделируют более простыми (биотестирование). Поэтому наиболее перспективным для оценки экологичности нетоварных веществ представляется использование метода биологического тестирования.

В настоящее время методик биотестирования, учитывающих специфику обращения веществ в бурении, нет. Поэтому предложено:

* обосновать определяемые путем биотестирования показатели экологичности веществ с целью учета не только токсической, но и других составляющих техногенного воздействия веществ на окружающую среду;