انفجار در حفاری نفت چیست؟ علل، پیامدها و پیشگیری توضیح داده شده است

A فوران در حفاری نفت انتشار غیرقابل کنترل نفت خام، گاز طبیعی یا سایر سیالات مخزن از یک چاه به سطح است - زمانی که فشار چاه از توانایی سیستم کنترل چاه برای مهار آن فراتر رود. این خطرناک ترین و پرهزینه ترین نوع خرابی کنترل چاه در صنعت نفت است که می تواند باعث خسارات جانی فوری، آتش سوزی فاجعه آمیز، آلودگی طولانی مدت زیست محیطی و خسارات اقتصادی با میلیاردها دلار شود.

اصطلاح "فروغ" یک حالت خرابی خاص را توصیف می کند: نه صرفاً یک نشت یا نشت، بلکه یک دفع ناگهانی، نیرومند و کنترل نشده سیالات زیرسطحی که توسط فشار سازند هدایت می شود. در یک چاه فعال، وزن سیال حفاری (گل) در چاه، فشار طبیعی نفت و گاز را در سازند سنگ زیر متعادل می کند. وقتی این تعادل از بین می‌رود - چه به دلیل خطای انسانی، نقص تجهیزات یا شرایط زمین‌شناسی غیرمنتظره - فشار سازند برنده می‌شود و یک انفجار رخ می‌دهد.

بر اساس گزارش انجمن بین المللی پیمانکاران حفاری (IADC)، صنعت نفت و گاز جهانی به طور میانگین به ثبت رسیده است. سالانه 20 تا 40 حادثه کنترل چاه قابل توجه در دهه قبل از 2020، با انفجارهای کامل که نشان دهنده شدیدترین زیرمجموعه آن رویدادها است. در حالی که فوران های بزرگ از نظر آماری نسبت به تعداد کل چاه های حفر شده در سراسر جهان در هر سال نادر است - طبق گفته اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده، تقریباً 60000 حلقه چاه جدید در سال در سراسر جهان - پیامدهای آنها در صورت وقوع به طور نامتناسبی شدید است.

این مقاله توضیح می دهد که a فوران در روغن در سطح مکانیکی و زمین‌شناسی است، چه چیزی باعث ایجاد آن‌ها می‌شود، چگونه صنعت برای جلوگیری از آن‌ها کار می‌کند، و چه اتفاقی می‌افتد هنگامی که پیشگیری با شکست مواجه می‌شود - که با نمونه‌های تاریخی خاصی که شیوه کنترل چاه مدرن را شکل داده است، نشان داده شده است.

چگونه یک انفجار در حفاری نفت رخ می دهد: مکانیک

یک فوران چاه نفت نتیجه عدم تعادل فشار در سوراخ چاه است - به طور خاص، وضعیتی که در آن فشار منافذ تشکیل از فشار هیدرواستاتیک ستون سیال حفاری و مهار ثانویه ارائه شده توسط پشته جلوگیری از فوران (BOP) بیشتر است.

در شرایط عادی حفاری، تعادل فشار چاه به شرح زیر عمل می کند:

• فشار منافذ تشکیل: فشار طبیعی سیالات (نفت، گاز، آب) محبوس شده در منافذ و شکستگی سنگ مخزن. در چاه های عمیق دریایی، این می تواند از 20000 PSI (پوند بر اینچ مربع) فراتر رود.
• فشار هیدرواستاتیک گل حفاری: وزن ستون سیال حفاری در چاه فشار رو به پایین بر سازند وارد می کند و فشار منفذی را خنثی می کند. حفاری‌ها وزن گل را تنظیم می‌کنند (اندازه‌گیری شده بر حسب پوند در گالن، pg) برای حفظ تعادل جزئی - معمولاً 100 تا 200 PSI بالاتر از فشار سازند.
• موانع مکانیکی چاه: روکش فولادی که در فواصل زمانی درون سوراخ چاه سیمان شده است، مهار ساختاری را فراهم می کند، و پشته BOP در سطح، مانع مکانیکی نهایی در برابر جریان کنترل نشده را فراهم می کند.

A فوران زمانی اتفاق می افتد که این سیستم به ترتیب از کار بیفتد:

1. یک ضربه رخ می دهد: سیالات سازند وارد چاه می شوند زیرا وزن گل برای مهار فشار منافذ کافی نیست. یک لگد هنوز یک انفجار نیست - یک علامت هشدار است. حفاری ها با نظارت بر بازگشت گل، ضربه ها را تشخیص می دهند: افزایش غیرمنتظره در حجم گودال گلی به این معنی است که سیال سازند در حال جریان است.
2. ضربه به موقع تشخیص داده نمی شود یا پخش نمی شود: اگر هجوم گاز یا نفت به سرعت تشخیص داده نشود و چاه با استفاده از BOP در (بسته) بسته نشود، سیالات تشکیل سبک‌تر در سوراخ چاه بالا می‌روند و فشار هیدرواستاتیک ستون گل را در حین بالا رفتن بیشتر کاهش می‌دهند - چرخه خود تقویت‌کننده کاهش فشار و هجوم بیشتر را ایجاد می‌کنند.
3. BOP موفق به مهار چاه نمی شود: یا BOP فعال نمی شود، یا خیلی دیر فعال می شود یا به صورت مکانیکی از کار می افتد. هنگامی که BOP از کار می افتد یا دور می زند، هیچ مانعی بین فشار سازند و سطح وجود ندارد.
4. انفجار رخ می دهد: سیالات سازند با فشار کامل سازند به سطح می رسند و سیال حفاری، تجهیزات و خود را به اتمسفر یا در چاه های فراساحلی به اقیانوس بیرون می کنند.

سرعت این سکانس می تواند هشدار دهنده باشد. بر اساس داده‌های آموزشی کنترل چاه از انجمن بین‌المللی کنترل چاه (IWCF)، یک ضربه چاه آب عمیق که در عرض چند دقیقه تشخیص داده نمی‌شود، می‌تواند در کمتر از 30 دقیقه به یک فوران کامل تبدیل شود.

چه چیزی باعث فوران چاه نفت می شود؟

چاه نفت منفجر می شود توسط ترکیبی از عوامل زمین‌شناسی، مکانیکی و انسانی ایجاد می‌شوند - و در اکثر انفجارهای بزرگ مستند شده، تحقیقات به جای یک علت واحد، خرابی‌ها را در سطوح مختلف پیدا می‌کند. تجزیه و تحلیل جامع حوادث انفجار توسط کمیته کنترل چاه IADC، عوامل مؤثر اصلی زیر را شناسایی کرد:

جدول 1: علل اولیه فوران چاه نفت و فراوانی آنها در بررسی حادثه (منبع: داده های کمیته کنترل چاه های انجمن بین المللی پیمانکاران حفاری)

سطحی در مقابل ضربه های زیرزمینی

نه همه فوران چاه نفتs به سطح برسد. یک فوران زیرزمینی زمانی اتفاق می‌افتد که سیالات مخزن از یک منطقه پرفشار به یک منطقه کم فشار از طریق فضای حلقوی بین پوشش و سازند مهاجرت می‌کنند - بدون اینکه هرگز به دهانه چاه برسند. تشخیص فوران های زیرزمینی دشوارتر است، اما می تواند چاه را از نظر ساختاری بی ثبات کند و باعث آلودگی محیطی زیرسطحی شود.

A فوران سطحی - نوع متداول‌تر شناخته‌شده - بصری چشمگیری از یک آبفشان از نفت، گاز، گل و زباله‌هایی را ایجاد می‌کند که از دهانه چاه فوران می‌کنند و اغلب به آتش چاه می‌آیند که می‌تواند برای روزها، هفته‌ها یا ماه‌ها بسوزد.

عواقب انفجار چاه نفت چیست؟

عواقب یک فوران روغن شامل چهار حوزه به هم پیوسته - ایمنی انسان، آسیب زیست محیطی، ضرر اقتصادی و واکنش نظارتی - و در حوادث بزرگ، هر چهار به طور همزمان شدید هستند.

ایمنی انسان

انفجار عامل اصلی مرگ و میر در عملیات حفاری است. هنگامی که یک چاه منفجر می شود و گاز مشتعل می شود، انفجار و آتش سوزی ناشی از آن می تواند برای پرسنل در شعاع انفجار فوری و مرگبار باشد. فاجعه Deepwater Horizon در سال 2010 باعث کشته شدن 11 کارگر در انفجار اولیه شد - رویدادی که به گفته هیئت تحقیقات ایمنی شیمیایی و خطرات شیمیایی ایالات متحده (CSB) همچنان مرگبارترین حادثه حفاری دریایی در تاریخ ایالات متحده است. حتی فوران‌های غیراشتعالی نیز خطر فوری ناشی از انرژی جنبشی زباله‌های بیرون رانده شده، سمیت گاز سولفید هیدروژن (H2S) و فروپاشی ساختاری تجهیزات حفاری را ایجاد می‌کنند.

تاثیر زیست محیطی

فوران نفت برخی از بزرگترین رویدادهای آلودگی محیطی حاد در تاریخ صنعت را ایجاد می کند. انفجار Deepwater Horizon در سال 2010 تخمینی را منتشر کرد 4.9 میلیون بشکه (تقریباً 210 میلیون گالن) به گفته گروه فنی نرخ جریان ایالات متحده، نفت خام به خلیج مکزیک قبل از بستن چاه 87 روز بعد. این نشت تقریباً 1300 مایل از خط ساحلی ایالات متحده را آلوده کرد، حدود 1 میلیون پرنده دریایی و بیش از 100000 پستاندار دریایی را کشت و باعث آسیب اکوسیستم شد که هنوز بیش از یک دهه بعد ثبت شده است (اداره ملی اقیانوسی و جوی، 2020).

فوران های زمینی باعث ایجاد آلودگی متمرکز خاک و آب های زیرزمینی در محل چاه می شوند و محصولات جانبی آتش نفت - کربن سیاه، دی اکسید گوگرد و ترکیبات آلی فرار - اثرات قابل توجهی بر کیفیت هوا در منطقه اطراف ایجاد می کنند. آتش سوزی چاه نفت کویت در سال 1991 که در اثر خرابکاری عمدی در طول جنگ خلیج فارس ایجاد شد، تخمینی را منتشر کرد. 1.5 میلیارد بشکه معادل نفت در دود و محصولات احتراق، به گفته سازمان زمین شناسی ایالات متحده، یک رویداد منطقه ای آلودگی جوی قابل مشاهده از تصاویر ماهواره ای ایجاد می کند.

پیامدهای اقتصادی

هزینه اقتصادی یک رشته اصلی فوران چاه نفت تکان دهنده و چند لایه است. هزینه های مستقیم شامل دربندی چاه و حفاری چاه های امدادی، از دست دادن دارایی، اصلاح محیط زیست و تسویه حساب های قانونی است. هزینه‌های غیرمستقیم شامل از دست دادن درآمد تولید، افزایش حق بیمه در سراسر صنعت و هزینه‌های انطباق مقررات برای بخش وسیع‌تر است.

فاجعه Deepwater Horizon در نهایت هزینه اپراتور آن را تمام کرد 65 میلیارد دلار در کل بدهی - از جمله تسویه حساب 20.8 میلیارد دلاری قانون آب پاک با وزارت دادگستری ایالات متحده در سال 2015، بزرگترین شهرک زیست محیطی در تاریخ ایالات متحده. خود دکل که ارزش آن تقریباً 560 میلیون دلار است، یک ضرر کلی بود. تولید از خلیج مکزیک برای ماه ها پس از اعمال تعلیق حفاری فدرال مختل شد.

چگونه صنعت نفت از انفجار جلوگیری می کند: سیستم های کنترل چاه

پیشگیری از انفجار در حفاری مدرن متکی بر سیستم لایه‌ای از موانع است - این فلسفه که در صورتی که سایر عناصر سیستم به درستی کار کنند، هیچ نقطه‌ای از شکست نباید قادر به ایجاد انفجار باشد.

جلوگیری از انفجار (BOP): سد مکانیکی اولیه

را فوران preventer یک مجموعه شیر پرفشار بزرگ است که در بالای چاه - در سطح برای چاه‌های زمینی و در کف دریا برای چاه‌های دریایی در آب‌های عمیق نصب شده است. یک پشته BOP معمولاً شامل چندین مؤلفه مستقل است:

• یکnular preventer: یک عنصر بسته‌بندی لاستیکی که می‌تواند اطراف هر شکل لوله را ببندد - یا سوراخ باز را به طور کامل با فشار هیدرولیکی به داخل ببندد. این دستگاه بسته‌کننده پاسخ اول است که می‌تواند تقریباً روی هر پیکربندی در سوراخ چاه ببندد.
• قوچ های لوله: قوچ های فولادی که در اطراف رشته مته بسته می شوند و فضای حلقوی بین لوله و دیواره چاه را آب بندی می کنند. قوچ های لوله با قطر لوله خاص مورد استفاده مطابقت دارند.
• قوچ های کور/برشی: را last-resort mechanical barrier — hardened steel blades that close completely across the wellbore, cutting through the drill string if necessary and sealing the well. Modern deepwater shear rams must be able to cut through tool joints and other hardware, requirements strengthened significantly after the Deepwater Horizon inquiry.

پشته های BOP آب های عمیق مدرن می توانند وزن بیشتری داشته باشند 400 تن و بیش از 15 متر ارتفاع دارد و دارای حداکثر شش عنصر بسته کننده است. آنها دارای رتبه بندی فشار برای مطابقت با حداکثر فشار پیش بینی شده چاه هستند - در عملیات آب های عمیق خلیج مکزیک، BOP ها معمولاً دارای رتبه بندی هستند. 15000 PSI یا بالاتر (دفتر ایمنی و اجرای محیط زیست، 2016).

مدیریت وزن گل: سد مایع اولیه

مدیریت صحیح وزن سیال حفاری (گل). اولین خط دفاعی در برابر انفجار است - جلوگیری از ضربه بسیار موثرتر و کم هزینه تر از بسته شدن در چاه پس از وقوع ضربه است.

مهندسان گل به طور مداوم چگالی سیال حفاری را که بر حسب پوند بر گالن (ppg) اندازه گیری می شود، نظارت و تنظیم می کنند. وزن گل حفاری معمولی از 8.5ppg (پایه آب شیرین) تا 18ppg یا بالاتر در سازندهای پرفشار حفظ وزن صحیح گل مستلزم پیش‌بینی دقیق فشار منفذی از تجزیه و تحلیل لرزه‌ای قبل از حفاری، داده‌های چاه افست و اندازه‌گیری‌های بلادرنگ در حین حفاری است (MWD/LWD - ابزار اندازه‌گیری/لوگ در حین حفاری).

گل خیلی سبک باعث لگد می شود. گل بسیار سنگین می تواند سازند را بشکند (گردش از دست رفته) - همچنین یک مشکل جدی کنترل چاه است که می تواند به طور غیرمستقیم با کاهش ارتفاع موثر ستون گل منجر به انفجار شود.

پوشش چاه و سیمان کاری: سد سازه ای

رشته های پوشش فولادی در فواصل زمانی به داخل چاه کشیده می شوند و در محل خود سیمان می شوند و یک سری استوانه های متحدالمرکز فولادی و سیمانی ایجاد می کنند که سوراخ چاه را از سازند اطراف و از یکدیگر جدا می کند. یک برنامه پوششی که به درستی طراحی و اجرا شده باشد، تضمین می کند که حتی اگر مانع سیال اولیه (گل) از کار بیفتد، موانع ساختاری افزونگی ایجاد می کنند. کیفیت کار سیمان‌کاری توسط سیاهه‌های باند سیمانی تأیید می‌شود - اندازه‌گیری‌های صوتی که تأیید می‌کنند که آیا سیمان به طور مؤثری هم به پوشش و هم به شکل‌گیری چسبیده است. پیوند ضعیف سیمانی - همانطور که در تجزیه و تحلیل پس از حادثه چاه Deepwater Horizon توسط کمیسیون ملی نشت نفت BP Deepwater Horizon پیدا شد - یک مسیر مهاجرت برای گاز در پشت پوشش ایجاد می کند که به طور کامل BOP را دور می زند.

انفجارهای نفتی خشکی در مقابل فراساحلی: تفاوت های کلیدی

در حالی که مکانیک زیربنایی یک فوران روغن در خشکی و دریا یکسان هستند، زمینه عملیاتی، پیامدها و گزینه های پاسخ به طور قابل توجهی بین محیط های خشکی و فراساحلی متفاوت است.

جدول 2: مقایسه فوران چاه نفت خشکی و فراساحلی در میان عوامل کلیدی عملیاتی، محیطی و واکنشی

فوران چاه نفت چگونه متوقف می شود؟

توقف فوران چاه نفت فعال یکی از سخت‌ترین عملیات‌های واکنش اضطراری در دنیای صنعتی است - هیچ روش جهانی واحدی وجود ندارد و رویکرد به آتش گرفتن چاه، عمق و نوع فوران و شرایط مکانیکی چاه بستگی دارد.

• کشتن پویا (گل سر): پمپاژ گل سنگین حفاری یا سیمان به داخل چاه با فشار بالا برای غلبه بر فشار سازند و توقف جریان. این سریعترین روش زمانی است که دهانه چاه در دسترس باشد و سوراخ چاه سالم باشد. اثربخشی به داشتن فشار پمپ کافی برای فراتر رفتن از فشار سازند در نقطه هجوم بستگی دارد.
• پشته دربندی: یک مجموعه تخصصی BOP که می تواند روی سر چاه آسیب دیده یا تخریب شده نصب شود تا بسته شدن مکانیکی چاه را بازیابی کند. پشته های دربندی پس از پاسخ Deepwater Horizon برجسته شدند - پشته دربندی نصب شده بر روی آن چاه در 15 ژوئیه 2010 جریان را پس از 87 روز متوقف کرد، اگرچه تا زمانی که چاه های امدادی تکمیل نشد، چاه برای همیشه از بین نرفت.
• حفاری چاه امدادی: حفر یک چاه جدید و منحرف از یک مکان نزدیک برای تقاطع چاه دمنده در عمق، سپس پمپاژ سیال با وزن کشنده به داخل سازند برای متعادل کردن دائمی فشار مخزن. حفاری چاه امدادی روشی قطعی برای چاه‌هایی است که نمی‌توان آن‌ها را از بالا از بین برد - اما تکمیل آن هفته‌ها تا ماه‌ها طول می‌کشد. چاه‌های امدادی Deepwater Horizon به طور همزمان حفر شدند و اولین تقاطع در 17 سپتامبر 2010، 152 روز پس از شروع فوران انجام شد.
• اطفاء حریق و سوختن: برای فوران های مشتعل، کنترل آتش - به جای خاموش کردن فوری آن - اغلب استراتژی اولیه ترجیحی است زیرا یک چاه سوزان روغن مایع را به اطراف پخش نمی کند. تیم های تخصصی کنترل چاه از جت های آب با حجم زیاد و گاهی اوقات مواد منفجره برای خاموش کردن شعله استفاده می کنند و پس از آن می توان چاه را درپوش گذاشت.

چگونه انفجارهای بزرگ مقررات حفاری نفت را تغییر داد

هر مهم فوران چاه نفت تغییرات نظارتی ایجاد کرده است - اصلاحات اغلب عقب افتاده که صنعت تا زمانی که یک فاجعه آنها را از نظر سیاسی و قانونی اجتناب ناپذیر کرد، در برابر آن مقاومت کرد.

جدول 3: رویدادهای مهم انفجار چاه نفت و تأثیر نظارتی پایدار آنها بر صنعت جهانی نفت

سوالات متداول در مورد فوران روغن

A فوران در روغن drilling نشان‌دهنده همگرایی نیروهای زمین‌شناسی، سیستم‌های مکانیکی و تصمیم‌گیری انسانی تحت فشار است – و زمانی که هر عنصری از آن سیستم در لحظه‌ای اشتباه از کار بیفتد، عواقب آن بسیار فراتر از خود چاه است. صنعت نفت مدرن از طریق فناوری بهتر، آموزش دقیق تر و مقررات قوی تر در زمینه پیشگیری از انفجار پیشرفت چشمگیری داشته است. اما تا زمانی که چاه‌ها در مخازن پرفشار حفر می‌شوند، امکان انفجار را نمی‌توان به طور کامل از بین برد - فقط از طریق هوشیاری مداوم و دفاع لایه‌ای مدیریت، نظارت و کاهش می‌یابد.

فهمیدن چه چیزی فوران روغن این است که چگونه اتفاق می‌افتد و چه هزینه‌ای در زمان انجام آن دارد، دانش ضروری است نه فقط برای مهندسان حفاری و متخصصان کنترل چاه، بلکه برای هر کسی که به دنبال درک خطرات و مسئولیت‌های واقعی ناشی از استخراج نفت و گاز از زمین است.