Резюме: С введением в действие закона «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года» проблема оценки техногенного воздействия объектов ТЭК на окружающую среду становится все более актуальной. В частности, неуклонно повышается важность максимально точного расчета эффективности тех или иных технологических решений, направленных на снижение экологических и экономических рисков, с той или иной степенью неотвратимости сопровождающих добычу и транспортировку углеводородов.

Ключевые слова: экология транспортировки нефти и газа, волоконно-оптические системы мониторинга, инновационные разработки, распределенные датчики.

15 января 2016 года ПАО «ЛУКОЙЛ» сообщило о том, что ООО «ПетроЛайт» победило в тендере на поставку оптоволоконных систем мониторинга для водо-паронагнетательных скважин для ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» с поставкой в июне текущего года. Таким образом был дан старт широкому применению в российском ТЭК инновационной Системы комплексного мониторинга скважин (СКМС), основанной на волоконно-оптических технологиях и призванной решать широкий круг производственных, экономических и экологических задач.

Разработка и эксплуатация нефтегазовых месторождений, также как и транспортировка углеводородного сырья, зачастую сопровождается аварийными разливами нефти, а также выбросами грунтовых вод. В жидкие отходы, состав которых начинает формироваться еще на стадии бурения, входит большое число токсичных примесей, тяжелых металлов, накапливающихся из выработок горных пород, а также глинистых взвесей.

К наиболее частым причинам таких аварий относятся выход оборудования из строя или ошибки персонала. Свести к минимуму вероятность такого рода неблагоприятных последствий помогает применение разработанной российской компанией «ПетроЛайт» Системы комплексного мониторинга скважин (СКМС), эксплуатация которой начнется на российских месторождениях в 2016 году. Опираясь на высшие достижения российской науки, разработчики и производственники ООО «ПетроЛайт» начали исследования в этой области почти 15 лет назад. За это время совместно с ОАО «АК «Транснефть» было создано ЗАО «ОМЕГА», через которое волоконно-оптической Системой обнаружения утечек и контроля активности (СОУиКА «ОМЕГА») уже оснащено более пяти с половиной тысяч километров российских трубопроводов.


Рис.1 Инженер Анна Малахова ведет калибровку точечного датчика давления для СКМС «ПетроЛайт»

Отечественные разработчики сделали акцент на создании системы, в мировой практике известной как интеллектуальная скважина. Она состоит их трех объединенных единой логической цепью компонентов: подсистемы получения информации о работе пластов и оборудования в скважине, полностью или частично автоматизированной подсистемы принятия решений, а также модуля изменения параметров работы скважины. При этом информацию о работе скважины и пласта предоставляют оптоволоконные датчики.

Данный класс оптоволоконных сенсоров функционирует с использованием явления рассеяния света внутри световода, который играет роль как сенсора, так и среды передачи сигнала. Важной особенностью сенсоров, регистрирующих рассеянное излучение, является их распределенность вдоль непрерывной световедущей сердцевины. Отражения рассеянного света происходят на всем протяжении оптоволокна, и отражение от каждого элементарного участка определяет состояние этого участка, обусловленное температурой или иными физическими факторами. При этом регистрация отраженных сигналов позволяет оценить, как распределяется температура или деформация вдоль проложенного сенсора. Таким образом, временной метод выделения отраженных сигналов (OTDR) позволяет оценивать температуру либо в заданных точках, либо непрерывно вдоль всей протяженной линии волокна.


Рис. 2 Инновационный конструктив волоконно-оптического кабеля, применяемого в СКМС

На основе новейших волоконно-оптических технологий разработчики из компаний «ОМЕГА» и «ПетроЛайт» создали универсальный высокочувствительный контрольно-измерительный комплекс, действие которого основано на применении распределенных датчиков температуры и виброакустических колебаний. Дополнительно для Системы комплексного мониторинга скважин (СКМС) был разработан и запускается в серийное производство точечный датчик давления. Одновременно распределенный температурный сенсор был адаптирован для определения абсолютных значений температуры по четырем каналам. Блок измерения абсолютной температуры (БИАТ) фиксирует изменения профиля температурных колебаний по всей длине ствола скважины в непрерывном режиме.


Рис. 3 Структура блока измерения абсолютной температуры СКМС

СКМС выполняет следующие основные задачи:

• Измерение профиля температурных колебаний по всей длине ствола скважины в непрерывном режиме.
• Измерения забойного давления.
• Контроль притока по всей длине горизонтального участка ствола скважины с целью определения эффективности его функционирования.
• Контроль работы отдельных пропластков продуктивного горизонта в вертикальных и наклонно-направленных скважинах.
• Определение профиля приемистости в нагнетательных скважинах.
• Гидропрослушивание в постоянном режиме.
• Контроль эффективности закачки, обнаружение локальных зон потерь тепла в паронагнетательных скважинах.
• Определение зон растепления линз вечной мерзлоты в заколонном пространстве.
• Определение начала гидратобразования в газовых и газоконденсатных скважинах.
• Определение эффективности закачки компримированного газа в газоконденсатных скважинах и ПХГ.
• Выявление зон нарушения герметичности эксплуатационной колонны и колонны НКТ.
• Определение заколонных перетоков.

Благодаря внедрению ряда прорывных технологических решений, а также специально разработанных видов оптического кабеля технические параметры СКМС по целому ряду показателей лучше, чем у давно известных на рынке зарубежных производителей. В частности, это стало очевидно в последние дни 2015 года в ходе победного для ООО «ПетроЛайт» тендера. Оказалось, что при заметно более низкой цене СКМС производства ООО «ПетроЛайт» способна стабильно работать в температурном диапазоне от -60 до +350°С. Причиной тому стал богатый практический опыт разработчиков, впервые применивших прообраз СКМС на Ашальчинском месторождении почти десять лет назад.


Табл. 1. Технические характеристики СКМС «ПетроЛайт»

СКМС состоит из волоконно-оптического кабеля, который размещается в стволе скважины, и логического модуля, оснащённого блоками измерения температуры, вибрации и давления. Автоматизированное рабочее место оператора (АРМ) связанно с логическим модулем СКМС через локальную сеть. Созданное на базе персонального компьютера АРМ отображает результаты мониторинга скважины: происшедшие события с указанием их места и времени, визуализацию событий на карте местности или схеме; информирует об обрыве ВОК. Запись показаний происходит в режиме реального времени по всей длине кабеля, погруженного в скважину.

СКМС предназначена для непрерывного мониторинга и регистрации изменений температуры, давления и акустических колебаний в стволе скважины. Работа блоков измерения основывается на анализе обратно рассеянного оптического излучения, несущего информацию о характере, месте и времени возмущения оптического волокна. Основными отличительными особенностями оптоволоконной СКМС являются возможность измерения поля (профиля) физических величин по длине ствола скважины в реальном времени без перемещения датчика, а также высокая надежность и длительный срок работы вследствие отсутствия в скважине сложных электронных и механических устройств и электрического канала связи. Высокая стабильность функционирования и помехозащищенность датчика, обеспечивающие работу системы термометрии в течение межремонтного периода или жизни скважины, сочетается с возможностью исследования работы скважин со сложной схемой заканчивания включая горизонтальные дополнительные стволы и многоствольные скважины. Традиционным для продукции компаний «ПетроЛайт» и «ОМЕГА» является использование одного волоконного световода для измерения разных физических величин. Измерение теплового профиля ведется одновременно по всей длине ствола скважины в режиме реального времени без перемещения датчика. В то же время, свободный доступ к электронному оборудованию упрощает работы по его модернизации и техническому обслуживанию.


Рис 4. Размещение оборудования СКМС «ПетроЛайт» в скважине

Акустические колебания регистрируются и оцениваются блоком измерения акустических колебаний (БИАК). Использование одного и того же специализированного оптоволоконного погружного кабеля с несколькими оптическими волокнами позволяет не только измерять температуру, но и регистировать акустические воздействия вдоль всего ствола скважины. Распределенная волоконно-оптическая система акустичического мониторинга локализует акустические воздействия, а также регистрирует их частоту и амплитуду. Анализ акустического шума позволяет определять места негерметичности обсадной колонны и НКТ, пакеров, а также выявлять заколонные перетоки.

Контроль изменения забойного давления ведется с использованием точечного датчика давления, размещенного в нижней точке кабеля-датчика. Наблюдение за изменениями давления в разных интервалах возможно с использованием нескольких (не более 5 на одно волокно) точечных датчиков (квазираспределенный датчик).

Использование СКМС трёх типов датчиков (БИД, БИАТ, БИАК) повышает точность определения события. Сокращение числа случаев вмешательства в скважину с целью выяснения причин сбоев её работы приведёт к снижению расходов, простоев, а также эксплуатационных и экологических рисков и угроз безопасности.

Примером подобного рода быстродействия системы служит решение задачи выявления мест негерметичности эксплуатационной колонны добывающей скважины. Несомненным преимуществом является возможность исследования и мониторинга работы скважин со сложной схемой заканчивания, конструкция которых не позволяет размещать в стволе традиционные приборы ГИС, включая горизонтальные дополнительные стволы, многоствольные скважины, интеллектуальные скважины с размещением в стволе управляемого оборудования и управляющих устройств. Помимо прочего возможен мониторинг температурного поля в период сооружения скважины, то есть в период бурения ствола и крепления промежуточной и эксплуатационной колонн. Оптоволоконный кабель, установленный в зоне цементирования кондуктора (в криолитозоне), может выполнить важную функцию контроля качества цементирования колонны. В этом случае фиксируются локальные тепловые поля, которые образуются в результате эндотермической реакции в процессе образования цементного камня. Равномерный уровень теплового поля в зоне цементирования характеризует высокое качество цементного камня. Низкий, рваный профиль теплового поля характеризует невысокое качество цементного камня или его отсутствие, что свидетельствует о низком качестве цементирования скважины в целом и требует выполнения ремонтных работ.


Рис. 5. Варианты размещения распределенного датчика изменения температуры СКМС

Возвращаясь к уже затронутому вопросу о разделении добываемой продукции на отдельные фазы, следует отметить, что содержание растворенного газа в нефти в течение эксплуатации залежи меняется в сторону уменьшения, но эти процессы происходят не сиюминутно, а растягиваются на весь период разработки пласта. Как правило в разных продуктивных пластах одного и того же месторождения содержание растворенного газа будет разным. С целью определения концентрации газа, нефти, воды и механических примесей в потоке флюида в скважинах периодически производится отбор проб.

Согласно идеологии СКМС, приняв содержание газа в период между исследованиями скважины за постоянную величину и определив по показаниям приборов системы «ПетроЛайт» среднюю плотность потока, то, применив уравнение Менделеева–Клайперона для универсальной газовой постоянной и зная температурную инверсию, можно вычислить концентрацию в потоке нефти воды и механических примесей. Это позволяет организовать оперативный учет в многофазном потоке с погрешностью на уровне 5-10%. Эта информация накапливается в электронным блоке СКМС, который реализует функциональность первичной обработки данных и состоит из вычислительного ядра и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Первичные данные поступают из блоков измерения абсолютной температуры и давления.
Отечественные эксперты считают, что для России риск возникновения экологических аварий напрямую зависит от трех групп факторов и описывается следующим регрессионным уравнением:

где

• Х1 – показатель эффективности экологической политики местных органов власти;
• Х2 - капитальные вложения в ресурсосберегающее и природоохранное оборудование;
• Х3 - эффективность реализации экологических государственных программ.

В этой связи очевидно, что СКМС имеет самое прямое отношение ко второй и третьей переменной урвнения. Вместе с тем, следует отметить, что практический опыт работы в ТЭК разработчиков системы продиктовал повышенное внимание именно к этому аспекту нового продукта компании «ПетроЛайт». Изначально предполагалось, что контроль заколонных перетоков даст эксплуатантам ключ к отслеживанию смешения различных фракций в пластах, через которые проходит скважина. Это особенно важно с учетом необходимости сохранения чистоты водоносных слоев. Возможность контроля целостности цементного кольца также критичен с точки зрения предотвращения загрязнения окружающей среды.

Важнейшей с точки зрения сохранения экологического равновесия в районах добычи нефти методом гидроразвыва пластов является другая опция, предоставляемая СКМС «ПетроЛайт». Система способна получать не только трехмерную картину гидроразрыва пластов, но и информацию о направлении разрыва. Эти данные помогут не только точнее планировать названные работы, но и эффективнее сохранять водоносные слои.


Рис. 6. Генеральный директор ЗАО «ОМЕГА» Дмитрий Плешков демонстрирует членам Правления Международной Ассоциации транспортировщиков нефти новые типы волоконно-оптических сенсоров. Москва, сентябрь 2015 г.

При необходимости СКМС может быть дополнена другой важной разработкой компании «ПетроЛайт» и ее дочернего общества компании «Оптомониторинг», выведенной на рынки в прошлом году. Речь идет о сверхчувствительном детекторе метана, действие которого также основано на применении волоконно-оптических технологий. Детектор предназначен для непрерывного мониторинга объемной концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона и реализован в двух вариантах: волоконный с доставкой излучения к удаленной однопроходной кювете и дистанционный на основе телескопической системы, использующий в качестве отражателя диффузионную поверхность. В обоих случаях разрешающая способность детектора составляет порядка 2 ppm.

Применительно к мониторингу скважин детектор метана поможет своевременно получить информацию о накапливающемся в районе промысла объеме газа, представляющем не только экологическую, но и физическую опасность для персонала, обслуживающего скважины.

Под экологическим риском обычно понимается вероятность наступления неблагоприятных для окружающей среды последствий и изменений природных объектов, выраженная количественными параметрами. Экологический риск часто рассматривают в двух аспектах - потенциальном и реальном. Потенциальный экологический риск - это опасность нарушения равновесия биосферы в результате природных или антропогенных воздействий. Расчет реального экологического риска производится на базе потенциального риска с учетом вероятности наступления рассматриваемого сценария. В этой связи очевидно, что изначально предназначенная для оперативного принятия значимых решений по управлению работой скважин СКМС производства компании «ПетроЛайт» выполняет и важную экологическую функцию, уменьшая потенциальные экологические риски и способствуя снижению затрат и вероятности нанесения ущерба окружающей среде.

ИСТОЧНИКИ:

• 1. Л.И.Клинцевич, Г.А.Киселев. Инновационная система мониторинга «ОМЕГА» способна «слышать» утечки из трубопроводов и определять расстояние до места потенциально опасного события. Экологический вестник России, N5, 2014, стр.20-22.
• 2. С.И.Васютинская, В.Д.Малкина, Г.А.Киселев. Волоконно-оптические датчики в агрессивных средах: эффективность и экологичность. Журнал «Экологический вестник России», 2015, №9, стр. 20-23
• 3. Подробная информация о СОУиКА «ОМЕГА» на сайте ОАО «АК «Транснефть»: www.omega.transneft.ru. О проведенных ранее испытаниях с участием представителей ООО «Газпром» см. «Научный журнал Российского газового общества», №4, 2014 г., стр. 86-91.
• 4. Псёл Н. Вариант «ОМЕГА» представлен банкирам БРИКС // Труд. 30 октября 2015. — С. 4.
• 5. Natalia Psel, AlekseyTurbin. Innovative Response to Technologic and Anthropogenic Challenges: Omega’s Fibre-Optic Cable-Based Monitoring System for Pipelines.Pipelines International Digest, 11/2012, pp.18-19.
• 6. Ю.В. Лапшина, В.Ф. Рыбка. “Результат применения оптоволоконных технологий распределенной термометрии при освоении скважины с помощью ЭЦН”, Экспозиция Нефть Газ - 7 (32), ноябрь 2013 г., стр. 13-17.
• 7. М.В.Кравцова. Оценка техногенного риска технически сложных производственных объектов машиностроения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -- 2012. -- Т. 14. -- № 1--3. -- С. 877--884.
• 8. Aleksey Turbin, Natalia Psel, Andrew Andrianovsky. PetroLlight Complex Well Monitoring System: Innovative Instrument for Wells Management Decision Making. Pipeline Technology Journal, №1, 2016.