СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ПОДЖИГА ОТКРЫТОГО ФОНТАНИРОВАНИЯ ГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ Российский патент 2021 года по МПК E21B41/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам дистанционного воспламенения потока природного газа (открытого газового фонтана) в условиях аварии на газовых месторождениях.

Одной из наиболее остро стоящих проблем в современной газодобывающей отрасли являются периодически случающиеся аварии. В результате мощного выброса природного газа оборудование скважины зачастую получает сильные повреждения, нарушается герметизация сочленений газового превентора. Природный газ с высокой скоростью истекает в атмосферу под высоким выходным давлением (от 100 атм. и более). Как правило, в подобной ситуации происходит воспламенение газа, возникает пожар, однако, в ряде случаев воспламенения не происходит. Возникает угроза скопления большого количества метана в атмосфере, а также скопление пропана вблизи поверхности земли. Последнее обстоятельство представляет наибольшую опасность возможного объемного взрыва вблизи поверхности земли. Кроме того, на ряде газовых месторождений присутствует сероводород, скопление которого у поверхности земли также представляет опасность, т.к. этот газ ядовит в больших концентрациях. Ввиду указанных обстоятельств, одной из задач аварийно-спасательной службы современной газодобывающей отрасли является максимально оперативное (в течение не более 20 минут с момента аварии) осуществление воспламенения истекающего газа.

Известен способ поджига открытого фонтанирования газовой скважины реализованный в конструкции добывающей скважины месторождения углеводородов [1], выполненный в виде факельной линии, оснащенной автоматическим поджигом добываемого газа.

Недостатком данного способа является прежде всего тот факт, что факельная линия является частью конструкции скважины и в случае аварийной ситуации сама не должна быть повреждена. Между тем, на газовых месторождениях нередко происходит так называемый выброс природного газа, представляющий собой, с учетом высокого пластового давления, мощный газодинамический удар, приводящий к разрушению значительной части конструкции скважины и образованию открытого газового фонтана.

Кроме того, данный способ неприменим в случае аварийной ситуации не на самой газовой скважине, а на участке газопровода.

Известен способ поджига открытого фонтанирования газовой скважины с помощью сигнальных ракетниц [2]. Из ракетницы производится выстрел в зону фонтана, где сигнальная ракета воспламеняет природный газ.

Недостатком данного способа является большой расход боеприпасов и длительное время всей операции, а также опасность, связанная с применением и хранением горючих и взрывчатых веществ. Сигнальная ракета должна попасть в зону фонтана с необходимым для воспламенения соотношением природного газа и окружающего воздуха, что, как правило, не удается выполнить с первого выстрела. Кроме того, для хранения и последующего применения сигнальной ракетницы, необходимо получение специального разрешения, согласно Федеральному закону Российской Федерации «Об оружии» (150-Ф3) 2020.

Известен способ поджига открытого фонтанирования газовой скважины с помощью средства дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов и патрона метательного устройства средства дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов для поджига аварийных выбросов вредных газообразных и горючих веществ на предприятиях нефтехимии и переработки нефти и газа, которое может быть использовано также для поджига выбросов газа и нефти при авариях на скважинах и трубопроводах их месторождений, в том числе для поджигания на этих объектах технологических сбросов [3].

Недостатком способа является опасность, связанная с применением и хранением взрывчатых веществ, большой разброс времен поджига и большой расход боеприпасов из- за невозможности в аварийной обстановке точно определить оптимальное место для прицеливания. Так же, как и в [2], необходимо получение специального разрешения, согласно Федеральному закону Российской Федерации «Об оружии» (150-Ф3) 2020.

Техническим результатом данного изобретения является уменьшение времени аварийного поджига природного газа при увеличении безопасности проведения аварийных работ.

Технический результат достигается способом дистанционного лазерного поджига открытого фонтанирования газовой скважины, при котором поджиг открытого фонтанирования газовой скважины осуществляется тепловым воздействием лазерного излучения на частицы песка, находящиеся в газовом фонтане, интенсивность лазерного излучения задается в диапазоне (1.5÷2)×10⁴ Вт/см², при этом в процессе поджига открытого фонтанирования газовой скважины в автоматическом режиме производится перемещение лазерного луча со скоростью 1 м/с по оси превентора в направлении истечения газа от области среза газового превентора с изменением угла места а в пределах 0÷45°, причем после каждого отрезка движения 1 м следует пауза в движении 18÷20 с. Настоящий способ отличается дистанционным (более 100 метров) лазерным поджигом (воспламенением) открытого газового фонтана. В литературе описаны четыре механизма инициации горения газовой смеси лазерным излучением. Первый - тепловой механизм. Энергия излучения, поглощенная смесью, идет на увеличение температуры смеси. По достижении определенного значения температуры смесь воспламеняется [4-9]. Второй механизм - фотодиссоциация. Поглощение излучения средой приводит к диссоциации какого-либо сорта молекул, что инициирует воспламенение [5, 6]. Третий механизм - лазерная искра, т.е. условия, при которых интенсивности излучения достаточно для возникновения оптического пробоя среды [9]. Четвертый механизм - возбуждение колебательных степеней свободы молекул. В этом случае частью энергии лазерного излучения возбуждаются колебательные степени свободы молекулы, что способствует снижению порога реакции окисления [4]. Следует также отметить, что во всех описанных в литературе механизмах инициации горения газовой смеси лазерным излучением применяется СО₂-лазер (длина волны 10.6 мкм). Предлагаемый способ основан на принципиально ином механизме воспламенения газовой смеси с помощью лазерного излучения.

На любом месторождении природный газ содержит т.н. механические примеси, в числе которых всегда присутствует песок. Принцип предлагаемого способа состоит в дистанционном лазерном воздействии на частицы песка, находящиеся в газовом фонтане.

На Фиг. 1 представлена схема одного из возможных вариантов реализации способа.

На Фиг. 2 - кинограмма развития воспламенения газового фонтана.

Фокусирующая система 1 иттербиевого (Yb) волоконного (длина волны 1.07 мкм) лазера фокусирует луч 2 в потоке открытого фонтана 4, истекающего из поврежденного газового превентора 3. Проходя сквозь открытый фонтан, лазерный луч взаимодействует с частицами песка 5. Быстрый разогрев этих частиц в поле лазерного излучения приводит к их тепловому взрыву 6. Однако не каждая разорвавшаяся частица песка в состоянии воспламенить газ. В месте теплового взрыва частицы должно быть соответствующее условию воспламенения соотношение газа и воздуха, а сама частица песка должна обладать достаточной тепловой энергией. Поэтому, для осуществления воспламенения газового фонтана производится лучевое сканирование по оси 7 превентора 3 (перемещение лазерного луча) в автоматическом режиме от области среза газового превентора в направлении истечения газа, к области с необходимым для воспламенения соотношением природного газа и окислителя (воздуха), где и происходит поджиг. При сканировании в автоматическом режиме с интервалом 1 м перемещение луча останавливается с выдерживанием паузы 18÷20 с, после которой перемещение возобновляется. Высота, на которой происходит воспламенение газа, зависит от выходного давления на конкретной газовой скважине. Поэтому изменение угла места а при перемещении лазерного луча со скоростью 1 м/с по оси 7 превентора 3 в направлении истечения газа от области среза газового превентора производится в пределах 0÷45°. При выходной мощности непрерывного Yb лазера 1 кВт и фокусировке излучения в пятно диаметром 2.5÷3 мм среднее по радиальному распределению значение интенсивности в пучке составляет (1.5÷2)×10⁴ Вт/см². На Фиг. 2, а) видны разогреваемые в поле лазерного излучения и разрывающиеся частицы песка вдоль трассы лазерного луча. На Фиг. 2, б) - е) виден процесс развития воспламенения газа.

Описанный способ на базе специализированного мобильного лазерного комплекса с выходной мощностью 1 кВт гарантирует безопасное, дистанционное, оперативное решение задачи поджига открытого газового фонтана.

Источники использованной информации

1. Чернов А.В. и др. Добывающая скважина месторождения углеводородов. Патент РФ №119796 // Изобретения полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2012. - №24.

2. Правила безопасности при эксплуатации конденсатопроводов и магистральных трубопроводов для сжиженных газов. Министерство газовой промышленности. М., 1978 г., с. 87-89

3. Абрамов Ю.Б. и др. Средство дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов и патрон метательного устройства средства дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов. Патент РФ №2317508 // Изобретения полезные модели. Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2008. - №5.

4. Старик A.M., Титова Н.С. О возможности интенсификации цепных реакций в горючих смесях при возбуждении электронных состояний молекул О₂ лазерным излучением // Докл. АН РАН. - 2003. - Т.391, №4. - С. 471-477.

5. Tanoff М.А., Smooke M.D., Teets R.E., Sell J.A. Computational and experimental studies of laser-induced thermal ignition in premixed ethylene-oxidizer mixtures // Combust. Flame. - 1995. - V. 103, №4. - P. 253-280.

6. Trott W.M. CO₂-laser-induced deflagration of fuel/oxygen mixture // J. Appl. Phys. - 1983. - V. 54, №1. - P. 118-130.

7. Молин Ю.Н., Панов B.T., Петров A.K. Инфракрасная фотохимия. - Новосибирск: Наука, 1985.

8. Chou М., Zukowsci T.J. Ignition of H₂/O₂/NH₃, H₂/air/NH₃ and CH₄/O₂/NH₃ mixtures by eximer-laser photolysis of NH₃ // Combust. Flame. - 1991. - V.87, №2. - P.191-202.

9. Phouc T.X., White F.P. Laser-induced spark ignition of CH₄/air mixtures // Combust. Flame. - 1999. - V. 119, №3. - P. 203-216.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам дистанционного воспламенения потока природного газа (открытого газового фонтана) в условиях аварии на газовых месторождениях. Технический результат заключается в уменьшении времени аварийного поджига природного газа при увеличении безопасности проведения аварийных работ. Способ дистанционного лазерного поджига открытого фонтанирования газовой скважины заключается в том, что поджиг открытого фонтанирования газовой скважины осуществляется тепловым воздействием лазерного излучения на частицы песка, находящиеся в газовом фонтане. Интенсивность лазерного излучения задается в диапазоне (1.5÷2)×10⁴ Вт/см². В процессе поджига открытого фонтанирования газовой скважины в автоматическом режиме производится перемещение лазерного луча со скоростью 1 м/с по оси превентора в направлении истечения газа от области среза газового превентора с изменением угла места α в пределах 0÷45°. После каждого отрезка движения 1 м следует пауза в движении 18÷20 с. 2 ил.

Способ дистанционного лазерного поджига открытого фонтанирования газовой скважины, отличающийся тем, что поджиг открытого фонтанирования газовой скважины осуществляется тепловым воздействием лазерного излучения, например иттербиевого (Yb) волоконного с длиной волны 1,07 мкм лазера, на частицы песка, находящиеся в газовом фонтане, интенсивность лазерного излучения задается в диапазоне (1.5÷2)×10⁴ Вт/см², при этом в процессе поджига открытого фонтанирования газовой скважины в автоматическом режиме производится перемещение лазерного луча со скоростью 1 м/с по оси превентора в направлении истечения газа от области среза газового превентора с изменением угла места α в пределах 0÷45°, причем после каждого отрезка движения 1 м следует пауза в движении 18÷20 с.