Mikä on öljynporaus? Syyt, seuraukset ja ehkäisy selitetty

A puhallus öljynporauksessa on raakaöljyn, maakaasun tai muiden säiliönesteiden hallitsematon vapautuminen kaivosta pintaan – tapahtuu, kun porausreiän paine ylittää porausreiän ohjausjärjestelmän kyvyn hillitä se. Se on vaarallisin ja kallein öljyteollisuuden kaivonhallintavika, joka voi aiheuttaa välittömiä ihmishenkien menetyksiä, katastrofaalista tulipaloa, pitkäaikaista ympäristön saastumista ja miljardeissa dollareissa mitattuja taloudellisia menetyksiä.

Termi "puhallus" kuvaa tiettyä vikatilaa: ei vain vuotoa tai läikkymistä, vaan pinnanalaisten nesteiden äkillistä, voimakasta ja hallitsematonta purkamista muodostumispaineen ohjaamana. Toimivassa kaivossa porausnesteen (muta) paino kaivossa tasapainottaa öljyn ja kaasun luonnollista painetta alla olevassa kalliomuodostelmassa. Kun tasapaino epäonnistuu – joko inhimillisen erehdyksen, laitteiston toimintahäiriön tai odottamattomien geologisten olosuhteiden vuoksi – muodostuspaine voittaa ja tapahtuu räjähdys.

Kansainvälisen porausurakoitsijoiden liiton (IADC) mukaan maailman öljy- ja kaasuteollisuus kirjasi keskimäärin 20–40 merkittävää kaivonvalvontatapahtumaa vuodessa vuotta 2020 edeltävän vuosikymmenen aikana, ja täydet räjähdykset edustavat näiden tapahtumien vakavinta osajoukkoa. Vaikka suuret räjähdykset ovat tilastollisesti harvinaisia ​​verrattuna maailmanlaajuisesti vuosittain porattavien kaivojen kokonaismäärään – Yhdysvaltain energiatietohallinnon mukaan noin 60 000 uutta kaivoa vuodessa – niiden seuraukset tapahtuessa ovat suhteettoman vakavia.

Tämä artikkeli selittää, mitä a puhallus öljyssä on mekaanisella ja geologisella tasolla, mikä aiheuttaa ne, miten teollisuus toimii niiden ehkäisemiseksi ja mitä tapahtuu, kun ennaltaehkäisy epäonnistuu – havainnollistetaan erityisillä historiallisilla esimerkeillä, jotka muovasivat nykyaikaista kaivonhallintakäytäntöä.

Kuinka öljynporaus tapahtuu: Mekaniikka

An öljykaivon poisto on seurausta porausreiän paineepätasapainosta - erityisesti tilanteesta, jossa muodostumisen huokospaine ylittää sekä porausnestekolonnin hydrostaattisen paineen että BOP-pinon tarjoaman toissijaisen suojan.

Normaaleissa porausolosuhteissa porausreiän painetasapaino toimii seuraavasti:

• Muodostumisen huokospaine: Nesteiden (öljy, kaasu, vesi) luonnollinen paine, joka on jäänyt loukkuun säiliökiven huokosiin ja murtumiin. Syvissä offshore-kaivoissa tämä voi ylittää 20 000 PSI (naulaa neliötuumaa kohti).
• Porausmutan hydrostaattinen paine: Porausnestepylvään paino porausreiässä kohdistaa alaspäin muodostumaa painetta, mikä vastustaa huokospainetta. Poraajat säätävät mudan painoa (mitattu nauloissa per gallona, ​​ppg) ylläpitääkseen lievää ylitasapainoa – tyypillisesti 100–200 PSI muodostumispaineen yläpuolella.
• Kaivon mekaaniset esteet: Teräsvaippa, joka on sementoitu porausreikään väliajoin, tarjoaa rakenteellisen suojan, ja pinnalla oleva BOP-pino muodostaa viimeisen mekaanisen esteen hallitsematonta virtausta vastaan.

A puhallus tapahtuu, kun tämä järjestelmä epäonnistuu järjestyksessä:

1. Potku tapahtuu: Muodostumisnesteet tulevat porausreikään, koska mudan paino ei riitä hillitsemään huokospainetta. Potku ei ole vielä räjähdys - se on varoitusmerkki. Poraajat havaitsevat potkut tarkkailemalla mudan paluuta: mutakuopan tilavuuden odottamaton kasvu tarkoittaa, että muodostumisnestettä virtaa sisään.
2. Potkua ei havaita tai sitä ei levitetä ajoissa: Jos kaasun tai öljyn sisäänvirtausta ei tunnisteta nopeasti eikä kaivoa suljeta (suljeta) BOP:n avulla, kevyemmät muodostusnesteet nousevat porausreikään alentaen mutapatsaan hydrostaattista painetta entisestään niiden noustessa luoden itsevahvistavan syklin paineen alenemiseen ja lisävirtaukseen.
3. Maksutase ei sisällä kaivoa: Joko BOP ei aktivoidu, aktivoituu liian myöhään tai epäonnistuu mekaanisesti. Kun BOP epäonnistuu tai ohitetaan, muodostuspaineen ja pinnan välillä ei ole enää estettä.
4. Purkaus tapahtuu: Muodostumisnesteet saavuttavat pinnan täydellä muodostumispaineella ja työntävät porausnestettä, laitteita ja itsensä ilmakehään tai avomerellä sijaitsevissa kaivoissa mereen.

Tämän sarjan nopeus voi olla hälyttävä. Syvänmeren kaivonpotku, jota ei havaita muutamassa minuutissa, voi kärjistyä täyteen räjähdykseen alle 30 minuutissa kansainvälisen kaivonvalvontafoorumin (IWCF) kaivonhallintaharjoitustietojen mukaan.

Mikä aiheuttaa öljynpoiston?

Öljykaivon puhallukset Ne johtuvat geologisten, mekaanisten ja inhimillisten tekijöiden yhdistelmästä – ja useimmissa dokumentoiduissa suurissa räjähdyksissä tutkimuksessa havaitaan vikoja useilla tasoilla yhden syyn sijaan. IADC:n kaivonvalvontakomitean suorittama kattava analyysi purkautumistapauksista tunnisti seuraavat ensisijaiset tekijät:

Taulukko 1: Öljylähteiden räjähdysten pääasialliset syyt ja niiden esiintymistiheys vaaratilanteiden tutkimuksissa (Lähde: International Association of Drilling Contractors Well Control Committeen tiedot)

Surface vs. Underground Blowouts

Ei kaikki öljykaivon poistos päästä pintaan. An maanalainen puhallus tapahtuu, kun säiliönesteet siirtyvät korkeapainevyöhykkeeltä matalapainealueelle kotelon ja muodostuman välisen rengasmaisen tilan kautta - saavuttamatta koskaan kaivon päätä. Maanalaisia ​​räjähdyksiä voi olla vaikeampi havaita, mutta ne voivat horjuttaa porausreikää rakenteellisesti ja aiheuttaa maanalaista ympäristön saastumista.

A pintapuhallus — yleisemmin ymmärretty tyyppi — tuottaa dramaattisen kuvan öljyn, kaasun, mudan ja roskien geysiristä, joka purkautuu kaivon päästä ja syttyy usein kaivon tuleen, joka voi palaa päiviä, viikkoja tai kuukausia.

Mitkä ovat öljykaivon purkamisen seuraukset?

Seuraukset an öljyn vuoto Ne kattavat neljä toisiinsa liittyvää aluetta – ihmisten turvallisuus, ympäristövahingot, taloudelliset menetykset ja sääntelytoimet – ja suurissa onnettomuuksissa kaikki neljä ovat vakavia samanaikaisesti.

Ihmisten turvallisuus

Räjähdysten aiheuttamat kuolinsyyt ovat suurin porausoperaatioissa. Kun kaivo puhaltaa ulos ja kaasu syttyy, seurauksena oleva räjähdys ja tulipalo voivat olla välittömiä ja hengenvaarallisia välittömässä räjähdyksen säteellä oleville henkilöille. Vuoden 2010 Deepwater Horizon -katastrofi tappoi 11 työntekijää alkuperäisessä räjähdyksessä – tapahtuma, joka on edelleen tappavin offshore-porausonnettomuus Yhdysvaltain historiassa Yhdysvaltain kemikaaliturvallisuus- ja vaaratutkimuslautakunnan (CSB) mukaan. Jopa syttymättömät puhallukset muodostavat välittömän vaaran poistuneiden roskien kineettisen energian, vetysulfidi (H2S) -kaasun myrkyllisyyden ja porauslaitteiden rakenteen romahtamisen vuoksi.

Ympäristövaikutus

Öljynpurkaukset aiheuttavat teollisuushistorian suurimpia akuutteja ympäristön saastumistapahtumia. Vuoden 2010 Deepwater Horizon -puhallus julkaisi arvion 4,9 miljoonaa tynnyriä (noin 210 miljoonaa gallonaa) Yhdysvaltain virtausnopeuden teknisen ryhmän mukaan raakaöljyä Meksikonlahteen ennen kuin kaivo suljettiin 87 päivää myöhemmin. Vuoto saastutti noin 1 300 mailia Yhdysvaltain rannikkoa, tappoi arviolta miljoona merilintua ja yli 100 000 merinisäkkää ja aiheutti ekosysteemivaurioita, joita dokumentoidaan edelleen yli vuosikymmenen kuluttua (National Oceanic and Atmospheric Administration, 2020).

Maalla tapahtuvat puhallukset aiheuttavat keskittynyttä maaperän ja pohjaveden saastumista kaivopaikalle, ja öljypalon sivutuotteet - musta hiili, rikkidioksidi ja haihtuvat orgaaniset yhdisteet - aiheuttavat merkittäviä ilmanlaatuvaikutuksia ympäröivällä alueella. Vuoden 1991 Kuwaitin öljylähteen tulipalot, jotka syttyivät tarkoituksellisesta sabotaasista Persianlahden sodan aikana, julkaisi arvion 1,5 miljardia barrelia öljyekvivalenttia Yhdysvaltain geologisen tutkimuskeskuksen mukaan savussa ja palamistuotteissa, mikä luo alueellisen ilmansaastetapahtuman, joka näkyy satelliittikuvista.

Taloudelliset seuraukset

Majorin taloudelliset kustannukset öljykaivon poisto on huikea ja monikerroksinen. Suorat kustannukset sisältävät kaivon rajaamisen ja avustuskaivon porauksen, omaisuuden menetyksen, ympäristön kunnostamisen ja oikeudelliset ratkaisut. Epäsuoria kustannuksia ovat tuotantotulojen menetys, vakuutusmaksujen nousu koko toimialalla ja säännösten noudattamisesta aiheutuvat kustannukset laajemmalla sektorilla.

Deepwater Horizonin katastrofi maksoi lopulta operaattorilleen 65 miljardin dollarin velat yhteensä - mukaan lukien 20,8 miljardin dollarin arvoinen Clean Water Act -ratkaisu Yhdysvaltain oikeusministeriön kanssa vuonna 2015, mikä on Yhdysvaltain historian suurin ympäristöratkaisu. Itse laite, jonka arvo oli noin 560 miljoonaa dollaria, oli kokonaistappio. Tuotanto laajemmalta Meksikonlahdelta keskeytettiin kuukausia liittovaltion porausmoratorion käyttöönoton jälkeen.

Kuinka öljyteollisuus ehkäisee vuotoja: Kaivon ohjausjärjestelmät

Puhalluksen esto nykyaikaisessa porauksessa nojautuu kerrostettuun estejärjestelmään – filosofiaan, jonka mukaan mikään yksittäinen vikakohta ei saa aiheuttaa räjähdystä, jos kaikki muut järjestelmän elementit toimivat oikein.

The Blowout Preventer (BOP): Ensisijainen mekaaninen este

The puhallus preventer on suuri, korkeapaineventtiilikokoonpano, joka on asennettu kaivon yläosaan — pintaan maakaivoissa ja merenpohjassa syvänmeren offshore-kaivoissa. BOP-pino sisältää tyypillisesti useita itsenäisesti toimivia komponentteja:

• Rengasmainen esto: Kumitiiviste, joka voi tiivistää minkä tahansa muotoisen putken ympärille – tai tiivistää avoimen reiän kokonaan – puristamalla hydraulisesti sisäänpäin. Se on ensireaktion sulkemislaite, joka pystyy sulkemaan lähes minkä tahansa porausreiän kokoonpanon.
• Putkipainat: Teräsmännät, jotka sulkeutuvat poranauhan ympärille ja tiivistävät putken ja porausreiän seinämän välisen rengasmaisen tilan. Putkilevyt sovitetaan käytettävän putken halkaisijan mukaan.
• Blind/leikkauspainat: Viimeisimmän keinon mekaaninen este – karkaistu terästerät, jotka sulkeutuvat kokonaan porausreiän poikki, leikkaavat tarvittaessa poralangan ja tiivistävät kaivon. Nykyaikaisten syvänmeren leikkaussylinterien on kyettävä leikkaamaan työkalujen liitokset ja muut laitteistot, vaatimukset vahvistuivat merkittävästi Deepwater Horizon -tutkimuksen jälkeen.

Nykyaikaiset syvänmeren BOP-pinot voivat painaa yli 400 tonnia ja se on yli 15 metriä korkea ja sisältää jopa kuusi yksittäistä sulkuelementtiä. Ne on mitoitettu vastaamaan suurinta odotettua kaivonpainetta – Meksikonlahden syvänmeren toiminnoissa BOP:t ovat tyypillisesti mitoitettuja 15 000 PSI tai enemmän (Turvallisuus- ja ympäristövirasto, 2016).

Mudan painonhallinta: ensisijainen nesteeste

Oikea porausnesteen (muta) painonhallinta on ensimmäinen puolustuslinja potkua vastaan – potkun estäminen on paljon tehokkaampaa ja halvempaa kuin kaivon sulkeminen sen jälkeen.

Mutainsinöörit tarkkailevat ja säätävät jatkuvasti porausnesteen tiheyttä, mitattuna paunassa gallonaa kohden (ppg). Tyypillinen porauslietteen paino vaihtelee 8,5 ppg (makean veden perusviiva) - 18 ppg tai enemmän korkeapainemuodostelmissa. Oikean mutapainon ylläpitäminen vaatii tarkan huokospaineen ennusteen porausta edeltävästä seismisestä analyysistä, offset-kaivotiedoista ja reaaliaikaisista mittauksista porauksen aikana (MWD/LWD — Measurement/Logging While Drilling -työkalut).

Liian kevyt muta aiheuttaa potkun; liian raskas muta voi murtaa muodostuman (menetetty verenkierto) – myös vakava kaivon hallintaongelma, joka voi epäsuorasti johtaa puhallukseen alentamalla tehollista mutapatsaan korkeutta.

Kaivon kotelointi ja sementointi: rakenteellinen este

Teräsvaippanauhat ajetaan porausreikään väliajoin ja sementoidaan paikoilleen, jolloin muodostuu sarja samankeskisiä teräs- ja sementtisylintereitä, jotka eristävät kaivon ympäröivästä muodostelmasta ja toisistaan. Oikein suunniteltu ja toteutettu kotelointiohjelma varmistaa, että vaikka ensisijainen nestesulku (muta) epäonnistuisi, rakenteelliset esteet tarjoavat redundanssia. Sementointityön laatu varmistetaan sementtisidostukilla – akustisilla mittauksilla, jotka vahvistavat, onko sementti sitoutunut tehokkaasti sekä koteloon että muodostukseen. Huono sementin sidos – kuten havaittiin Deepwater Horizon -kaivon tapahtuman jälkeisessä analyysissä, jonka BP Deepwater Horizon -öljyvuotoa koskeva kansallinen komissio on suorittanut – luo kaasulle kulkeutumisreitin kotelon taakse, joka ohittaa BOP:n kokonaan.

Onshore vs. Offshore öljypurkaus: tärkeimmät erot

Vaikka taustalla oleva mekaniikka an öljyn vuoto ovat samat maalla ja merellä, toiminnallinen konteksti, seuraukset ja reagointivaihtoehdot vaihtelevat merkittävästi maalla ja offshore-ympäristöissä.

Taulukko 2: Maan ja offshore-öljyporapurkausten vertailu keskeisten toiminta-, ympäristö- ja reagointitekijöiden mukaan

Kuinka öljykaivosta poistuminen pysäytetään?

Aktiivisen öljykaivon puhalluksen pysäyttäminen on yksi teollisuusmaailman teknisesti vaativimmista pelastustoimista – ei ole olemassa yhtä universaalia menetelmää, ja lähestymistapa riippuu kaivon palamisesta, puhalluksen syvyydestä ja tyypistä sekä kaivon mekaanisesta kunnosta.

• Dynaaminen tappo (bullheading): Raskaan porauslietteen tai sementin pumppaus alas porausreiästä korkealla paineella muodostumispaineen voittamiseksi ja virtauksen pysäyttämiseksi. Tämä on nopein tapa, kun kaivon pää on saavutettavissa ja porausreikä on ehjä. Tehokkuus riippuu riittävästä pumpun paineesta, joka ylittää muodostumispaineen tulokohdassa.
• Pinon rajoitus: Erikoistunut BOP-kokoonpano, joka voidaan asentaa vaurioituneen tai tuhoutuneen kaivonpään päälle kaivon mekaanisen sulkemisen palauttamiseksi. Sulkupinot tulivat näkyvästi Deepwater Horizon -reaktion jälkeen - kaivoon 15. heinäkuuta 2010 asennettu sulkupino pysäytti virtauksen 87 päivän jälkeen, vaikka kaivo tapettiin pysyvästi vasta kun helpotuskaivot saatiin valmiiksi.
• Kaivon poraus: Porataan uusi, poikittainen porausreikä läheisestä paikasta leikkaamaan puhalluskaivon syvyydessä, minkä jälkeen pumpataan tappavaa nestettä muodostukseen tasaamaan pysyvästi säiliön paine. Kaivon poraus on lopullinen menetelmä kaivoille, joita ei voida tappaa ylhäältä - mutta joiden valmistuminen kestää viikoista kuukausiin. Deepwater Horizon -porauskaivot porattiin samanaikaisesti, ja ensimmäinen risteys saavutettiin 17. syyskuuta 2010, 152 päivää puhalluksen alkamisen jälkeen.
• Palon sammutus ja poltto: Sytytetyissä räjähdyksissä palon hallinta – sen sijaan, että se sammuttaisi sen välittömästi – on usein ensisijainen aloitusstrategia, koska palava kaivo ei levitä nestemäistä öljyä ympäristöön. Erikoiskaivovalvontaryhmät käyttävät suuria vesisuihkuja ja joskus räjähteitä liekin sammuttamiseen, minkä jälkeen kaivo voidaan sulkea.

Kuinka suuret puhallukset muuttivat öljynporausmääräyksiä

Jokainen merkittävä öljykaivon poisto on tuottanut sääntelyn muutoksia – usein myöhässä olevia uudistuksia, joita teollisuus vastusti, kunnes katastrofi teki niistä poliittisesti ja oikeudellisesti väistämättömiä.

Taulukko 3: Tärkeimmät öljynpoistotapahtumat ja niiden pysyvä sääntelyvaikutus maailmanlaajuiseen öljyteollisuuteen

Usein kysyttyjä kysymyksiä öljynpoistosta

A puhallus öljyssä drilling edustaa geologisten voimien, mekaanisten järjestelmien ja ihmisen päätöksenteon lähentymistä paineen alaisena - ja kun jokin tämän järjestelmän elementti epäonnistuu väärällä hetkellä, seuraukset ulottuvat paljon itse porausreiän ulkopuolelle. Nykyaikainen öljyteollisuus on edistynyt valtavasti räjähdysten ehkäisyssä paremman tekniikan, tiukemman koulutuksen ja tiukemman sääntelyn ansiosta. Mutta niin kauan kuin kaivoja porataan korkeapaineisiin säiliöihin, räjähdyksen mahdollisuutta ei voida täysin eliminoida – vain hallitaan, valvotaan ja lievennetään jatkuvalla valppaudella ja kerroksellisella suojauksella.

Ymmärtää mitä öljyn vuoto on se, miten se tapahtuu ja mitä se maksaa, ei ole välttämätöntä vain porausinsinööreille ja kaivonvalvontaasiantuntijoille, vaan kaikille, jotka haluavat ymmärtää todelliset riskit ja vastuut, jotka liittyvät öljyn ja kaasun talteenottoon maasta.