В последнее время при разработке малодебитных месторождений, а также на первом этапе освоения месторождений с большими извлекаемыми запасами используются плавучие установки. Как показал опыт, на Каспийском море плавучие буровые установки способны проходить в год до 15 тыс. м скважин со скоростью 1200-1600 м в месяц.
Для выполнения разведочного и эксплуатационного бурения при глубине моря до 100 м используют самоподъемные плавучие буровые установки (ПБУ). При большей глубине – полупогружные буровые установки и буровые суда. В настоящее время в эксплуатации находятся более 100 самоподъемных ПБУ и примерно по 50 полупогружных ПБУ и буровых судов. Для обеспечения этими установками нефтедобывающих компаний создана целая отрасль кораблестроения.
СТАЦИОНАРНЫЕ ПЛАТФОРМЫ
В настоящее время во всем мире насчитываются тысячи морских стационарных платформ (МСП), построенных на глубинах от 10 до 300 м, на шельфах всех пяти континентов нашей планеты, в основном на незамерзающих акваториях. В последние годы развернулось проектирование и опытное строительство МСП для замерзающих акваторий шельфа.
Наиболее эффективно использование МСП при кустовом методе освоения глубоководных месторождений нефти и газа. Стоимость МСП с оборудованием при освоении нефтегазовых месторождений может составить до 45-50% от полной стоимости обустройства месторождения, а срок службы таких сооружений достигает 20-50 лет и более.
МСП должны удовлетворять жестким требованиям надежности конструкций и безопасности персонала в течение всего периода эксплуатации с учетом наиболее суровых внешних воздействий. Их прочность и устойчивость в условиях незамерзающих акваторий определяется в основном воздействием штормовых волн на опорные части МСП, а в условиях замерзающих акваторий – нагрузками от ледовых полей.
Приведем некоторые цифры. За время существования СССР за 40 лет на нефтяных и газовых месторождениях Каспийского моря построено более 400 км сооружений эстакадного типа, около 1500 морских стационарных платформ, десятки самоподъемных и полупогружных плавучих буровых установок, проложены подводные нефтегазопроводы, сооружено много объектов обустройства нефтегазопромыслов.
Площадь нефтегазоносных полей в России составляет около 6 млн. кв. км. Кроме Каспийского моря перспективными по добыче нефти и газа являются Черное, Азовское, Балтийское и Аральское моря, а также моря Дальнего Востока. Активно разрабатываются месторождения шельфа Северного Ледовитого Океана.
Несмотря на большие материальные затраты, связанные с разработкой нефтегазовых месторождений, себестоимость нефти, добываемой из морских месторождений, почти в 2 раза ниже по сравнению со средней себестоимостью нефти, добываемой на суше Азербайджана.
Строительство и эксплуатация морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений отличаются от строительства и эксплуатации морских и речных портовых и других видов гидротехнических сооружений. Места строительства морских нефтегазопромыслов связаны с наличием нефтегазовых залежей под дном моря, находящихся часто в сотнях км от берега в необжитых районах с крайне суровыми гидрометеорологическими условиями.
Классификация морских стационарных платформ
Морская стационарная платформа (МСП) – это гидротехническое сооружение, предназначенное для установки на ней бурового, нефтепромыслового и вспомогательного оборудования, обеспечивающего бурение скважин, добычу нефти и газа, их подготовку, а также оборудования и систем для производства других работ, связанных с разработкой морских нефтяных и газовых месторождений (оборудование для закачки воды в пласт, капитального ремонта скважин, средства автоматизации морского промысла, оборудование и средства автоматизации по транспорту нефти, средства связи с береговыми объектами и т. п.).
При разработке морских месторождений в основном два главных фактора определяют направление работ в области проектирования и строительства гидротехнических объектов в море. Такими факторами являются ограничения, накладываемые условиями окружающей среды, и высокая стоимость морских операций. Эти факторы в основном обусловливают все решения в проектировании и конструировании МСП, выборе оборудования, способов строительства и организации работ в данной акватории моря. Таким образом, МСП являются индивидуальными конструкциями, предназначенными для конкретного района работ.
В последние годы, в связи с широким разворотом работ по освоению морских нефтяных месторождений в различных районах Мирового океана, предложен и осуществлен ряд новых типов и конструкций МСП. Эти типы и конструкции МСП различают по следующим признакам: способу опирания и крепления к морскому дну; типу конструкции; по материалу и другим признакам.
По способу опирания и крепления к морскому дну МСП бывают: свайные, гравитационные, свайно-гравитационные, маятниковые и натяжные, а также плавающего типа,
– по типу конструкции: сквозные, сплошные и комбинированные,
– по материалу конструкции – металлические, железобетонные и комбинированные.
Сквозные конструкции выполняются решетчатыми. Элементы решетки занимают относительно небольшую площадь по сравнению с площадью граней пространственной фермы. Сплошные конструкции (например, бетонные) непроницаемы по всей площади внешнего контура сооружения.
На рис. 1.12 приведена классификация глубоководных МСП.
Рис.1.12. Классификация глубоководных МСП
На первом уровне классификации проведено деление МП на жесткие и упругие. Такое деление отражает конструкцию платформы (размеры, конфигурацию) и указывает период собственных колебаний, который у жестких составляет 4—6 с и упругих превышает 20 с, а в отдельных случаях достигает 138 с.
На втором уровне классификации жесткие конструкции классифицированы по способу обеспечения их устойчивости под воздействием внешних нагрузок на гравитационные, свайные и гравитационно-свайные. В первом случае сооружение не сдвигается относительно морского дна благодаря собственной массе и во втором – оно не смещается из-за крепления его сваями. Гравитационно-свайные сооружения не сдвигаются благодаря собственной массе и системе свай.
Третий уровень классификации жестких МП характеризует материал конструкции: бетон, сталь или бетон-сталь.
Упругие конструкции на втором уровне по способу крепления разделены на башни с оттяжками, плавучие башни и гибкие башни (рис.1.13.).
Рис. 1.13. Схемы МСП, применяемые на Каспийском море:
а – четырехблочная МСП; 1 – опорный блок; 2 -верхнее строение; 3— подвышенные конструкции; 4 – буровая вышка; 5 – причально-посадочное устройство; 6 – водоотделяющая колонна (обсадная); 7 – свайный фундамент;
б" – двухблочная МСП; 1— опорный блок; 2 – верхнее строение; 3 – причально-посадочное устройство; 4 – буровая вышка; 5 – водоотделяющая колонна; 6 – свайный фундамент;
в – моноблочная МП; 1 – опорный блок; 2 – верхнее строение, модули; 3 – буровая вышка; 4 – водоотделяющая колонна; 5 – свайный фундамент; 6 – причально-посадочное устройство.
Башни с оттяжками сохраняют свою устойчивость системой оттяжек, понтонов плавучести и противовесов. Плавучие башни подобны качающемуся маятнику, они возвращаются в состояние равновесия с помощью понтонов плавучести, расположенных в верхней части конструкции. Гибкие башни отклоняются от вертикали под действием волн, но при этом они, подобно сжатой пружине, стремятся возвратиться в состояние равновесия.
На последнем уровне классификации имеется 10 групп конструкций, каждая из которых обозначается начальными буквами слов английского языка, например RGS – риджит гревити стил (жесткая гравитационная стальная), RGC (жесткая гравитационная бетонная) и т. д.
Из проанализированных конструкций, установленных в настоящее время в мире, глубоководных МСП (более 40 установок, глубина моря более 300 м) 76% составляют жесткие, в том числе 45% стальные ферменные со свайным креплением, 26% гравитационные и 5% гравитационно-свайные. Среди упругих МП 13% составляют плавучие башни, 8% башни с оттяжками и 3% гибкие башни.
Увеличивается доля проектов стальных опор в зависимости от глубины моря. При глубинах моря 305— 365 м стальные опоры составляют 13%, а при глубинах от 365 до 520 м – 50%. Из выполненных проектов 79% имеют стальные опоры, 15% – бетонные и 6% – сталь-бетон.
Наибольшее число проектов (57%) разработано для вод глубиной 305—365 м, 30% —для глубин 365—460 м и 13% – на глубины больше 460 м.
В практике бурения скважин с плавучих буровых средств (БС, ППБУ) широко применяют комплексы подводного устьевого оборудования (ПУО), устанавливаемые на морском дне. Такое расположение позволяет наибольшие смещения плавсредства от центра скважины, при этом установленное на морском дне оборудование меньше подвержено механическим повреждениям.
Комплекс ПУО предназначен:
– для обеспечения при бурении скважины гибкой замкнутой технологической связи между перемещающимся от воздействия волн и течений БС или ППБУ и неподвижным подводным устьем, установленным на морском дне;
– для направления в скважину бурильного инструмента, обеспечения замкнутой циркуляции бурового раствора, управления скважиной при бурении и др.;
– для надежного закрытия бурящейся скважины в целях предупреждения возможного выброса из скважины при аварийных ситуациях или при отсоединении буровой установки в случае больших волнений моря.
Существует несколько конструкции ПУО, обеспечивающих бурение скважин на разных глубинах моря – от 50 до 1800 м и более.
Большая глубина установки ПУО предъявляет высокие требования к его свойствам:
– оборудование должно быть прочным, вибростойким, способным выдерживать большие внешние давления,
– быть герметичным и надежно управляемым на расстоянии.
Конструкция узлов комплекса должна обеспечивать точность стыковки и обеспечивать нормальную работу и управление ПУО.
Особое внимание уделяют расположению механизмов связи – надежным устройствам, установленным на БС или ППБУ, которые подвергаются действию волн, течения и ветра.
Недостатки размещения ПУО на дне моря – сложность управления, эксплуатации и ремонта.
Многолетний опыт бурения с плавучих буровых средств определил в основном две типовые конструкции скважин с подводным устьем.
В первой конструкции (для глубин скважин примерно 5000-6500 м) применяют фундаментальную колонну (направление) диаметром 762 мм, кондуктор диаметром 508 мм, первую промежуточную колонну диаметром 340 мм, вторую промежуточную колонну диаметром 178 мм. Диаметр эксплуатационной колонны обеспечивает спуск и установку двухколонных насосно-компрессорных труб (НКТ) для одновременно–раздельной эксплуатации пластов. Благодаря такому сочетанию диаметров с большими зазорами между колоннами обеспечивается надежное крепление скважин.
Вторую конструкцию преимущественно применяют в условиях бурения на меньшие глубины при более простой конструкции скважин. В этой конструкции используют фундаментальную колонну диаметром 762 мм, кондуктор диаметром 406 мм, промежуточную колонну диаметром 273 мм, эксплуатационную колонну диаметром 178 мм.
В практике буровых работ на море с БС и ППБУ применяют одно – или двухблочную конструкцию ПУО.
Некоторые одноблочные конструкции преимущественно используют на больших глубинах вод, в несложных двух – и трехколонных конструкциях скважин и на небольших глубинах бурения.
Двухблочные конструкции применяют преимущественно на небольших глубинах вод, в сложных четырех – и пятиколонных конструкциях скважин и на больших глубинах бурения.
Пример одноблочной конструкции показан на рис. 1.14.
Рис. 1.14. Одноблочный подводный устьевой комплекс.
1 – пульт бурильщика; 2 – пульт управления штуцерным манифольдом; 3 -аккумуляторная установка; 4 – гидравлическая силовая установка; 5 – дистанционный пульт управления; 6 – шланговые барабаны; 7 – гидравлический спайдер; 8 – верхнее соединение морского стояка; 9 – телескопический компенсатор; 10 – соединение; 11 – угловой компенсатор; 12 – нижний узел морского стояка; 13 – направляющие; 14 – подводные задвижки; 15 – цанговая муфта; 16 – опорная плита; 17- акустический датчик; 18 – плашечные превенторы; 19 – штуцерный манифольд; 20 – морской стояк.
Преимущества одноблочной конструкции ПУО – сокращение времени на установку и монтаж комплекса. Так, установленный одноблочный комплекс ПУО используется в течение всего времени бурения скважины.
МСП свайного и крупноблочного типов
Основания из металлоконструкций свайного и крупноблочного типов в отечественной практике использовались очень широко. Эти конструкции установлены в районе Баку.
Основания свайного типа применяют при глубине воды до 10 м и при резких изменениях рельефа дна. Под сваи в дне моря со специального судна бурят скважины. В каждую такую скважину спускают сваю-трубу и цементируют ее. Затем трубы обрезают так, чтобы их концы были над водой на одинаковом уровне. Концы труб связывают плоскими металлическими фермами, а на них настилают пол, устанавливают вышку и буровое оборудование. Высота свай над уровнем воды должна превышать высоту самых больших волн.
На Каспии в 40 км от берега было открыто месторождение Нефтяные Камни, при глубине воды до 18–22 м. В 1949 г. на нем пробурили первую в СССР морскую скважину. Потом построили на крупноблочных основаниях целый город, отдельные сооружения которого соединены дорогами-эстакадами на сваях. Общая длина эстакад на Нефтяных Камнях составляет теперь сотни километров. На рис.1.15. показан принцип возведения морских сооружений на крупноблочных основаниях.
а)
б)
Рис.1.15. Схема буровой установки на море при крупноблочных основаниях:
а) схема установки
1 – опорные блоки; 2 – фермы-секции; 3 – пешеходный мост; 4 – бытовые помещения
б) общий вид установки
Опорные блоки представляют собой пространственные конструкции из телескопических опорных стоек с башмаками, связанные фермами, тягами и распорками. Их устанавливают на дно моря крановым судном. После установки блоков с помощью специального бурового агрегата в каждую стойку спускают бурильную колонну с долотом и в дне моря забуривают скважину. Затем на канате во все стойки спускают в скважины патрубки. Пространство между патрубками и стойками заливают цементным раствором для надежной связи блоков с донным грунтом. Образуемые таким путем буровые основания связывают эстакадами, основания под которые сооружаются аналогично описанному методу.
Буровое оборудование размещают на приэстакадных буровых площадках так же, как и на суше, но более компактно. Для укрытия оборудования и защиты буровиков от дождя, снега и ветра строят помещение, примыкающее к вышке. Для отдыха персонала на некотором удалении от буровой вышки строят специальное помещение.
Строительство свайных, крупноблочных оснований и протяженных эстакад возможно только на мелководье, при глубине моря до 20–40 м. Подобные сооружения, кроме Каспия, имеются также на оз. Маракаибо в Венесуэле, в Персидском заливе, вблизи побережья США.