Основы Горного Производства. Калиниченко О. И., Зыбинский П. В., Хохуля А. В. Основы горного производства
 Скачать 18.24 Mb.
|
|
3.4. Особенности освоения морских углеводородных месторожде- ний. Основные узлы бурового оборудования и технология проходки мор- ских нефтяных и газовых скважин в основном не отличаются от бурения скважин на суше, однако имеют некоторые особенности, обусловленные наличием толщи воды между устьем и буровой установкой. Прежде всего, для монтажа и размещения буровой установки нужны плавучие или стацио- нарные сооружения с рабочими площадями, размеры которых объективно предполагают необходимость компактного размещения на них оборудова- ния буровой установки. При работах с плавучих сооружений для компенсации вертикальных перемещений бурильной колонны между талевым блоком и крюком монти- руется специальное устройство — компенсатор вертикальных перемеще- ний. Противовыбросовое подводное оборудование устанавливается на морское дно и связано с устьем скважины с помощью водоотделяющей колонны с компенсаторами вертикальных и горизонтальных перемеще- ний. Условия эксплуатации технологического оборудования буровой ус- тановки требуют жесткого соблюдения общесудовых правил и экологиче- ских требований при работах в морских открытых акваториях. Последнее требование обусловливает применение закрытой и замкнутой циркуляцион- ной системы промывки скважины, очистки и приготовления бурового рас- 229 твора. Имеется также так же целый ряд дополнительных технических и тех- нологических ограничений, продиктованных требованиями безопасного ве- дения работ на море. В конечном итоге, специфика и сложные в техниче- ском отношении операции бурения в морских условиях определяют повы- шенные затраты и стоимость освоения морских месторождений по сравне- нию с аналогичными работами на суше. При этом, стоимость разработки месторождений с увеличением глубин моря резко возрастает. Так, на глуби- не 30 м стоимость разработки в 3 раза выше, чем на суше, на глубине 60 м — в 6 раз и на глубине 300 м — в 12 раз. В мировой практике, производство морских буровых работ обеспечи- вается с помощью плавучих буровых средств (ПБС), которые в зависимости от способа их установки над скважиной в процессе бурения, разделяются на две основные группы. К первой группе относятся ПБС опирающиеся при бурении на морское дно (самоподъемные плавучие буровые установки). Ко второй группе – безопорные ПБС, производящие бурение в плавучем со- стоянии - полупогружные буровые установки и буровые суда. Самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ) применяют преимущественно в разведочном бурении на морских нефтяных и газовых месторождениях в акваториях с глубинами вод 30—120 м. Эти установки состоят из понтона, служащего корпусом установки, и трех и более вы- движных опорных колонн, установленных по углам корпуса (рис. 3.51). Большой запас плавучести платформ позволяет размещать на них техноло- гическое, энергетическое и вспомогательное оборудование, запасы мате- риалов, топливо, питьевую и технологическую воду, инструмент, жилые и служебные помещения, склады, вертолетную площадку и др. В точке зало- жения скважины, опоры опускаются на дно и задавливаются в грунт. При этом корпус с буровым оборудованием поднимается по этим опорам на та- кую высоту над уровнем моря, чтобы во время шторма волна не доставала платформы (обычно 9…15 м). Подъем платформы над поверхностью моря и ее опускание осуществляют, в основном, механическими устройствами подъема, состоящими из зубчатой рейки, встроенной в конструкцию опор и установленного на корпусе шестеренчатого механизма, шестерня которого находится постоянно в зацеплении с рейкой. Привод механизма подъема осуществляется от электродвигателя с редуктором, а также при помощи домкратов или тросовых оснасток лебедок, установленных непосредственно на платформе. Поэтому основания на выдвижных опорах часто называют самоподнимающимися. По окончании бурения платформу опускают на воду, опоры извлека- ют из грунта. В заданный пункт СПБУ с инструментом и материалами бук- сируется на плаву, при этом опоры подняты и возвышаются над понтоном. Полупогружные плавучие буровые установки (ППБУ) применяют в разведочном бурении на морских нефтяных и газовых структурах и место- 230 рождениях при глубинах моря до 600 м, где неприменимы СПБУ. Они не опираются на морское дно, а находятся на плаву над местом бурения на ог- ромных понтонах. При глубине моря 200—300 м, горизонтальное смешение ППБУ от- носительно точки бурения в течение всего периода бурения и испытания скважины ограничивается удерживающими якорями массой 15 т и более (например, ППБУ «Шельф» для бурения разведочных нефтяных и газовых скважин глубиной до 6000 м, рис. 3.52). В более глубоких водах применяется динамическое позиционирова- ние ППБУ, за счет подруливающих и ходовых винтов. Последние посто- янно находятся в работе в автоматическом режиме управления. ППБУ состоят из верхнего корпуса, стабилизирующих колонн и нижних понтонов. Колонны в верхней части присоединены к корпусу, а в Рис. 3.51. Самоподъемная буровая платформа СПБУ «Сиваш» (Украина) 231 нижней — к понто- нам. Понтоны и корпус соединены между собой и с ко- лоннами прочными трубчатыми связя- ми. Стабилизирую- щие колонны ППБУ разделены на водо- непроницаемые от- секи, в которых раз- мещены склады ма- териалов, насосные отделения и другое оборудование. В нижних понтонах и стабилизирующих колоннах размеще- ны цистерны балла- стной и технической воды, топлива, мас- ла и др. Рабочая (верхняя) палуба представляет собой конструкцию трех-, четырех-, пяти- и более угольной формы, на которой размещены двух- и трехъярусные водонепроницаемые надстройки для раз- мещения экипажа, а также энергетические и технологические блоки, склад- ские помещения и другое оборудование. В рабочем положении на точке бу- рения цистерны нижних понтонов заполняются необходимым количеством морской водой и погружаются на расчетную глубину под воду (как прави- ло, до 30 м от поверхности моря) при этом действие волн на платформу уменьшается. В транспортном положении понтоны полностью опорожняются и находятся на поверхности моря, верхний корпус возвышается над водой. Платформы транспортируют двумя-тремя мощными буксира- ми, но имеются также самоходные установки, оборудованные гребными винтами с приводом от электромоторов. Буровые суда (БС) относятся ко второму типу безопорных основа- ний. В качестве бурового используют морское судно, специально построен- ное или реконструированное для размещений оборудования и инструмента и проведения буровых работ в акваториях морей и океанов. Отличительной особенностью БС является наличие в центральной части судна шахты, как правило, прямоугольного или квадратного сечения, с установленной над Р ис. 3.52. Общий вид ППБУ типа «Шельф» 232 ней буровой вышкой. На некоторых судах буровые вышки после окончания бурения скважины опускаются с помощью специальных устройств и укла- дываются в горизонтальном положении, снижая этим парусность и понижая центр тяжести судна на переходах и перегонах. На рис. 3.53 показан внеш- ний вид одного из крупнейших в мире буровых судов «CHIKYU». Благодаря высокой маневренности и скорости перемещения, большой автономности буровые суда применяют при строительстве глубоких мор- ских нефтяных и газовых скважин, а также для бурения поисковых и раз- ведочных скважин в отдаленных районах при глубинах моря до 1500 м и более. Большие запасы (до 100 дней работы) обеспечивают бурение не- скольких скважин, а большая скорость передвижения (до 24 км/ч) — быст- Рис. 3.53. Внешний вид бурового судна CHIKYU 233 рую их перебазировку с законченной бурением скважины на новую точку. Водоизмещение таких судов достигает 30 тыс.т. Над точкой бурения судно (в рабочем состоянии) находится на пла- ву и при глубине моря до 200 м удерживается с помощью якорных систем. Удержание БС над точкой бурения при глубине моря свыше 200 м обеспе- чивается с помощью динамической системы стабилизации и осуществ- ляется автоматически с помощью информационно-командного комплек- са, управляющего системой динамического позиционирования, в виде акустических приборов, работа которых основана на регистрации им- пульсов, посылаемых от донных маяков, располагаемых вблизи устья скважины, и их приемке гидрофонами под днищем судна. Благодаря та- кой системе ориентации и удержания БС над устьем, выполняется бу- рение скважины на глубинах вод более 6000 м. На палубах БС размещается циркуляционная система с полным ком- плектом оборудования для приготовления, обработки и очистки бурового раствора (цистерны, вибросита, дегазаторы, пескоотделители и др.). Для по- садки и взлета вертолетов имеется взлетно-посадочная площадка, ограж- денная брусом (комингсом) и устройствами для швартовки и закрепления вертолета. Погрузочно-разгрузочные операции с трубами производят кра- ном на главной палубе. Добыча нефти и газа из морских месторождений углеводородов, а также подготовка продукции к транспортировке осуществляется на морских нефтегазовых промыслах. Отличие морских нефтегазовых промыслов от подобных комплексов на суше заключается в необходимости размещения основного и вспомогательного оборудования на специальных гидротехни- ческих сооружениях (например, на стационарных платформах или специа- лизированных плавучих установках). Морская стационарная платформа (МСП)— это буровое основание, опирающееся на дно акватории и возвышающееся над уровнем моря. Так как по окончании эксплуатации скважины МСП остается на месте соору- жения, то схемой бурения морской скважины в отличие от схемы строитель- ства наземной скважины предусмотрено наличие водоотделяющей колонны, изолирующей скважину от толщи воды. Устьевое оборудование (превенторы, устройство для отвода промы- вочной жидкости из скважины в системы очистки и др.), а также про- мысловое оборудование (технологические комплексы для сбора и под- готовки продукции скважин) монтируется на МСП. Стационарные платформы, используемые при глубине моря до 300 м, представляют собой конструкцию, состоящую из подводной и надводной частей (3.54). Подводная часть опирается на дно и выполняется в виде труб- чатой металлической решетки, состоящей из 4-12 колонн диаметром до 2,5 234 м (более 45% известных конструкций МСП) или железобетонных свай (гра- витационные платформы). Глубоководная стационарная платформа, как правило, является само- стоятельным нефтепромыслом. Рис. 3.54. Эксплуатационная стационарная буровая платформа: 1 – буровая вышка; 2 – грузовой кран; 3 – стеллажи для труб; 4 – жилой блок; 5 – бункера для порошковых материалов; 6 – компрессорные станции; 7 – трубо- проводы продукции скважин; 8 – насосно-турбинный блок; 9 – комплекс оборудо- вания для подготовки нефти и газа; 10 – блок сжигания газа; 11 – газовыхлопные трубы дизелей; 12 – вертолетная площадка. 235 Надводная часть платформы состоит из площадки, возвышающейся над уровнем моря, на которой размещают устья скважин и промысловое оборудование для сбора и подготовки продукции, факел для сжигания по- путного газа, а также энергетическое оборудование, жилые помещения, вертолетная площадка, буровая вышка для капитального и текущего ремон- тов скважины, причальные сооружения, крановое оборудование и др. В большинстве случаев блок подготовки нефти и факел для сжигания попутного газа выполняются в виде отдельных, располагающихся в непо- средственной близости модулей (рис. 3.55). Наряду со стационарными металлическими платформами, применя- ются массивные железобетонные платформы гравитационного типа, зани- мающихоколо 25% от известных МСП (рис. 3.56). Они снабжены мощным бетонным основанием, опирающимся на морское дно. В этом основании размещаются не только направляющие колонны для бурения, но также ячейки-резервуары для хранения добытой нефти и дизельного топлива, ис- пользуемого в качестве энергоносителя, многочисленные трубопроводы. Элементы основания доставляют к месту монтажа в виде крупных блоков. Рис. 3.55. Эксплуатационная стационарная платформа STATOIL 236 Морское дно в месте установки гравитаци- онных платформ должно быть тщательно подго- товлено. Даже небольшой уклон дна грозит рас- колу основания. Поэтому перед постановкой бу- ровой на «точку» все выступающие камни уби- рают, а трещины и впадины на дне заделывают бетоном. Гравитационная морская стационарная платформа (ГМСП) — буровое основание, изго- товленное из железобетона и стали. Она строится в глубоководных заливах и затем с помощью бук- сиров доставляется на точку бурения эксплуата- ционных и разведочных скважин (рис. 3.57). Здесь ГМСП позиционируется и притапливается до по- садки на подготовленное основание. ГМСП предназначена не только для буре- ния скважин, но и для добычи и хранения нефти до отправки ее танкерами к месту переработки. Платформа обладает боль- шим весом, поэтому для удержания ее на точке бурения не требуется допол- нительных устройств. Рис. 3.56. Гравитационная МСП Рис. 3.57. Транспортирование ППБУ морскими буксирами 237 После разработки месторождения производится консервация всех скважин, отсоединение установки от устьев скважин, до получения плавуче- сти и транспортировка на новую точку в пределах данной площади или в другой регион бурения и добычи нефти и газа. В этом заключается пре- имущество ГМСП перед МСП, которая, после разработки месторождения, остается в море навсегда. При глубинах моря свыше 60 м весь комплекс морского нефтегазового промысла размещается на переоборудованных или специально построенных полупогружных платформах. Одной из крупнейших в мире платформ является ППБУ «Орлан» (рис. 3.58) В процессе освоения морских месторождений существенное значение имеет этап подготовки продуктивных площадок к морскому буровому про- изводству. Учитывая большую общую массу поднимаемого корпуса, на- дежность устойчивости СПБУ зависит от прочности грунта. В связи с чем, размещение платформы на точке бурения производится после установления пригодности грунта морского дна в качестве фундамента для опорных ног и Рис. 3.58. Эксплуатационная полупогружная платформа «Орлан» (Россия) 238 якорных систем. Учитывая, что газовые месторождения разрабатывают при условии сообщения с береговым потребителем подводным газопроводом, обустройству площадок под строительство СПБУ предшествует этап де- тальных инженерно-геологических изысканий грунтов. Эти исследования включают бурение большого числа скважин разной глубины (от 4 до 100 м и более) с отбором образцов грунта. Как правило, пробоотбор до глубины 6…8 м выполняется легкими техническими средствами, эксплуатирующимися с борта буровых и неспе- циализированных судов. Бурение более глубоких инженерно-геологических скважин шурфов осуществляют с буровых судов, удерживаемых на якорях (до 200 м глубины воды), или судов с динамической стабилизацией при глу- бине воды более 200 м. В отечественной практике освоения морских месторождений основ- ной объем бурения инженерно-геологических скважин глубиной до 50 м выполняется установками УМБ -2М и УМБ-130М, разработанными в До- нецком национальном техническом университете. Основными элементами установки являются гидроударный буровой снаряд, погружающийся в дон- ные породы за счет динамических нагрузок, формирующихся гидроудар- ным механизмом, являющимся структурной составляющей снаряда, и при- донное основание (стабилизирующая опора). Установки эксплуатируются с борта как буровых, так и не специали- зированных судов и работают по технологической схеме, предусматриваю- щей возможность поинтервальной проходки скважин с использованием в течение рейса двух способов разрушения пород на забое: - с отбором керна за счет частотно-ударного погружения бурового снаряда в осадки на заданную глубину (рис. 3.59, б, г); - без отбора керна за счет размыва пород на ранее пройденном без крепления интервале ствола скважины (рис. 3.59, в). Принципиальная схема поинтервальной проходки скважины установ- кой УМБ-2М приведена на рис. 3.59. Установка относится к легким техни- ческим средствам, и позволяет бурить скважины глубиной до 20 м. Задан- ный режим разрушения пород на интервале скважины обеспечивается дис- танционным переключением специальных узлов гидроударного механизма. В качестве рабочего агента для привода гидроударного механизма исполь- зуется морская вода. Подача морской воды производится буровым насосом, установленным на палубе судна. Для бурения инженерно-геологических скважин глубиной до 50 м используется установка УМБ-130М (рис. 3.60). В отличие от установки УМБ-2М стабилизация бурового снаряда на дне обеспечивается придонным основанием, связанным системой канатов с плавсредством. Все операции по спуску и подъему опоры производятся грузовой лебедкой при помощи та- левой системы, в виде системы шкивов, закрепленных на палубе и основа- нии опоры 239 Талевый направляющий трос за счет компенсирующего груза посто- янно находиться в натянутом состоянии, в том числе, при ограниченном дрейфе и вертикальных перемещениях судна, обеспечивая возможность вертикального спуска и подъема бурового снаряда. В комплектации УМБ-130М стабилизирующая опора предназначена не только для удержания гидроударного бурового снаряда в вертикальном положении на морском дне, но и одновременно является направлением при спуске гидроударного снаряда при последующем рейсе, обеспечивая одно- ствольную многорейсовую проходку скважины. В процессе проходки сква- жины стабилизирующая опора постоянно находится на точке бурения. Рис. 3.59. Технологическая схема бурения скважины установкой УМБ-2М: 1 – трос; 2 – нагнетательный шланг; 3 - гид- роударник; 4 – подвижная каретка; 5 - на- правляющие стойки; 6 – колонковый набор; 7 – донное основание опоры Рис. 3.60. Технологическая схема бурения скважин установками УМБ-130М 240 Спуск и подъем бурового снаряда выполняется с помощью буровой лебедки через канат 1, конец которого закреплен на специальном грузовом переходнике, который структурно относится к гидроударнику. В зарубежной практике для бурения на шельфе сравнительно неглу- боких разведочных скважин (до 50 м), а также для бурения инженерно- геологических скважин на глубину 100…150 м выполняется с помощью многочисленных специализированных буровых судов. Такие суда, в цен- тральной части корпуса имеют «шахту», над которой установлена буровая вышка. Технологический комплекс каждого судна дополнен также систе- мами для проведения скважинных геотехнологических исследований. Суда оборудованы якорной системой удержания для работы на глубинах моря до 80 м и системой динамического позиционирования для работы на глубинах свыше 80 м. В отечественном морском буровом производстве избирательность та- кого вида плавсредств весьма ограничена. Сегодня Украина располагает единственным специализированным судном НИС «Диорит», относящееся к серии судов буровых судов водоизмещением 1260 т, укомплектованных буровым агрегатом ЗИФ-1200 (рис. 3.61). Эксплуатационно-технические возможности судна обеспечивают вращательное бурение поисково- разведочных и инженерно-геологических скважин глубиной до 150 м при глубине моря до 100 м. Рис. 3.61. Буровое судно «Диорит» (Украина») |