Лекция № 6. Морские буровые установки. Буровые суда.

Буровое плавсредство и систему заякоривания рассматривают как единый комплекс, за исключением случаев экстремальных погодных условий.

Система заякоривания включает якорные цепи, лебедку, стопорное устройство, роульс (устройство для изменения направления перемещения якорного троса). В зависимости от местных условий, характеристики бурового плавсредства и других факторов применяют различные схемы расположения якорных цепей или канатов относительно ПБС.

На рис. 15 показаны шесть наиболее распространенных в мировой практике вариантов заякоривания при воздействии нагрузок с любой стороны; n- число якорных канатов.

Якорные цепи или тросы выбирают в зависимости от ожидаемой нагрузки на них, глубины моря, характеристики рабочего оборудования, стоимости, наличия пространства для палубных устройств и других факторов.

Рис. 15- Типовых вариантов систем заякоривания: а,б,в – симметричные системы соответственно с n-9,8,10; г,д,е – системы с якорными канатами (n =8), расположенными соответственно под углом 45-90⁰ друг к другу, порд углом 30-70⁰ к оси платформы и под углом 30-60⁰ к продольной оси судна

Для заякоривания применяют два типа плоскозвенных цепей с распоркой: цепь со сваренным встык звеньями и замковую цепь. В большинстве случаев для заякоривания применяют металлические канаты диаметром 57-76 мм (иногда 90мм). Преимущества металлических канатов: масса каната в морской воде ниже стоимости цепи. Недостаток металлического каната заключается в том, что вследствие малой массы требуется большое развертывание троса до необходимой величины тангенциальной кривой провисания, а также в случае выхода каната из строя его следует заменять по всей длине.

Якорные системы оснащают комплексом оборудования для регулирования натяжения якорных канатов, который включает тензометры и записывающую аппаратуру, непрерывно управляющую натяжением якорного каната и извещающую оператора об изменении высоты волны или направления ветра.

Системой управляют с пульта на основе информации, получаемой от датчиков, устанавливаемых на тросах.

Система динамической стабилизации.

На глубинах морей более 200 м якорные системы стабилизации не обеспечивают требуемые допускаемые отклонения ПБС о вертикальной оси бурящейся скважины, становятся массивными, и их применение неэффективно. По этим причинам на глубинах более 200 м используют динамические системы стабилизации (динамического позицирования), которые по сравнению с якорными системами удержания имеют следующие преимущества:

§ Обеспечивают требуемую технологией бурения точность позицирования ПБС;

§ Осуществляют быстрое изменение курса БС или ППБУ в целях уменьшения бортовой и вертикальной качек;

§ Обеспечивают быстрый уход с точки бурения и возврат на нее ПБС.

Система динамической стабилизации представляет собой замкнутую цепь автоматического управления. Она включает:

1. Цепь обратной связи с датчикам, определяющими координаты продольного и поперечного перемещения по осям х, у и угол поворота φ ПБС относительно принятых неподвижных координат;

2. блок сравнения, который определяет отклонения Δх, Δу и Δφ действующего положения ПБС от его начального расчетного положения х₀, у_0, φ₀ ;

3. пульты управления, имеющие прямые и обратные связи с двигателями и гребными винтами, рассчитывающие и подающее командного пункта на двигатели и гребные винты команды для возвращения ПБС в начальное положение.;

4. подруливающие устройства (двигателей и гребных винтов), обеспечивающие перемещение судна на величину Δх, Δу и Δφ и возвращение егов начальное положение.

На автоматизированном пункте управления универсальная ЭВМ по цепи обратной связи получает данные от внешних датчиков о положении ПБС в определенный момент. При этом угол поворота определяют гидрокомпасом, а координаты х, у вычисляются системой акустического измерения АМS. Эти данные имеют высокую точность, их используют в системе динамической стабилизации.

В системе динамической стабилизации имеются две ЭВМ: одна работает, а вторая в резерве. Система автоматической стабилизации включается в работу и контролируется оператором с главного пульта управления.

Осн.: 2. [ 207-209 ], 3. [ ]

Доп.: 7. [987-993]

Контрольные вопросы:

1. Какие системы удержания вы знаете?

2. Из чего состоит якорная система?

3. Из чего состоит система динамической стабилизации?.

4. Чем отличаются эти две системы удержания ПБС ?

Бурение скважин на море труднее и дороже, чем на суше. Обусловлено это наличием над придонным устьем скважины водного пространства, необходимостью применять специаль­ные морские основания для размещения на них бурового оборудования и выполнения с них комплекса работ, связан­ных с проводкой скважины, сложными гидрологическими и метеорологическими условиями работы на акваториях (ветры и волнения, приливы, отливы и течения, туманы, морось, снег и горизонтальная видимость, ледовый режим, темпера­тура воздуха и воды) и т.д.

Ветры, волнения и течения водного пространства, находящегося над придонным устьем скважины, вызывают качку плавучей буровой установки, перемещение оборудования и инструментов по ее палубе, дрейф и снос установки в на­правлении ветра или течения. Качка оказывает неблагоприят­ное физиологическое воздействие на людей, работающих на буровой установке. Волнение моря вредно и при бурении со стационарных (неподвижных) установок, так как волны, об­рушивающиеся на основание буровой, могут повредить его или полностью разрушить.

Рыхлые породы морского дна обычно сильно обводнены. При бурении в таких породах для обеспечения сохранности керна и устойчивости стенок скважин приходится использо­вать специальные технические средства и осуществлять тех­нологические мероприятия, требующие дополнительных ма­териальных затрат и удовлетворяющие жестким требованиям охраны окружающей среды от загрязнения.

Специфические гидрологические и метеорологические ус­ловия моря, ограничивают возможности и снижают эффективность применения способов, технических средств и технологий бурения, используемых на суше. Поэтому про­блема повышения эффективности бурения скважин на море до сих пор является одной из самых важных в процессе во­влечения в производство минеральных ресурсов подводных месторождений.

Для бурения и последующей эксплуатации таких скважин экономически оправданным является создание доро­гостоящих массивных стационарных, полустационарных и погружных конструкций оснований, которые позволяют раз­мещать на них традиционную буровую технику и использо­вать хорошо отработанные на суше технологии бурения, до­бычи, сбора и подготовки нефти и газа к транспортирова­нию.

Бурение разведочных скважин на море требует принципиально новых конструкций бурового обору­дования и технологий, которые гарантировали бы проходку скважин с соблюдением требований безопасности, экологичности и обеспечивали бы высокое качество работ при наи­меньших затратах. Для создания таких технологий и техники необходимо обобщить и оценить имеющийся опыт примене­ния современных технических средств и технологий бурения на море, научно обосновать рациональные пути их дальней­шего развития.

На процесс бурения скважин на море влияют естествен­ные, технические и технологические факторы (рис.16). Наи­большее влияние оказывают естественные факторы, опреде­ляющие организацию работ, конструктивное исполнение техники, ее стоимость, геологическую информативность бу­рения и т.п. К ним относятся гидрометеорологические, гео­морфологические и горно-геологические условия.

Гидрометеорологические условия характеризуются волне­нием моря, его ледовым и температурным режимами, коле­баниями уровня воды (приливы —отливы, сгоны — нагоны) и скоростью ее течения, видимостью (туманы, низкая облач­ность, метели, осадки).

Для большинства морей, омывающих берега России (Японское, Охотское, Берингово, Белое, Баренцево, Татар­ский пролив), характерна следующая средняя повторяемость высоты волн, %: до 1,25 м (3 балла) – 57; 1,25 — 2,0 м (4 бал­ла) – 16; 2,0—3,0 м (5 баллов) – 12,7; 3,0—5,0 (6 баллов) -10. Средняя повторяемость высоты волн до 3,0 м в Балтий­ском, Каспийском и Черном морях составляет 93 %, 3,0 — 5,0 м – 5 %.

Для бурения на акваториях опасны отрицательные темпе­ратуры воздуха, вызывающие обледенение бурового основа­ния и оборудования и требующие больших затрат времени и труда на приведение в готовность силового оборудования по­сле отстоя.

Ограничивает время бурения на море также снижение ви­димости, которое в безледовый период чаще отмечается в ночные и утренние часы.

Геоморфологические условия определяются очертаниями и строением берегов, топографией и почвой дна, удаленностью точек заложения скважин от суши и обустроенных портов и т.п. Для шельфов почти всех морей характерны малые укло­ны дна. Изобаты с отметкой 5 м находятся на расстоянии 300—1500 м от берега, а с отметкой 200 м — 20 —60 км. Од­нако имеются желоба, долины, впадины, банки.

Почва дна даже на незначительных площадях неоднородна. Песок, глина, ил чередуются со скоплениями ракушки, гра­вия, гальки, валунов, а иногда и с выходами скальных пород в виде рифов и отдельных камней.

На первой стадии освоения морских месторождений твер­дых полезных ископаемых основным объектом геологичес­кого изучения являются участки в прибрежных районах с глубинами акваторий до 50 м. Это объясняется меньшей сто­имостью разведки и разработки месторождений на меньших глубинах и достаточно большой площадью шельфа с глуби­нами до 50 м.

Требования к бурению разведочных скважин на море

Наибольшее распространение на море получили бурильные трубы нефтяного сортамента диа­метром 0,127 м. Соответственно диаметр скважины не может быть меньше 0,132 м.

Установленные геологические разрезы и глубины разведы­ваемых акваторий, геолого-методические и эксплуатационно-технические требования к бурению скважин рассмотрен­ных целевых назначений определяют следующие их пара­метры:

Максимальная глубина скважины, м:

по воде/по породам ………………………………………. 300/300

Диаметр скважины в рыхлых отложениях, м:

максимальный …………………………………………… 0,325/0,351

минимальный …………………………………………… 0,146/0,166

Диаметр скважины в коренных породах, м: ;

максимальный …………………………………………. 0,131

минимальный …………………………………………… 0,059

Основная зона шельфа, разведываемая геологами, состав­ляет полосу шириной от сотен метров до 25 км. Удаленность точек заложения скважин от берега при бурении с ледового припая зависит от ширины припайной полосы и для аркти­ческих морей достигает 5 км.

Горно-геологические условия характеризуются в основном мощностью и физико-механическими свойствами горных пород, пересекаемых скважиной. Отложения шельфа обычно представлены рыхлыми породами с включением валунов. Ос­новными составляющими донных отложений являются илы, пески, глины и галька. В различных соотношениях могут об­разовываться отложения песчано-галечные, суглинки, супеси, песчано-илистые и т.д. Для шельфа дальневосточных морей породы донных отложений представлены следующими вида­ми, %: илы — 8, пески — 40, глины — 18, галька — 16, про­чие — 18. Валуны встречаются в пределах 4 —6 % в разрезе пробуренных скважин и 10—12 % скважин от общего их ко­личества.

Рациональным является такой способ бурения скважины, который обеспечивает достаточно качественное выполнение поставленной задачи при минимальных трудовых и матери­альных затратах. Выбор такого способа бурения базируется на сравнительной оценке его эффективности, определяемой многими факторами, каждый из которых в зависимости от геолого-методических требований, назначения и условий бу­рения может иметь решающее значение. При выборе рациональ­ного способа бурения оценивать следует, прежде всего, и главным образом по фактору, отражающему целевое назна­чение скважины. При выявлении двух и более способов бу­рения, обеспечивающих пусть даже различное, но достаточ­ное качество выполнения поставленной задачи, следует про­должить их оценку по другим факторам. Если сравниваемые способы не обеспечивают качественного решения геологиче­ской или технической задачи, ради которой осуществляется бурение, то оценивать их, например, по производительности и экономической эффективности не имеет практического смысла.

Факторы, влияющие на процесс и эффективность бурения на море, специфические (см. рис.16). Они ограничивают или вовсе исключают возможность применения некоторых спо­собов и технических средств, признанных эффективными для бурения скважин того же назначения на суше. Исходя из этого эффективность способов бурения разведочных сква­жин на море предложено оценивать по четырем показателям:

§ геологической информативности;

§ эксплуатационно-техноло­гическим возможностям;

§ технической эффективности;

§ эко­номической эффективности.

Геологическая информативность определяется конкретны­ми задачами бурения разведочных скважин. При разведке месторождений полезных ископаемых геологическую ин­формативность способов бурения оценивают по качеству от­бираемого керна. Керн должен обеспечивать получение гео­логического разреза и фактических параметров месторожде­ния: литологического и гранулометрического состава разбу­риваемых отложений, их обводненности, границ продуктив­ного пласта, крупности находящегося в нем металла (при разведке россыпей), содержания полезного компонента, со­держания тонкодисперсного материала и глинистых прима­зок (при разведке стройматериалов) и т.п. Для точного опре­деления этих параметров необходимо предотвратить обога­щение или обеднение отбираемых проб керна по каждому интервалу опробования.

Геологическую информативность способов бурения при инженерно-геологических изысканиях оценивают по воз­можности определения физико-механических свойств грун­тов, находящихся в естественном, природном залегании. До­стигают этого путем выбуривания проб грунтов (монолитов) и исследования их свойств в специальных лабораториях или определением свойств грунтов непосредственно в стволе скважины. Последний способ перспективнее, так как может обеспечить более быстрое и качественное получение резуль­татов исследований.

Таким образом, эксплуатационно-технологические воз­можности способа бурения определяются качеством выпол­нения поставленной задачи, его технической и экономичес­кой эффективностью.

Критериями оценки технической эффективности являют­ся: мгновенная, средняя, рейсовая, техническая, парковая, цикловая скорости бурения; производительность за смену, сезон; время выполнения отдельных операций, проходки всей скважины или отдельного ее интервала; износ обору­дования, обсадных труб и инструмента; универсальность; металлоемкость; энергоемкость; мощность; транспортабель­ность бурового оборудования и др.

Все виды скоростей и производительность бурения опре­деляются затратами времени на выполнение того или иного процесса или операции. При выборе способа бурения для условий моря фактор времени является одним из важнейших критериев.

Критерии экономической эффективности включают в себя показатели, характеризующие затраты в рублях. Важнейшие из этих критериев — стоимость 1 м бурения, стоимость со­оружения всей скважины или отдельного ее интервала, в большой степени, зависящие от технической эффективности. К ним же могут быть отнесены критерии, характеризующие затраты на содержание вспомогательных плавсредств, расход различных материалов, которые быстро изнашиваются при использовании их в сложных гидрологических и агрессивных условиях моря (например, обсадных и бурильных труб, тро­совой оснастки буровых и якорных лебедок и т.д.).

Ударный способ бурения в зависимости от способа отбора керна подразделяют на: ударный сплошным забоем, клюющий кольцевым забоем и ударно-забивной или просто забивной кольцевымзабоем.

Ударное бурение сплошным забоемзаключается в разру­шении пород забоя долотами, удалении продуктов разруше­ния желонками и получении образцов пород в виде шлама. Ударное бурение сплошным забоем на море переходят только при необходи­мости разрушения встречающихся валунов и крепких по­род.

Клюющий способ бурения заключается в том, что буровой снаряд, включающий жестко соединенные между собой керноприемный стакан и утяжеленную трубу, сбрасывают на забой с некоторой высоты; стакан углубляется в породу, за­тем снаряд поднимают на поверхность для отбора керна из стакана. Величина углубления стакана в породы в рейсе зави­сит от энергии удара снаряда о забой. При бурении этим способом на море достичь значений энергии удара, достаточ­ных для погружения стакана в породы на глубину хотя бы 0,1—0,2 м, трудно, так как буровой снаряд движется в сква­жине, заполненной водой, и испытывает большие гидравли­ческие сопротивления движению. Поэтому на море этот спо­соб бурения не применяют.

Основной разновидностью ударного бурения в рыхлых породах на море является забивной способ, обеспечивающий получение образцов пород в виде керна. Отбор керна при этом осуществляется нанесением ударов по трубчатому керноприемнику, снабженному упроченным кольцевым башма­ком, который выполняет роль породоразрушающего инстру­мента. Выход керна при отборе его из обсадной колонны забивными керноприемниками примерно такой же, как и при отборе, его вдавливаемыми грунтоносами.

Таким образом, наибольший выход керна рыхлых пород на море имеет место при вдавливающем способе бурения со скоростью погружения обсадных труб и грунтоносов в породы менее 0,02 м/с и всего на 3—4 % меньше при забивном способе со скоростью погружения обсадных труб и забивных керноприемных снарядов в породы более 0,16 м/с.

Однако ударно-забивной способпозволяет бурить разве­дочные скважины любых необходимых диаметров в рыхлых, крепких и перемежающейся крепости породах. Бурение вдавливанием экономически оправдано только диаметром до 0,108 м и только в рыхлых отложениях без включения гальки и валунов и поэтому не вполне отвечает обобщенным ГМТ, предъявляемым к бурению разведочных скважин.

При бурении многих видов разведочных скважин требует­ся внедрение в коренные породы (структурные, разведочные на россыпи, уголь и т.д.). Выбуривание керна из таких пород возможно только вращательным способом. Это единствен­ный способ производительного бурения, обеспечивающий получение качественного керна в твердых и крепких поро­дах. Во многих условиях вращательный способ является не­заменимым при инженерно-геологических изысканиях, так как позволяет получать колонки керна мягких и твердых по­род без существенного искажения их природных физико-механических свойств.

Эффективность применения на море способов бурения, признанных рациональными для выполнения геолого­разведочных задач, ниже, чем на суше. Обусловлено это ря­дом причин:

§ качкой и дрейфом ПБУ;

§ сильной обводненностью и неустойчивостью рыхлых пород разрезов;

§ требования­ми недопущения загрязнения окружающей среды;

§ трудностью организации замкнутой циркуляции промывочных растворов;

§ нахождением придонного устья скважины вне видимости бурильщика и обусловленны­ми этим трудностями;

§ повышенным износом бурового обо­рудования и инструментов из-за работы в агрессивной среде;

§ особенностями способов и схем бурения и т.д.

Традиционная схема ударно-забивного бурения требует выполнения большого количества трудоемких и опасных для жизни людей операций.

Станки с ударными кривошипно-шатунными механизмами на плавучих буровых установках не применяют, так как они не обеспечивают изменения навески снарядов синхронно с качкой установки. Погружают трубы и керноприемники в породы при помощи лебедок, причем обсадную колонну по­гружают ударами по ее наголовнику снарядом, выполненным в виде монолитного груза с направляющей штангой, сколь­зящей внутри колонны. После погружения колонны на каж­дые 1—2 м с нее снимают забивной снаряд и рейсами по 0,2—0,5 м при помощи забивных стаканов и желонок из ко­лонны выбирают керн. Затем на колонну, возвышающуюся на несколько метров над палубой установки, снова устанав­ливают забивной снаряд, что в условиях качки ПБУ трудно и небезопасно.

Из-за опасности раскачивания подвешенного на тросе забивного снаряда максимальное значение его массы ограничи­вают 600 кг, независимо от диаметра и длины погружаемых в породы обсадных колонн. Недостаток массы снаряда не поз­воляет эффективно погружать в породы колонны труб диа­метром 0,168/0,188 м, длиной более 20 м. В то же время при бурении на море зачастую для перекрытия слоя воды приме­няют колонны труб диаметром 0,325/0,351 м, длиной до 200—300 м, которые одновременно используются в качестве об­садных и требуют погружения в породы.

Важной проблемой является снижение потерь энергии уда­ра в погружаемой колонне. На море к потерям на продоль­ные деформации колонны добавляются потери на ее ради­альные деформации, обусловленные тем, что в интервале слоя воды колонна не защищена от изгиба. Длина отдельных труб колонны при бурении на море обычно не превышает 2 м, так как они массивные (толщина стенки 0,008 м и бо­лее), а в условиях качки ПБУ трудно наращивать длинные трубы больших диаметров с треугольной резьбой, имеющей угол наклона менее 2°. Поэтому потери энергии удара в ко­лонне длиной, например, 100 м с 50 муфтовыми соединения­ми достигают 90 % (без учета потерь на радиальные дефор­мации).

Требуют совершенствования при ударно-забивном бурении технические средства и технологии отбора керна.

Экспериментально установлено, что при бурении на море по традиционным схемам забивного способа трудно обеспечить высокий выход керна, так как:

· часть керна отжимается в забой уже при погружении об­садной колонны труб в породы из-за гидродинамического воздействия на них находящейся в колонне воды и проявле­ния свайного эффекта и поступившие в колонну породы по тем же причинам уплотнены;

· керноприемник, забиваемый затем в поступившие в ко­лонну и ограниченные ее стенками породы, дополнительно уплотняет и отжимает их в забой;

· в каждом рейсе после извлечения керноприемника на стенках колонны остается уплотненное кольцо пород, кото­рые в последующем рейсе при работе ударной штангой пе­ремешиваются с водой и вместе с ней изливаются из скважи­ны при извлечении керноприемника.

При отборе из колонны керна сильнообводненных пород отмечаются случаи их дополнительного поступления с забоя вследствие уменьшения над ними горного и гидростатическо­го давления.

Трудности возникают также при забивном бурении в по­родах с включением галечников и валунов. Здесь при погру­жении колонны, поступающие в нее галечники и валуны рас­клиниваются и распределяются по всему ее сечению. После­дующее погружение в них керноприемника затруднительно, так как галька и валуны не входят в керноприемник из-за расклинивания или если их размеры превышают его диаметр. Смещение гальки и валунов керноприемником в стороны ограничено стенками колонны.

При морском бурении скважина зачастую до уровня моря заполнена водой, которая создает сопротивление движению ударных инструментов, и энергии удара их недостаточно для эффективного разруше­ния пород. Поэтому при бурении на море в суглинках с включениями 20 % гравия и гальки на погружение обсадных труб на глубину 10—12 м требуется 15-20 мин, а на отбор пород из труб, поступивших в них из этого интервала, — 3-3,5 ч.

Из-за подводных течений, дрейфа ПБУ, расположения забивных снарядов и механизмов на колонне на большом рас­стоянии от дна моря трудно обеспечить ее вертикальность при погружении в породы.

В практике бурения скважин с плавучих буровых средств (БС, ППБУ) широко применяют комплексы полдводного 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.

Рис. 18- Одноблочный подводный

устьевой комплекс.

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 должно быть высоким, обеспечивающим 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 -508 мм, первую промежуточную колонну – 340 мм, вторую промежуточную колонну – 178 мм. Диаметр эксплуатационной колонны обеспечивает спуск и установку двухколонных 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 -406 мм, промежуточную колонну -273 мм, эксплуатационную колонну- 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.

Показанный на рисунке 18 одноблочный подводный устьевой комплекс состоит из следующих узлов:

1- пульт бурильщика; 2-пульт управления штуцерным манифольдом; 3-аккумуляторная установка; 4- гидравлическая силовая установка; 5-дистанционный пульт управления;6-шланговые барабаны 7-гиравлический спайдер;8- верхнее соединения 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.

На рисунке 18 приведена одноблочная конструкция ПУО, обеспечивающая бурение многоколонных глубоких скважин (фирма «Камерон», США).

Особенность конструкции – наличие эластомерного элемента, состоящего из сферических, стальных пластин и эластической набивки. Элемент может выдерживать большие сжимающие нагрузки и срезающие усилия. Компенсатор может отклоняться в любом направлении вокруг центра вращения при изгибе морского стояка.

Морской стояк(рис 19).

Морской стояк является одним из важнейших и ответственных узлов общего комплекса ПУО.

В процессе буровых работ морской стояк эксплуатируется в сложных условиях. Практикой работ установлено, что такие условия эксплуатации приводят к повреждению его отдельных узлов. Причинами повреждений морского стояка могут быть длительный период воздействия на узлы суровых морских условий, использование буровых растворов большей плотности, нарушение рекомендации, недостаточное натяжение нижней секции морского стояка и слабый контроль за изменением угла поворота шарового соединения при отклонения стояка от вертикали, использование недостаточно надежных узлов соединений, не соответствующих условиям работы в данном районе, а также недостаточный опыт работы при эксплуатации стояков и отсутствие соответствующей теоретической базы для их расчета.

Рис.19–Морской стояк

1-верхняя секция с отклонителем потока и шаровым компенсатором; 2– телескопический компенсатор; 3-натяжные канаты; 4– промежуточная секция;5-нижняя секция с шаровым и гидравлическим соединителем

Морская стационарная платформа— уникальное 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.

Рис. 20-Классификация глубоководных МСП

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, железо-бетонные 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. 20 приведена классификация глубоководных МСП.

На первом уровне классификациипроведено деление МСП на жесткие и упругие. По мнению авторов, такое деление явля­ется объективным, так как оно 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 МСП характеризует материал конструкции: бетон, сталь или бетонсталь.

Упругие конструкции на втором уровне по способу крепле­ния разделены на башни с оттяжками, плавучие башни и гибкие башни. (рис.21).

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 рассмотренных в работе 40 конструкций глубоковод­ных МСП (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 МСП 13% плавучие башни, 8% башни с оттяжками и 3% гибкие башни. Отмечено увеличение доли 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% — стальные опоры, 15% — бетонные и 6% — стальбетод.

Наибольшее число проектов 57% разработано для вод глу­биной 305—365 м. 30% —для глубин 365—460 м и 13% — на глубины больше 460 м.

Жесткие МСП

Морские стационарные платформы, закрепляемые сваями МСП пирамидального типа

МСП, закрепляемые сваями, представляют собой гидротехни­ческое металлическое стационарное сооружение, состоящее из опорной части, которая крепится к морскому дну сваями, и верхнего строения, оснащенного комплексом технологического оборудования и вспомогательных средств и устанавливаемого на опорную часть МСП.

Опорная часть может быть выполнена из одного или несколь­ких блоков в форме пирамиды или прямоугольного параллеле­пипеда. Стержни решетки блока изготовляют в основном из металлических трубчатых элементов. Количество блоков опор определяется надежностью и безопасностью работы в данном конкретном районе, технико-экономическими обоснованиями и наличием грузоподъемных и транспортных средств на заводе — изготовителе опорной части МСП.

На рис. 21 а, б, в даны схемы МСП, применяемые на Кас­пийском море. Ниже приведены краткие технические данные морской стационарной платформы для одновременного бурения скважин двумя буровыми установками на месторождении им. 28 апреля на глубине 100 м. Платформа состоит из двух опор­ных блоков, установленных на расстоянии 31 м друг от друга, и трехпалубного верхнего строения, которое включает 14 моду­лей, в том числе: два подвышечных, шесть модулей нижней палубы с эксплуатационным оборудованием 450 т каждый, шесть модулей верхней палубы с буровым оборудованием до 600 т каждый.

На платформе размещен комплекс технологического и вспо­мога-тельного оборудования, систем, инструмента и материалов, обеспечивающих бурение скважин двумя буровыми установ­ками.

Платформа оснащена блочными жилыми и бытовыми помеще­ниями, вертолетной площадкой, погрузочно-разгрузочными кра­нами и др.

С платформы предусмотрено бурение 12 скважин.

Размер в плане, мм: Масса, тыс. т:

производственной площад- платформы ………….. 12,1

ки ………………………………….. 71 Х50 опорного блока ……. 2,04

опорного блока …………………….. 16 X 49

Опорные блоки крепятся к морскому грунту сваями. На опорные блоки устанавливается верхнее трехпалубное строе­ние с модулями, оснащенными соответствующими технологи­ческим и вспомогательным оборудованием и системами.

Как известно, затраты на обустройство морских нефтегазовых ме­сторождении составляют свыше 50 % всех капиталовложений. Дос­таточно сказать, что стоимость отдельных нефтегазопромысловых платформ достигает 1—2 млрд долл.

Например, эксплуатирующая­ся в настоящее время глубоководная гравитационная платформа для месторождения Тролль в Северном море оценивается в сумму свыше 1 млрд долл. Затраты на прокладку современного глубоко­водного магистрального трубопровода составляют 2—3 млн долл. за километр. Каждый новый этап в освоении шельфа вызывает к жизни новые технические решения, соответствующие возникающей проблеме. Разработан целый спектр технических средств освоения шельфа, выбор которых определяется совокупностью технологических, гео­лого-, гидрометеорологических, экономических, политических и других условий.

Рис. 22 Современные глубоководные платформы, используемые для разработки шельфовых нефтегазовых месторождений

. Так, например, для выполнения работ по развед­ке, бурению скважин и добыче нефти и газа используются раз­личные типы технических средств, изображенных на рис.22.

Среди инженерных компаний, успешно работающих в области со­здания новой техники и морских нефтегазовых сооружений, при­оритетные позиции занимают «Браун энд Рут», «Мак-Дермот», «Квернер», «Аккер» и др.

Советский опыт в этой области накоплен организациями Азер­байджана, где институт Гипроморнефтегаз спроектировал, а Ба­кинский завод глубоководных оснований изготовил и установил более десяти металлических платформ на глубинах около 100 м. Институтом ВНИПИШельф разработаны платформы высотой около 30 метров для газовых месторождений Крыма. Морские трубопроводы диаметром до 500 — 700 мм проложены на Кас­пийском и Черном морях и на Дальнем Востоке через Татарский пролив.

Гравитационные морские стационарные платформы (ГМСП)

Гравитационные МСП отличаются от металлических свайных МСП как по конструкции, материалу, так и по технологии из­готовления, способу их транспортировки и установки в море.

Общая устойчивость ГМСП при воздействии внешних нагру­зок от волн и ветра обеспечивается их собственной массой и массой балласта, поэтому не требуется их крепление сваями к морскому дну. ГМСП применяют в акваториях морей, где проч­ность основания морского грунта обеспечивает надежную устой­чивость сооружения.

ГМСП — очень массивные объекты, состоящие из двух час­тей: верхнего строения и опорной части. Опорная часть состоит из одной или нескольких колонн, изготовляемых из железобетонa. Колонны цилиндрической или конической формы опираются на многоячеистую монолитную базу (рис.23)

База относительно неболь­шой высоты по сравнению с колоннами, состоит из ячеек-пон­тонов, жестко связанных между собой, и заканчивается в ниж­ней части юбками с развитой общей опорной площадью на мор­ское дно. Размеры опорной многоблочной плиты бывают в длину 180 м и по ширине до 135 м.

Преимущество ГМСП — непродолжительное время установки их в море, примерно 24 ч вместо 7—12 мес, необходимых для установки и закрепления сваями металлических свайных плат­форм. Собственная плавучесть и наличие системы балластировки позволяют буксировать ГМСП на большие расстояния и устанав­ливать их в рабочее положение на месте эксплуатации в море без применения дорогостоящих грузоподъемных и транспортных средств. Преимуществом их также является возможность повторного использования на новом месторождении, повышенные огнестойкость и виброустойчивость, высокая сопротивляемость морской коррозии, незначительная деформация под воздействием нагрузок и более высокая защита от загрязнения моря.

ГМСП применяют в различных акваториях Мирового океана. Особенно широко они используются в Северном море.

К недостаткам гравитационных платформ относится необходимость тщательной подготовки места их установки. Особое внимание следует уделять на опасность аварий, которые могут возникнуть при разжижении грунта, его поверхностной и внутренней эрозии, местных размывах.

Осн.: 2. [78-87], 5. [ 443-446],

Доп.:7. [964-970 ], [985-987 ]

Контрольные вопросы:

1. В чем назначение платформ ?

2. Какие виды платформ вы знаете?

3. Расскажите про преимущества ГМСП.

4.Для каких условий применяют ГМСП?

5. Назовите недостатки ГМСП.

Упругие МСП

Обычно при проектировании МСП статическую прочность конструкции рассчитывают на действие максимальных нагрузок, повторяющихся один раз в 100 лет, и производят поверочный расчет на динамические и циклические нагрузки.

Упругой башнейназывают относи­тельно тонкую стальную пространственную ферму из стержней с довольно равномерным по высоте расстоянием между горизон­тальными поясами.

К классу упругих башен относят находящуюся в эксплуата­ции в Мексиканском заливе на глубине 305 м МСП «Лена». Конструкция ее представляет собой ферму квадратного сечения со стороной квадрата 36,636,6 м, высотой 320 м и массой 21 тыс. т. В верхней части фермы имеется 16 опор диаметром 1220 мм, на которых установлено верхнее строение. Нижняя часть башни имеет 12 таких опор. В пределах верхней половины башни размещены 12 понтонов диаметром 6,1 м, длиной 36,6 м, обеспечивающие 9100 т плавучести. Понтоны стабилизируют платформу, уменьшают давление на фундамент, значительно об­легчают монтаж платформы и оттяжек.

Используя опыт эксплуатации МСП «Лена», фирма «Эксон» изучила шесть проектов глубоководных МСП, разработанных специалистами фирмы. Нагрузки от окружающей среды и гра­витационные, действующие на МСП «Лена», распределяются на сваи, оттяжки, инерционность конструкции и понтоны. Перерас­пределяя эти нагрузки на перечисленные узлы конструкции, можно достичь оптимального варианта решения конструкции. Например, вес палубы можно передать на сваи или компенси­ровать подъемной силой понтонов. Понтоны, кроме этого, ком­пенсирую горизонтальные силы, обеспечивая устойчивость платформы, уменьшают или полностью снимают нагрузки на оттяжки. Инерция основания увеличивает период боковых колебаний, снижает их амплитуду и соответственно снижает динамические на­грузки на оттяжки и сваи.

Разница в вариантах проектов упругих башен заключается в способах, которыми достигается заданный период колебаний, и оп­ределяется волновыми нагрузками, их воздействие перераспреде­лялось между основными элементами конструкции (рис. 25).

Гибкая башня рассматривалась как вариант обычной свайной ферменной конструкции, у которой основание закреплено, а жест­кость фермы уменьшена настолько, чтобы достигался большой пе­риод основных колебаний гибкого стержня.

Период вторичных ко­лебаний должен быть небольшим, чтобы обеспечить стойкость к усталостным разрушениям. Под периодом основных колебаний гибкого стержня понимается период поперечных колебаний, а под периодом вторичных колебаний гибкого стержня — период изгибных колебаний.

Период поперечных ко­лебаний задавался 25 с. Максимальный период изгибных колеба­ний выбирался около 7 с. При этом обеспечивалась стойкость к усталостному разрушению в условиях Мексиканского залива.

Башня (рис.27)общей высотой 372 м, прямоугольного сечения 5844 м состоит из 20-ти опор переменного сечения 9 от 2021 мм в нижней части до 1524 мм в верхней части. Фундамент башни поднят над морским дном на 3 м. Башня состоит из двух секций. Верхняя секция длиной 155 м имеет 10 понтонов 6 размерами 14,680 м, и нижняя секция длиной 217 м имеет 6 понтонов размерами 14,620 м. Верхние понтоны расположены на 30 м ниже уровня моря. Они предотвращают колебания башни с периодом более 6 с. Десять балластных камер (понтонов) 4 размерами 14,620 снижают плавучесть всей платформы до нейтральной. Семь осевых свай 8 диаметром 1220 мм заглуб­лены на 110 м и возвышаются над морским дном на 360 м. Они привариваются к опорам башни на расстоянии 10 м от уровня моря 2. Количество и диаметр осевых свай выбраны из расчета обеспечения требуемой осевой жесткости, существенно снижа­ют период вертикальных колебаний, но не должны иметь зна­чительной жесткости при кручении.

26 периферийных свай диаметром 2134 мм воспринимают гори­зонтальные нагрузки и работают на срез. Они заглублены в мор­ское дно на 50 м. Расчетный период собственных колебаний башни по оси х составляет 65,2 с и по оси у — 52,2 с, что значительно боль­ше возможного периода волн. Первый период изгибных колебаний по обеим осям менее 4 с, что указывает на невозможность динами­ческой раскачки, так как волны с периодом менее 6 с большую на­грузку не создают.

При максимальной штормовой нагрузке высота волн достигает 30 м, период волн 15 с, скорость течения меняется от 1,2 до 0,6 м/с у дна, скорость ветра на палубе 40 м/с. При минимальных скоростях ветра и течения башня отклоняет­ся от вертикали на 1,12° и при волнении — на 2,52° (это такие же отклонения, что и у башни «Лена»).

Максимальные перемещения фундамента башни 680 мм. С уче­том этого для изготовления башни рекомендуется использовать сталь с пределом текучести 346 МПа. На уровне дна в сва­ях возникают более высокие на­пряжения, и для свай рекомен­дуется сталь с пределом теку­чести 438 МПа. Секции башни транспортируются на место установки и собираются в го­ризонтальном положении.

Гравитационно-свайные МСП не сдвигаются с места уста­новки благодаря не только собственной массе конструкции, но и за счет дополнительного крепления сваями опорной их части к морскому дну. МСП этого типа бывают различных конструкций, как по конфигурации сооружения, так и сочетанию применяемых материалов.

Гравитационно-свайные основания на глубине более 300 м в большинстве случаев представляют собой форму треноги. Кон­струкция опорной части состоит из центральной колонны большо­го диаметра, поддерживаемой тремя наклонными опорами.

Колонны могут быть в виде сплошных металлических цилиндров больших диаметров или элементов ферменной конструкции. Например, в конструкции проекта «Трипод тауэр платформ» цен­тральная колонна диаметром 15 м поддерживается тремя наклон­ными колоннами диаметром 8 м. Толщина стенок всех колонн 160 мм.

Центральные колонны и боковые наклонные опоры в средней части связываются горизонтальными элементами жесткости и раскосами. Конструкция МСП устанавливается на четыре дон­ных фундамента, закрепленных сваями и связанных между собой А-образной стальной рамой.

В проекте «Хайлант» центральная ферма-опора укреплена тремя боковыми наклонными фермами. Сечение всех ферм тре­угольное. Каждый силовой элемент изготовляется отдельным бло­ком. Масса центральной фермы 10 тыс. т, опор —4,5—5 тыс. т. На палубе предусматривается установка технологического обо­рудования массой 24 тыс. т и 16 направляющих колонн диамет­ром 712 мм. Масса основных конструкций 31 тыс. т, свай — 20 тыс. т. Расстояние от основной центральной фермы до основания опор 110м.

Опоры крепятся к центральной ферме на глубине от 40 до 79 м ниже уровня моря. Конструкции могут применяться на глу­бинах моря: первая — от 150 до 460 м и вторая — от 200 до 400 м.

Осн.: 2. [78-87], 5. [ 443-446],

Доп.: 7. [964-970 ], [985-987 ]

Контрольные вопросы:

1. В чем назначение платформ ?

2. Что с собой представляют гравитационно-свайные платформы?

3. Из чего состоят гравитационно-свайные платформы?

4. Чем отличаются гравитационные и гравитационно-свайные платформы?

5. Что называют периодом основных колебаний?

6. Что называют упругой башней?

Разработка морских осуществляется как, правило, на разведанных акваториях.

В процессе разработки морских месторождений на Каспии потребовалось надежное сообщение между отдельными объектами, расположенными на морских стационарных основаниях. Доставка грузов на судах при волнении 4 балл и ветре 5 баллов была затруднена. Кроме того, несудоходность акватории в местах разработки обусловила создание эстакад как средств сообщения между объектами существующего промысла.

Сущность данного способа заключается в следующем: на основании проекта разработки месторождения сооружается сеть магистральных эстакад ответвлениями. Параллельно со строительством эстакад возводятся приэстакадные площадки для бурения и эксплуатации скважин, нефтесборные пункты, нефтяные и водяные насосные, водоочистные сооружения по сбору и утилизации сточных вод, парки товарных резервуаров, жилые, административные здания.

Эстакадами называются протяженные сооружения, обеспечивающие непрерывную надводную связь буровых платформ с помощью автотранспорта.

Морская эстакада: предназначена для обеспечения непрерывной, независимой от состояния волнения моря, сухопутной связи между объектами по эстакаде осуществляется:

1. движение автотранспорта и железнодорожный транспорт.

2. прокладка необходимого числа трубопроводов различного назначения (для воды, нефти, года, пара глинистого раствора).

В общем, виде, морская эстакада представляет собой многопролетные, однорядные линейное сооружение, состоящее из пространственных ферм, отирающихся на трубчатые опоры.

На сравнительно неглубоких акваториях применяются плоские опоры, состоящие из двух наклонно забитых свай связанных сверху ригелем, а по высоте трубчатыми связями. Пространственная ферма пролетных строений сооружаются сквозными из трубчатого проката в виде спаренных балок.

Приэстакадные площадки независимо от них назначения представляют многорядную и многопролетными систем ферм, опирающихся на трубчатые свайные опоры, связанные ригелями и трубчатыми связями, обеспечивающими продольную и поперечную жесткость сооружения.

Цикл операций по возведению одного пролета состоит из следующих основных видов работ: устройства свайной опоры рамного типа, забивкой свай в грунт и последующей обвязки их ригелем по верху и системой одно и двухярусных связей по высоте, монтаж пролетных строений, устройства временного рельсового пути.

Для того чтобы иметь возможность бурить скважины под дно водного бассейна, а затем добывать нефть или газ необходимо сооружать специальные основания, на которых и следует размещать буровое и эксплуатационное оборудование.

Стационарные основания подразделяют на насыпные острова, основания из металлоконструкций свайного типа, крупноблочного типов, основания очень большого веса гравитационного типа.

Металлические стационарные морские основания для бурения скважин и добычи нефти за рубежом начали свое развитие с простейших конструкций на глубину 6м до сложных конструкций на глубины до 305м и более.

Основания из металлоконструкций свайного и крупноблочного типов в буровой практике использует широко.

Основания свайного типа – применяют при различной глубине, а также в случае резких изменений рельефа дна водоема. Под сваи в дне моря со специального судна бурят скважины. В каждую такую скважину спускают свою – трубу и цементируют её. Затем сваи обрезают так, чтобы их концы были над водой на одинаковым уровне. Концы труб связывают плоскими металлическими фермами, на которые настилают пол и устанавливают вышку и буровое оборудование. Высота свай над уровнем воды должна превышать высоту самых больших волн.

Крупноблочные основания

В настоящее время для строительства морских оснований используют крупные блоки (МОС-1,2) конструкция Межлумова, Оруджева и Саттарова рассчитаны на применение при глубине вод до 8 м, 14 м, 22 м. После установки на дне моря блока, входящего в основание МОС, через внутреннего полость под дно водоема бурят скважины, в которые затем опускают железобетонные сваи, связывающие блоки с дном.

Надводная часть блока оснащена фермами, регулируемыми по высоте, что позволяет использовать при изменениях рельефа дна до 1м. Для более глубоководных участков используют основания других типов.

Осн.: 1. [248-252]

Доп.: 7. [81-87 ]

Контрольные вопросы:

1. Что называют эстакадами ?

2. На какие виды подразделяют стационарные основания?

3. На какой глубине применяют основания свайного типа?.

4. Что с собой представляют приэстакадные площадки?

5. Чем оснащена надводная часть крупноблочных оснований?

Морские нефтегазовые промыслы (МНП): – технологические комплексы, предназначенные для добычи, сбора, нефти и газа и конденсата из морских месторождений углеводородов, а также для подготовки продукции и дальнейшей транспортировки.

Добыча осуществляется преиму-щественно фонтанным способом (в.т.ч. с ППД) с последующим переходом на газлифтную и др. механизированные способы добычи.

Нефть и газ добываемый при этом используется для внутренних нужд энергопотребления в газлифтном цикле. Газовые месторождения разрабатываются в случае сообщения с береговым потребителем подводным газопроводом. Отличие МНП от промысла на суше необходимость размещения основного и вспомогательного оборудования на морских нефте-газопромысловых гидротехнических сооружениях.

Технологические схемы МНП зависят от глубины, возможности появления и (толщины) ледовых образований, высоты волн, скорости ветра и др. природно-климатических условиях. Эксплуатация осуществляется главным образом на незамерзающих акваториях до глубины 300 м.

При глубинах 25-30 м располагаются МНП преимущественно на искусственных островах и дамбах (до 5-10 м) эстакадах и других свайных сооружениях.

Надводная эксплуатация – это комплекс мероприятий по извлечению и транспорту нефти и газа стационарных платформ, оснований и приэстакадных площадок. Эксплуатация осуществляется наклонными и горизонтальными скважинами большой протяженности при этом устье скважины, оборудовано, обычном надводным способом

На глубине 25-30 м применяют стационарные платформы состоящих из металлической или железобетонной опорный части и палубы, на которой размещается промысловые оборудование. До глубины 60-80 м главным образом используются однофункциональные платформы с добывающими скважинами или технологическим оборудованием (для сбора и подготовки продукции), энергетическими объектами, жилыми помещениями и др.

Глубина больше 80 м – как правило, является многофункциональными, причем каждая платформа может являться самостоятельным нефтегазопро-мыслом. Количество платформ определяется объектом дренирования и обычно бывает от 2-4.

Особенность шельфовой эксплуатациивысокие затраты и недостаточность места для размещения оборудования. Эти ограничения привели к бурению горизонтальных скважин большой протяженности для увеличения площади дренирования нефтяного пласта.

Нефтяные компании уже разработали технологию направленного бурения для достижения максимального охвата с каждой скважины Статойл, например, пробурил за последнее 7 километровую скважину, расходящуюся на 5 км вокруг платформы Статфьюрд вглубь пласта, расположенного под морским дном на глубине 3500 м.

Первая скважина с подводным расположением устья была про­бурена в 1943 г. на оз. Эри (США) на глубине 11,5 м. С тех пор этим методом закончено около 300 скважин в различных морских месторождениях мира: в Мексиканском заливе, у Тихоокеанского побережья США, у побережья Юго-Восточной Азии, в Северном море и т. д. За 1976—1980 гг. число скважин с подводным распо­ложением устья возросло с 217 до 283. В первой половине 1980г. намечалось оборудовать еще 66 скважин, для которых уже име­лось оборудование или оно было заказано.

Рис. 29- Комплекс подводной эксплуатации скважин.

Метод разработки морских нефтяных месторождений с подвод­ным расположением устьев скважины хотя и сложен, но обла­дает рядом преимуществ перед обычным способом надводного оборудования устьев.

Основным преимуществом этого метода является возможность ввода нефтяного месторождения в эксплуатацию очередями, что на практике ведет к ускоренному получению первой нефти. Про­бурить с бурового судна несколько скважин, оборудовать их устья соответствующей подводной арматурой и ввести в эксплуатацию можно значительно быстрее, чем устанавливать дорогостоящую стационарную платформу, бурить с нее наклонно-направленные скважины, и лишь после этого ввести месторождение в эксплуа­тацию. Кроме того, метод разработки месторождения с подвод­ным расположением устьев скважин дает возможность выявить некоторые геолого-физические характеристики месторождения и эксплуатационные параметры на более ранней стадии разработки.

Вследствие сравнительно низких капитальных затрат метод может быть применен для разработки месторождений с неболь­шими запасами нефти, эксплуатация которых с обычных стацио­нарных платформ является нерентабельной.

Преимуществом системы с подводным расположением устья является также защищенность всего оборудования, установлен­ного на дне, от внешних погодных условий. Известно, что надвод­ные стационарные платформы представляют значительную нави­гационную опасность, в то время как при установке оборудования под водой такая опасность практически отсутствует, устраняется также пожарная опасность.

Существенным недостаткомсистем с подводным расположе­нием устья является трудность доступа к устьевому оборудова­нию, особенно при расположении последнего на большой глубине и при необходимости частых ремонтов скважин. Кроме того, не­достатком считают необходимость использования труда опытных водолазов, умеющих работать на большой глубине.

Следует отметить, что ряд крупных зарубежных нефтяных фирм относится с известной осторожностью к методу разработки морских месторождений скважинами с подводным расположением устья, считая, что этот метод еще не вышел из опытной стадии или же что он применим только для отдельных изолированных сква­жин.

Под водой устьевое оборудование устанавливают на устьях отдельных вертикально пробуренных скважин или на устьях на­правленных скважин, пробуренных на ограниченной площади кустом.

Для управления устьевым оборудованием и манифольдными камерами применяются гидравлические или электрогидравличе­ские системы. Управление каждой задвижкой осуществляется ли­бо по отдельным линиям, идущим с обслуживающего судна, либо через единый распределительный блок.

Различают две системы подводной установки оборудования:

§ с открытым расположением оборудования устья под водой;

§ и с закры­тым оборудованием— «сухим» (атмосферным).

В системах открытого типа все устьевое оборудование нахо­дится под гидростатическим давлением, соответствующим глубине моря. В системах закрытого типа устьевое оборудование устанав­ливают в специальных погружных камерах, внутри которых со­храняется либо атмосферное, либо слегка повышенное давление. Системы с открытым расположением оборудования получили зна­чительно большее распространение, чем системы «сухого» типа. Монтаж, техническое обслуживание и ремонт оборудования от­крытых систем проводится манипуляторами или водолазами, а в закрытых системах — в атмосферных камерах, где опера­торы работают в обычной одежде. Арматура для установки на подводное устье скважины отличается от обычного как размерами, так и конструктивным решением.

Надежность подводной технологии

Проблема обеспечения надежности — одна из наиважнейших при применении подводной технологии, поскольку инспекция под­водного оборудования затруднена, а его обслуживание и (или) замена требует больших затрат. Кроме того, отказ подвод­ного оборудования непосредственно влияет на состояние окру­жающей среды. И, наконец, подводное оборудование должно обеспечивать непрерывность добычи и окупаемость капитальных вложений.

Чтобы свести к минимуму подводные операции, важно обеспе­чить извлекаемость компонентов подводного оборудования для инспекции, ремонта или замены. В этой связи необходимо за­ложить в подводные системы принцип частичного дублирования, который служил бы гарантией непрерывности добычи. Поэтому модульные системы должны проектироваться с включением стан­дартных компонентов, проходить надлежащие испытания и изго­тавливаться со строгим контролем качества.

Одним словом, для обеспечения надежности подводных систем следует сочетать творческую изобретательность с осторожным применением новых идей. Девизом должна быть простота, а целью — надежность, а не техническая элегантность решений.

Обслуживание подводного оборудования

Как говорилось выше, проблема обслуживания подводного оборудования тесно связана с обеспечением его надежности. Обслуживание подводных и любых других систем основывается на одних и тех же принципах. Использование модульных систем предполагает применение опробованных компонентов, что поз­воляет извлекать их и заменять новыми. Однако в любой системе имеются уникальные, предназначенные только для данного месторождения компоненты. Они не извлекаются и служат в течение всего периода разработки месторождения. Другие части системы могут оказаться неисправными и потребовать ремонта или замены. Здесь, в принципе, возможны два подхода. Первый подход — обеспечение высокой надежности этих компо­нентов подводной системы. Второй подход заключается в проектировании системы таким образом, чтобы в случае отказа одних компонентов их функции могли взять на себя другие компоненты. Необходимо также расширить доступ к подвод­ному оборудованию водолазов и манипуляторов для прове­дения обслуживания и ремонта. Характер обслуживания подвод­ных систем, наряду с результатами анализа их рентабельности, должен учитываться при решении вопроса о применении подводной технологии.

Обзор проектов подводной добычи проект «Закум»

Осуществление проекта подводной добычи «Закум» началось в августе 1969 г., когда была забурена скважина, и продолжалось до апреля 1972 г., когда подводная система была законсервирова­на и нефть из скважины с подводной устьевой арматурой начала поступать непосредственно на близлежащую платформу. За этот период были опробованы подводное эксплуатационное оборудова­ние различных видов и разные подводные операции (рис.30).Осуществление проекта имело целью:

1. Обеспечить добычу нефти с помощью подводных методов.

2. Накопить опыт применения подводного оборудования и под­водных методов нефтедо-бычи для дальнейшего их использования при разработке морских месторождений.

В рамках проекта были опробованы такие виды оборудования и такие операции, которые охватывают практически все аспекты подводной нефтедобычи. Помимо основного эксплуатационного оборудования (устьевая арматура, клапаны, выкидные линии и т. п.), в программу исследований входил целый ряд вспомога­тельных систем (сепараторы, источники электроэнергии, контрольно-измерительные приборы, водолазные системы и т. п.) и операций. Полный перечень оборудования и операций включал:

– устьевое оборудование;

– сепараторы нефти и газа;

– системы сброса газа;

– устройства для регулирования работы клапанов;

– контрольно-измерительные приборы и системы связи;

– источники электроэнергии и системы ее распределения?

– трубопроводы и манифольды;

– канатные работы;

– водолазные работы;

– вспомогательное судно.

Условия эксплуатации подводной системы «Закум» были дос­таточно благоприятными. Глубина воды не превышала 20 м, что позволило выполнять операции по установке и обслуживанию оборудования с привлечением водолазов. Кроме того, основная береговая база находилась недалеко от центра проводившихся работ (остров Дас), что также облегчало условия эксплуатации. Тем не менее, благодаря проекту «Закум» был накоплен значитель­ный опыт проведения подводных операций, который оказался по­лезным при больших глубинах и в более суровых условиях.

Осн.: 2. [78-87], 5. [ 443-446],

Доп.: 7. [964-970 ], [985-987 ]

Контрольные вопросы:

1. Что называют надводной эксплуатацией?

2. Основные преимущества подводной эксплуатаций.?

3. В чем заключается надежность подводного оборудования?

4. В чем суть осуществление проекта подводной добычи «Закум»?

5. Проблема обслуживания подводного оборудования.

Разработка морских месторождений требует применения стратегии, отличной от разработки наземных месторождений. Основное отличие заключается в числе скважин и их моделях.

При морских разработках на платформах должны быть размещены скважины, оборудование для добычи, вспомогательные системы и жилые помещения для персонала. Во многих случаях, подводные скважины могут использоваться в качестве альтернативы или как дополнение к платформенным скважинам. Следует также учиты­вать наличие многофазного потока, даже, если перерабатываю­щий центр (платформа или терминал) расположены на достаточно большом расстоянии.

По мере увеличения веса верхних строений, будет значительно увеличиваться и стоимость опорных блоков платформы. Поэтому важно уменьшить объем расположенного на ней оборудования. Это имеет существенное значение на всех фазах разработки про­екта. Любое увеличение количества перерабатывающего оборудо­вания на платформе также приведет к увеличению персонала, количества инструментов и ремонта оборудования. Далее должна быть составлена схема разработки месторождения, основанная на модели дренирования и определении требуемого типа продукции.

На фазе оценки возможности осуществления проек­та рассматривают различные сценарии разработки, а оптимальная схема разработки месторождения получает детальное завершение на фазе формулирования концепции проекта.

Типичные сценарии технических схем разработки месторожде­ния включают:

1. устьевые платформы, обрабатывающие платформы жилые платформы;

2. интегрированные эксплуатационные платформы;

3. плавучие эксплуатационные системы;

4. подводные эксплуатационные системы.

Кроме этого, должна быть рассмотрена система транспортировки, включающая:

– газоконденсатные экспортные трубопроводы;

– экспортные нефтепроводы;

– систему хранения нефти в сочетании с ее морской погрузкой.

До внедрения вторичных и третичных методов увеличения нефте-отдачи добыча нефти осуществлялась за счет проявления естествен­ной энергии пласта и насыщающих его флюидов.

Естественный(или как его еще называют, первичный) режим притока жидко­стей и газа к скважине может осуществляться посредством:

— действия сил упругости (так называемый упругий и упруго-водо­напорный режимы фильтрации);

— выделения и расширения, первоначально растворенного в нефти газа (режим растворенного газа);

— расширения газа в газонасыщенной части пласта (режим газовой шапки);

— действия сил тяжести (гравитационный режим);

— переуплотнения пород-коллекторов при частичной потере проч­ности скелетом породы под воздействием чрезмерно возросших эффективных напряжений на породу-коллектор.

Упругий режим проявляется наиболее полно на начальной стадии эк­сплуатации месторождения. При упругом режиме фильтрации движе­ние нефти из пласта к скважине обусловлено сжимаемостью нефти и воды, насыщающих продуктивный пласт, приводящей к увеличе­нию их объема при снижении пластового давления, и упругой де­формацией породы, снижающей объем перового пространства. При проявлении чисто упругого режима нефтеотдача пласта обычно не превышает 1—2%.

Наличие большой по протяженности водонасыщенной зоны вок­руг нефтяного пласта способствует переходу упругого режима в режим упруго-водонапорный, при котором используются упругие свойства законтурной воды (т.е. воды, находящейся за внешним контуром нефтеносности) и водоносного пласта. Этот режим в свою очередь может переходить в жестко-водонапорный режим, при котором объем отбираемой из скважин продукции (нефти, воды и газа) компенсируется притоком воды из законтурной зоны пласта. Пластовое давление в залежи при этом поддерживается на постоянном уровне, обеспечивая тем самым эффективную добычу нефти. Упруго- и жестко-водонапорный режимы фильтрации по­зволяют отобрать от 35 до 75% нефти, первоначально содержа­щейся в пласте.

При падении пластового давления ниже давления насыщения на­чинается процесс выделения из нефти газа, первоначально ра­створенного в ней. При дальнейшем снижении давления пузырьки газа расширяются и вытесняют нефть из порового пространства. Этот процесс получил название режима растворенного газа в свя­зи с тем, что в большой степени именно первоначально раство­ренный в нефти газ обеспечивает движение нефти к скважинам и ее добычу. Режим растворенного газа имеет более длительный эф­фект в стратифицированных пластах или в пластах с низкой про­ницаемостью в вертикальном направлении, предотвращающей от­носительно быструю сегрегацию газа, вызванную различием в плот­ностях нефти и газа. В некоторых случаях «всплывание» газа может приводить к образованию так называемой вторичной газовой шап­ки. Как правило, режим растворенного газа является одним из наименее эффективных режимов фильтрации и позволяет добыть от 5 до 25% находящейся в пласте нефти.

При наличии в залежи газовой шапки (т.е. скопления газа над нефтенасыщенной частью пласта) добыча нефти осуществляется в основном за счет режима газовой шапки или газонапорного режи­ма. Высокая сжимаемость газа и значительный объем газонасы­щенной части пласта обеспечивают продолжительную и эффек­тивную добычу: до 40% находящейся в пласте нефти может быть добыто при проявлении газонапорного режима.

В нефтеносных залежах большой мощности и крутопадающих не­фтяных пластах значительная часть запасов нефти может быть ото­брана за счет проявления гравитационных сил. В отдельных случаях гравитационный режим фильтрации позволяет достичь чрезвычайно высоких технологических показателей добычи.

Процесс переуплотнения пород-коллекторов может возникнуть при добыче нефти или газа на режиме истощения в случаях, когда эффективные напряжения на породу (т.е. разница между горным давлением и противодействующим ему пластовым давлением) ста­новятся значительными (и могут даже превысить предел прочности породы) и приводят к ее переуплотнению или даже частичному разрушению. Это, в свою очередь, может иметь следствием посте­пенное или внезапное сокращение перового объема пласта или залежи. В первом случае подобное сокращение перового простран­ства может сопровождаться оседанием поверхности Земли (место­рождение Уилмингтон в Калифорнии, участок М-6 в Венесуэле). В случае разработки месторождений шельфа проседание дна при­водит к увеличению глубины моря, особенно ощутимой в эпи­центре месторождения, и, как следствие, к погружению морской платформы (месторождение Экофиск на норвежском континен­тальном шельфе). При резком сокращении порового пространства разработка залежи может сопровождаться подземными толчками небольшой силы, напоминающими слабые землетрясения. Значи­тельные землетрясения могут возникать при нарушении геодина­мической обстановки в районе месторождения, вызванном его раз­работкой (Ромашкинское месторождение в Татарии, Старогроз­ненское — в районе г. Баку, небольшие месторождения в районе Ферганской долины в Средней Азии). К наиболее крупным земле­трясениям, инициированным разработкой месторождения, специ­алисты относят землетрясение 1974 г., имевшее место в районе газового месторождения Газли в Узбекистане.

Как правило, разработка месторождений природных углеводородов происходит при одновременном проявлении нескольких режимов фильтрации. При этом для правильного описания процесса добычи и оценки конечных показателей разработки важно выделить один или несколько основных режимов фильтрации.

На рис.33показа­но, как изменяется пластовое давление и газовый фактор (ГФ) при проявлении того или иного режима фильтрации.

С целью достижения более высоких показателей разработки (боль­шая экономическая эффективность, большая нефтеотдача, менее продолжительная эксплуатация и т.п.) используются вторичные и третичныеметоды добычи нефти, или, как их еще называют, методы увеличения нефтеотдачи (МУН). Как правило, МУН осно­вываются на закачке в пласт рабочих агентов, в качестве которых могут служить вода с добавками различных активных веществ, как, например, загустители воды (полимеры), поверхностно-ак­тивные вещества (ПАВ), а также воздух, углеводородные раство­рители, пластовый газ и другие агенты. Различие между вторич­ными и третичными методами заключается во времени их исполь­зования: вторичные методы начинают применять с самого начала разработки или по прошествии короткого промежутка времени, в то время как третичные методы обычно начинают использовать, когда значительная часть запасов нефти уже добыта.

Использование вторичных и третичных методов добычи преследу­ет достижение следующих целей:

§ поддержания пластового давления. При закачке в пласт доста­точных объемов воды или газа пластовое давление может под­держиваться на уровне, необходимом для достижения высоких показателей разработки (например, на уровне, несколько пре­вышающем давление насыщения нефти газом);

§ более высокой степени вытеснения нефти. Некоторые из аген­тов, подаваемых в пласт (растворители, ПАВ и др.), приводят к уменьшению остаточной нефтенасыщенности и способствуют тем самым повышению степени вытеснения нефти;

§ увеличения степени охвата пласта процессом вытеснения нефти. Такие технологии, как, например, закачка полимерного ра­створа, попеременная закачка воды и газа, закачка пен, подача в пласт тепла (закачка горячей воды или пара) или же внутрипластовая генерация тепла (внутрипластовое горение) имеют своей целью улучшение соотношения подвижности фильтрую­щихся в пласте нефти и воды или же нефти и газа* и, как след­ствие, увеличение охвата пласта процессом вытеснения.

Традиционно используемые методы добычи обычно позволяют до­быть не более 45% от первоначальных запасов нефти в пласте. Таким образом, большая часть запасов оказывается неизвлеченной. Величина неизвлеченных запасов зависит от сложности геологи­ческого строения месторождения, его местоположения, стратегии его разработки и используемых методов добычи и в значительной степени определяется экономикой или уровнем рентабельности до­бычи. Целью применения методов увеличения нефтеотдачи явля­ется, вообще говоря, увеличение объема извлекаемых запасов, которые могут быть экономически выгодно добыты по сравнению с традиционными методами за счет увеличения охвата пласта про­цессом вытеснения нефти и/или за счет повышения степени вы­теснения нефти из пласта.

Существуют различные классификации и многочисленные определе­ния технологий и методов добычи. Это в особенности справедливо для методов увеличения нефтеотдачи.

Термин МУН используется в отношении технологий до­бычи, позволяющих повысить извлекаемые запасы по сравнению с традиционно используемыми на данный момент времени технологиями нефтеизвлечения.

Характерными чертами МУН являются закачка в пласт агентов, отличных от традиционно используемых воды и углеводородного газа, и необходимость проведения опытно-промышленных работ.

Методы увеличения нефтеотдачи включают (но не ограничивают­ся) следующие технологии нефтеизвлечения:

· попеременную или чередующуюся закачку воды и газа;

· физико-химические МУН (закачка полимеров, поверхностно-активных веществ, гелей, пен и т.п.);

· закачку газов, отличных от углеводородных (например, угле­кислого газа, азота, дымовых газов и т.п.);

· микробиологические методы увеличения нефтеотдачи;

· термические методы увеличения нефтеотдачи.

Обычно используемые методы усовершенствованной нефтеотдачи включают в себя, но не ограничиваются следующими технологиями:

— закачка воды или газа;

— дополнительное разбуривание залежи;

— бурение горизонтальных скважин для добычи нефти из тонких пропластков или же «карманов» пласта с неизвлеченной неф­тью;

— бурение скважин большой протяженности для добычи нефти из удаленных частей пласта (эта технология обычно используется при разработке шельфовых месторождений или в условиях, при которых обустройство новой буровой площадки сопряжено с неоправданно большими затратами времени и средств);

— усовершенствование системы сбора и подготовки нефти, воды и газа;

— снижение устьевого давления в добывающих скважинах;

— использование лучшей стратегии заканчивания скважин.

Как следует из определения МУН, объектами применения методов увеличения нефтеотдачи являются запасы нефти, остающиеся в пласте после применения первич­ных и вторичных методов добычи; так называемые трудно извлекаемые запасы нефти (тяжелая и вязкая нефть, пласты с низкой проницаемостью, залежи со сложным геологическим строением и т.д.).

В обоих случаях объектами применения МУН являются запасы неф­ти, которые могут быть извлечены экономически выгодно. Это означает, что объем нефти, добытой с помощью МУН, зависит от определенных условий, таких как экономические условия, поли­тическая ситуация, уровень технологии и т.п., и не представляет собой неизменную величину, как, например, начальные геологи­ческие запасы нефти.

Очевидно, что наилучшим вариантом разработки нефтяного мес­торождения является вариант, позволяющий отобрать максималь­ный объем нефти из пласта минимальным числом скважин за кратчайший период времени.

Газовая залежь

В случае запечатанной (т.е. изолированной от других пород-коллекто­ров) залежи газа скважины следует располагать равномерно по пло­щади с использованием той или иной системы расстановки. Выбор интервала перфорации в этом случае не оказывает существенного влияния на показатели разработки (рис. 34а).

В случае, когда газовая залежь подстилается подошвенной водой, рекомендуется интервал перфорации располагать как можно дальше от начального положения ВНК, т.е. в верхней части разреза (рис. 34 б).

Нефтяная залежь

В случае нефтяной залежи с подошвенной водой расположение сква­жин должно учитывать форму залежи и водонефтяного контакта. Такое расположение скважин часто называют батарейным. Число та­ких батарей и количество скважин в каждой из них зависит от вели­чины запасов месторождения. При этом в средней части залежи обыч­но следует располагать так называемый разрезающий ряд добываю­щих (или нагнетательных) скважин (рис. 35 а).

В случае запечатанной нефтяной залежи с высоким углом падения пластов, добывающие скважины обычно располагаются в нижней ча­сти структуры по равномерной трех- или четырехточечной сетке с предпочтительно низким интервалом перфорации (рис.35б).

Такое расположение скважин обеспечивает благоприятные условия эксплу­атации в силу следующих причин:

1. при снижении пластового давления ниже давления насыщения газ, первоначально растворенный в нефти, выделяется из не­фти преимущественно в призабойной зоне скважин и в выше­лежащих частях залежи, создавая тем самым более или менее благоприятные условия добычи в условиях режима растворен­ного газа;

1. гравитационные силы при таком расположении скважин помо­гают вязкостным силам и увеличивают приток нефти к сква­жинам, в то время как газ, в силу проявления тех же вязкост­ных сил, движется вверх по восстанию пластов. В некоторых случаях такой процесс добычи приводит к образованию вто­ричной газовой шапки.

Осн.: 5. [146-161]

Контрольные вопросы:

1.За счет чего осуществляется добыча нефти ло внедрения вторичных и третичных методов?

2. Какие режимы пласта вы знаете?

3. Из-за чего происходит переход упругого режима пласта в упруго-водонапорный?

4.Что происходит при падении пластового давления ниже давления насыщения?

5. На чем основываются МУН?

6. Что такое коэффициент охвата?

Если подъем жидкости или смеси с забоя на дневную поверхность происходит только за счет природной энергии W_П (W_И=0), то такой способ будем называть естественно-фонтанным. Если давле­ние на устье скважины больше давления насыщения (Р_у > Р_нас), то свободный газ в подъемнике отсутствует, а жидкость поднимается на поверхность только под действием собственной потенциальной энергии. Такой способ эксплуатации называется артезианским фонтанированием либо подъемом жидкости за счет гидростатического напора пласта. Следует заметить, что в настоящее время этот спо­соб имеет ограниченное распространение.

Если подъем продукции скважины на дневную поверхность про­исходит либо за счет природной и искусственной энергии, либо только за счет искусственной энергии, то такой способ эксплу­атации называется механизированным.

Рис. 38-Классификация различных энергетических источников подъема

продукции скважин и способов эксплуатации.

Механизированный спо­соб эксплуатации может осуществляться в двух вариантах:

1. Искусственная энергия вводится в добываемую продукцию цент­рализованно, а распределение ее между добывающими скважи­нами происходит непосредственно в залежи. Такой способ ввода энергии в залежь и ее распределение осуществляются при ис­пользовании методов поддержания пластового давления.

Если при этом каждая конкретная добывающая скважина оборудована только колонной насосно-компрессорных труб (отсутствуют механичес­кие приспособления для подъема продукции скважины), указан­ный способ будем называть искусственно-фонтанным. Искусст­венно-фонтанный способ эксплуатации добывающих скважин получил довольно широкое распространение, особенно в России.

2. Искусственная энергия вводится непосредственно в каждую конк­ретную добывающую скважину с помощью какого-либо механи­ческого, электрического или гидравлического устройства. Ввод искусственной энергии в скважину осуществляется различными способами: компримированным газом (воздухом) или специальными глубинными насосами. При первом способе ввода энергии в сква­жину мы имеем дело с компрессорным (газлифтным) способом эксплуатации, при втором — с глубиннонасосным способом.

Особое место занимают некоторые способы эксплуатации добываю­щих скважин, осуществляемые за счет использования природной энергии жидкости и газа с применением специального подземного (внутрискважинного) оборудования, не являющегося источником энер­гии. К ним относятся:

а) эксплуатация скважин бескомпрессорным (внутрискважинным) газлифтом, теоретические основы подъема продукции при ко­торой аналогичны таковым при фонтанно-компрессорной экс­плуатации. Разница заключается в том, что для подъема про­дукции используется газ высокого давления, отбираемый из газоносных пропластков в данной скважине либо из отдельной газовой залежи. В этом случае отпадает необходимость использо­вания компрессоров;

б) эксплуатация скважин плунжерным лифтом, при которой подъем продукции, происходит за счет природной энергии выделяюще­гося из нефти газа с применением специальных плунжеров. Таким образом, в общем, виде схему используемых энергетических источников для подъема продукции скважин (а, следовательно, и способов эксплуатации) можно представить, как показано на рис. 38.Совершенно очевидно, что представленная схема не претендует на абсолютную полноту, а должна рассматриваться только в качестве классификационной.

Способ эксплуатации скважин, при котором подъем жидкости на поверхность происходит под действием пластовой энергии, называется фонтанным.

Фонтанирование скважин происходит в том случае, если пе­репад давления между пластовым и забойным будет достаточ­ным для преодоления противодавления столба жидкости и по­терь давления на трение, т. е. фонтанирование происходит под действием гидростатического давления жидкости или энергии расширяющегося газа. Большинство скважин фонтанирует за счет энергии газа и гидростатического напора одновременно.

Газ, находящийся в нефти, обладает подъемной силой, которая проявляется в форме давления на нефть. Чем больше газа раство­рено в нефти, тем меньше будет плотность смеси и тем выше под­нимается уровень жидкости. Достигнув устья, жидкость пере­ливается, и скважина начинает фонтанировать.

При фонтанной эксплуатации подъем газонефтяной смеси от забоя до устья скважины осуществляется по колонне насосно-компрессорных труб, которые спускают в скважину перед освое­нием. Необходимость их спуска вызвана рациональным исполь­зованием энергии газа, улучшением выноса песка, уменьшением потерь на скольжение газа и возможностью сохранить фонтаниро­вание при меньших пластовых давлениях.

На устье скважины монтируют фонтанную арматуру, которая представляет собой соединение различных тройников, крестови­ков и запорных устройств. Эта арматура предназначена для подвешивания насосно-компрессорных труб, герметизации затрубного пространства между трубами и обсадной колонной, контроля и регулирования работы фонтанной скважины.

Фонтанные арматуры изготовляют крестового и тройникового типов (рис.39) Состоит она из трубной головки и фонтанной елки. Трубная головка предназначается для подвески насосно-компрессорных труб и герметизации затрубного пространства между ними и эксплуатационной колонной.

Фонтанная елка служит для направления продукции сква­жины в выкидные линии, а также для регулирования и контроля работы скважины. Фонтанная елка имеет две или три выкидные линии. Одна из них запасная. В тройниковой арматуре нижняя выкидная линия — запасная. На рабочей линии (верхней) за­порное устройство всегда должно быть открыто, а на запасной — закрыто.

Стволовые запорные устройства должны быть откры­тыми. Запорное устройство, расположенное внизу ствола фонтан­ной арматуры, называется главным. В тройниковой арматуре выкидные линии направлены в одну сторону. При выборе типа фонтанной арматуры следует учитывать, что крестовины быстрее разъедаются песком, чем тройники.

В соответствии с ГОСТ 13846—74 фонтанные арматуры должны выпускаться на рабочее давление 70, 140, 210, 350, 700 и 1000 кгс/см².

Запорные устройства на фонтанных арматурах могут быть двух типов: в виде задвижки или крана. Тип арматуры выбирают по максимальному давлению, ожидаемому на устье скважины.

На выкидных линиях после запорных устройств в некоторых случаях устанавливают приспособления (штуцеры) для регули­рования режима фонтанной скважины. Штуцер представляет собой болванку со сквозным отверстием.

Для контроля за работой фонтанной скважины на арматуре устанавливают два манометра: один — на буфере (верх ее), второй — на отводе крестовика трубной головки (для измерения затрубного давления).

Фонтанная арматура соединяется с групповыми установками выкидными линиями. Схемы обвязок фонтанных скважин в за­висимости от дебита, давления, содержания песка, парафина применяют различные.

Газлитный способ эксплуатации

На рис.40редставлена принципиальная схема газлифтной сква­жины. Сущность процесса подъема продукции скважин при газ­лифтной эксплуатации заключается во введении в подъемник компримированного газа в объеме V_г.

Физической сущностью газлифтной эксплуатации является сни­жение плотности образующейся при закачке газа в подъемник га­зожидкостной смеси до такой величины, чтобы давление на при­еме Р_пр оказалось достаточным для преодоления всех сопротивле­ний в подъемнике.

Этот способ эксплуатации, являясь достаточно простым с техни­ческой и технологической точек зрения, в определенных условиях может оказаться экономически неэффективным. Для его реализа­ции необходимы, как правило, посторонний источник газа и стро­ительство дорогостоящих компрессорных станций, системы подго­товки газа и его распределения по добывающим скважинам.

Газлифтная эксплуатация характеризуетсясравнительно невысо­ким коэффициентом полезного действия, и, кроме того, удель­ный расход газа на подъем единицы продукции из скважины уве­личивается (иногда существенно) при обводнении скважины. При определенной обводненности продукции удельный расход газа и низкий коэффициент полезного действия могут стать причинами экономически нерентабельной эксплуатации.

Эти установки относятся к классу бесштанговых, что делает их более привлекательными.

Во-первых, они предназначены для экс­плуатации средне- и высокодебитных скважин с достаточно боль­шим диапазоном высоты подъема продукции. Во-вторых, привод глубинного насоса осуществляется электродвигателем, расположен­ным в скважине.

Питание двигателя осуществляется по силовому электрическому кабелю. Схема установки представлена на рис.41.

Установка состоит из погружного агрегата, включающего погружной электродвигатель (ПЭД) 1, протектор 2, многоступенчатый центробежный насос 3, спускаемого в скважину на колонне насосно-компрессорных труб 4. Электрический силовой кабель 5 закрепляется на трубах с помощью хомутов 6. Герметизация кабеля в устьевой арматуре осуществляется специальным сальником 7.

Наземное оборудование включает в себя кабельный барабан 8, трансформатор 9 и станцию управления 10. При необходимости установка комплектуется преобразователем частоты тока, позво­ляющим регулировать параметры погружного агрегата в широком диапазоне. Как погружной электродвигатель, так и погружной цен­тробежный насос отличаются от обычных и характеризуются не­большим диаметром и значительной длиной.

Характеристики погружного центробежного насоса показаны на рис.42.

Каждый типоразмер погружного насоса предназначен для добычи из скважины определенного количества жидкости, равно­го оптимальной подаче насоса , соответствующей максималь­ному значению КПД —. Это условие требует выпуска про­мышленностью огромного количества типоразмеров погружных насосов, что экономически является нерентабельным.

С целью расширения области работы каждою типоразмера насоса допускается его работа в определенном диапазоне по подаче (от Q₁ до Q₂) и напору (от H₁ до H₂ ), который определяется следующим образом ( :

. (1)

Указанный диапазон на рис. 42 заштрихован.

На работу погружного центробежного насоса определенное влия­ние оказывает свободный газ, выделяющийся из нефти при сни­жении давления ниже давления насыщения, что приводит к изме­нению характеристик погружного центробежного насоса, как это показано на рис. 42.

Изменение характеристик зависит от объемного расходного газо­содержания на входе в насос _. Как видно из рис. 42 увеличение резко снижает подачу, напор и КПД насоса, т.е. оказывает отрицательное воздействие на эффективность работы погружного цен центробежного насоса. С целью защиты погружного центробежного насоса от вредного влияния свободного газа на приеме насоса устанавливается специ­альное устройство — насосный газосепаратор.

В настоящее время наиболее эффективным является газосепаратор МН-ГСЛ, выпус­каемый в России и отвечающий мировому уровню. Рассмотренные установки обладают существенными преимущества­ми перед штанговыми насосными установками, главными из ко­торых являются:

• более высокий КПД установки;
• высокая степень автоматизации установки
• высокая надежность работы при низких температурах воздуха
• достаточно широкая область применения, как по дебиту, так и по высоте подъема;
• компактность наземного оборудования.

; ;

Как показали результаты широкомасштабного и длительного при­менения УЭЦН в России, этими установками могут эксплуатироваться скважины с вязкостью продукции в несколько десятков (а в отдельных случаях и несколько сотен) мПа·с.

Добыча нефти в России этими установками превышает 60% об­щей добычи.Установки ЭЦН являются наиболее подходящим техническим средством для эксплуатации скважин на Арктическом шельфе.

Установки винтовых насосов

Эти установки, известные как установки с насосом типа MOINEAU, представляют значительный интерес для эксплуата­ции скважин на шельфе.

Глубинный винтовой насос (рис.44 состоит из ротора (рис.44а) в виде простой спирали (винта) с шагом и статора (рис. 44 б) в виде двойной спирали с шагом , в два раза превышающим шаг ротора.

На рис. 44 в показана часть насоса в сборе. Основными параметрами винтового насоса являют­ся: диаметр ротора D, длина шага статора и эксцентриситет е. Полости, сформированные между ротором и статором, разделены. При вращении ротора эти полости «перемещаются» как по радиу­су, так и по оси. «Перемещение» полостей приводит к проталкива­нию жидкости снизу вверх, поэтому иногда этот насос называют насосом с перемещающейся полостью.

Обычно винтовой ротор выполняется из высокопрочной стали с хромированным или иным покрытием против истирания. Статор изготавливается из пластического материала и располагается в кор­пусе. К материалу для статора предъявляются достаточно жесткие требования. Приводы для данного насоса могут быть глубинными (погружной электродвигатель)или поверхност-ными. При использовании погружного электродвигателя агрегат спускается в скважину на насосно-компрессорных трубах, а питание к электродвигателю под­водится по специальному кабелю (аналогично, как в УЭЦН).

В случае использования наземного привода вращение ротору насо­са передается через колонну штанг. В качестве приводного двигате­ля служит электродвигатель, но могут использоваться и другие двигатели.

Обычно используются электродвигатели с фиксирован­ной скоростью либо с изменяющейся. В качестве вариатора скоро­сти применяют частотный преобразователь тока.

Двигатели с фиксированной скоростью используют в скважинах с хорошей продуктивностью и небольшими динамическими уров­нями, в других случаях — предпочтительнее двигатели с изменя­ющейся скоростью.

Установки винтовых насосов имеют широкий диапазон по пара­метрам: подача от 20 до 240 м³/сут, напор до 2000 м и предназна­чены для эксплуатации скважин с осложненными условиями:

— вязкость нефти — до 20 Па·с,

— повышенное содержание механических примесей (до 1%)

— повышенное содержание свободного газа,

— большие отклонения скважины от вертикали (до 70%).

Кроме того, установки винтовых насосов характеризуются низки­ми капитальными вложениями, являются малогабаритными, име­ют низкий уровень шума и достаточно высокий КПД. Эти уста­новки являются хорошим средством добычи нефти на морских платформах.

Новые средства добычи нефти

Одним из новых и перспективных для нефтепромысловой практики видов оборудования являются установки струйного насоса (СН). Струйные аппараты нашли широкое применение в самых различных отраслях промышленности, что связано с простотой их конст­рукции, отсутствием движущихся частей, высокой надежностью и возможностью работать в очень сложных условиях: при высоком содержании механических примесей и свободного газа, в условиях повышенных температур, высокой вязкости нефти, агрессивности инжектируемой продукции и т.д.

В настоящее время основной прирост добычи нефти во многих странах идет за счет районов, характеризующихся сложными природно-климатическими условиями. Совершенно естественно, что при этом существенно повышаются требования к надежности погружного оборудования для эксплуатации добывающих скважин, к увеличению его межремонтного периода. Кроме того, погружное оборудование должно работать в области повышенных температур, в условиях откачки жидкостей с высоким содержанием свободно­го газа, а зачастую и механических примесей, откачивать из сква­жины вязкую и сверхвязкую жидкость. Использовать в этих усло­виях существующее, широко известное, оборудование не всегда представляется возможным.

Для эксплуатации отдаленных месторождений, где отсутствуют до­роги, линии электропередач и возможности бескомпрессорного газ­лифта, успешно применяются струйные установки. В этом случае приводом силовых наземных насосов служат газовые двигатели, работающие на попутном газе, поступающем из эксплуатируемых скважин.

В настоящее время учеными и специалистами России и США со­зданы различные компоновки струйных насосов: с погружным силовым приводом и с поверхностным, когда силовой насос уста­навливается на поверхности.

Поверхностное оборудование струйных установок выпускается как для одной скважины (индивидуальный привод), так и для группы скважин (групповой привод) и содержит, как правило, блок си­ловых насосов, емкость для рабочей жидкости и гидроциклонный аппарат для очистки рабочей жидкости от механических примесей. Сепарация газа из добываемой жидкости происходит либо в спе­циальной емкости (установка «Econodraulic» фирмы «Dresser Industries»), либо в емкости, совмещающей функции газосепара­тора и хранилища рабочей жидкости (фирма «Tricodraulic»). В пос­леднем случае в компоновку поверхностного оборудования входит подпорный насос, который осуществляет рециркуляцию очищен­ной рабочей жидкости через гидроциклон.

Погружное оборудование содержит стационарный или вставной струйный насос, однорядную колонну труб с пакером или двух­рядный лифт (с параллельной или концентричной подвеской труб). Устье скважины оборудуется 4-ходовым краном, позволяющим менять схему циркуляции рабочей жидкости в скважине при спус­ке или подъеме вставного струйного насоса.

Схема и принцип действия струйного насоса

Строго говоря, струйный насос не является насосом в обычном понимании, так как он не создает избыточного напора на выходе. В струйном насосе происходит двойное преобразование гидравлической энергии: сначала потенциальная энергия рабочей жидкости преобразуется в кинетическую энергию, за счет чего, в поток рабо­чей жидкости, подмешивав ген инжектируемый поток. Смешанный поток (рабочий и инжектируемый), проходя через камеру смеше­ния, поступает в диффузор, где происходит преобразование кине­тической энергии смешанного потока в потенциальную энергию.

Принципиальная схема струйного насоса представлена на рис.45Насос состоит из следующих основных элементов:канала подвода рабочего агента 1, активного сопла 2, канала подвода инжектируемой жидкости 3 (в области сопла этот канал часто на­зывают приемной камерой), камеры смешения 4 и диффузора 5.

Принцип работы струйного насоса заключается в следующем: ра­бочий агент при значительной потенциальной энергии подводится к соплу, где происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую. Струя рабочего агента, вытекающая из сопла, по­нижает давление в приемной камере, вследствие чего часть ин­жектируемой жидкости (продукция скважины) смешивается со струей рабочего агента и поступает в камеру смешения.

В камере смешения рабочий агент и инжектируемая жидкость перемешива­ются, выравниваются их скорости и давления, и смешанный поток поступает в диффузор. В диффузоре происходит плав-ное снижение кинетической энергии смешанного потока и рост его потенциальной энергии. На выходе из диффузора смешанный поток обладает потенциальной энергией, достаточной для подъема на поверхность. Несмотря на достаточно известный и понятный принцип работы этого насоса, расчет его основных элементов является чрезвычай­но сложным, что связано со сложностью продукции скважины (инжектируемого потока). К настоящему времени преодолены прак­тически все трудности проектирования таких насосов, и они начи­нают широко использоваться при эксплуатации скважин с ослож­ненными условиями.

Осн.: 1. [93-151], 5. 185-208],

Контрольные вопросы:

1. Какие способы эксплуатации существуют на шельфе?

2. В каких вариантах осуществляется механизированный способ добычи?

3. На чем основывается работа струйного насоса?

4. За счет чего происходит подъем добычи углеводородов при фонтанном способе добычи?

5. Принцип работы тандемной установки.

6. В каких случаях применяют винтовые насосы?

7. В чем преимущества использование погружного центробежного насоса по сравнению с штанговыми насосами?

Лекция № 15. Строительство морских трубопроводов.

Развитие добычи нефти и газа на многих морях привело к необходимости строительства подводных морских трубопроводов различного назначения.

Первые подводные трубопроводы на Каспий начали прокладывать с конца 40-х и начала 1950 годов. Незначительное удаление нефтепромысловых акваторий Каспия от берега, небольшие глубины моря и потребность в трубопроводах малого диаметра предопределили технику и технологию строительства трубопроводов .

Первые трубопроводы диаметром 63-114мм прокладывали методом протаскивания по дну моря с помощью буровой лебедки.

В дальнейшем стали применять метод укладки трубопровода с плавучих средств, с киржима. Последний из указанных методов применяют и в настоящее время для прокладки внутрипромысловых трубопроводов.

Начало строительства подводных магистральных трубопроводов связано с открытием газового месторождения Южное в 60-х годах. Для транспортирования газа с этого месторождения на сушу потребовалось строительство магистрального газопровода в условиях открытого моря. Удаленность района добычи газа от берега обусловила разработку новой технологией строительства трубопроводов, по которой заготовка километровых плетей, их антикоррозионная изоляция, балластировка, оснастка транспортными понтонами производятся на береговой монтажно-сварочной площадке. При благоприятной погоде километровые плети с монтажной площадки сбрасывают в море и на плаву транспортируют в район стройтельства, где вместе с понтонами затапливают по трассе (метод свободного погружения). Отдельные плети трубопровода стыкуют на 40-тонном крановом судне, специально оборудованном для этой цели.

Для транспортировки плетей на плаву институт «Гипроморнефтегаз» разработал специальные понтоны с замковым устройством для автоматического отсоединения понтонов от трубопровода с поверхности воды без участия водолазов.

К настоящему времени по указанной технологии построены сотни километров подводных трубопроводов диаметром до 500 мм на глубинах моря до 30 м.

Практика показала, что укладка подводных трубопроводов методом свободного погружения успешно может быть применена при их строительстве буксировкой плетей на расстояние до 50- 60 км при волнении моря до двух баллов включительно.

По трубопроводным системам различных морских сооружений транспортируются десятки рабочих сред, необходимых для нормаль­ной эксплуатации этих сооружений и всевозможного оборудования В качестве материалов для изготовления трубопроводов в зависимо­сти от вида транспортируемых рабочих сред и их разрушающей ак­тивности применяют углеродистые и нержавеющие стали, чугун, медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы, титан, стеклопластик и поли­этилен и другие материалы. Кроме труб трубопроводные системы включают различные трубопроводные элементы, судовую арматуру, приводы, механизмы, аппараты, цистерны, резервуары, приборы, сред­ства автоматики и другое оборудование.

В гражданском строительстве трубопроводные системы принято классифицировать по роду перекачиваемой рабочей среды и в зави­симости от этого различают водопроводы, нефтепроводы, газопрово­ды, аммиакопроводы и т. п.

После извлечения продукта из земли, он должен транспортироваться с моря на берег. Одновременно с монтажом добывающего оборудования, трубоукладочные баржи и бригады занимаются укладкой трубопровода для транспортировки нефти и газа от платформы до места назначения. (рис 48.

Длина этих барж может доходить до 150 метров, а укладываемые ими трубы – до 1525 мм в диаметре. Трубы обычно поставляются длиной 12 метров, и могут быть покрыты бетоном для утяжеления. Трубы привариваются друг к другу вдоль линии сборки, проходящей по длине баржи. Вдоль этой линии расположен ряд сварочных постов, где работают высококвалифи­цированные сварщики на высокоэффективных сварочных машинах.

По мере перемещения каждой следующей трубы на сварочный участок, она становится частью трубопровода, который проходит через корму баржи ко дну моря, и, наконец, ктерминалу, находящемуся на расстоянии в несколько сотен миль. Со сварочного участка трубопровод перемещается на участок рентгеноскопии, где каждый новый сварной шов проверяется на наличие дефектов в соединении. Если дефектов не обнаружено, сварной шов покрывается антикоррозийной изоляцией.

По мере увеличения длины трубопровода баржа переме­шается вперед, каждый раз на несколько метров. После каждого перемещения баржи новый участок трубопровода, приваренный, подвергнутый рентгеноскопии и заизолированный, спускается с кормы в воду, вниз по наклонной площадке, называемой стингером. Стингер поддерживает трубу до некоторого расстояния под водой и направляет ее под небольшим углом на морское дно.

По мере движения трубоукладочной баржи, она тянет за собой плуг, который роет траншею на морском дне. Трубопровод укладываетсяв траншею, где он будет защищен от повреждения путем естественной замывки или засыпки. Морские течения перемещают песок, вырывае­мый плугом, обратно в тран­шею, покрывая трубопровод.

В процессе укладки труб водолазы постоянно инспектиру­ют стингер и трубопровод. Они следят за отсутствием препят­ствий на морском дне, правильной укладкой трубопровода и надлежащим положением стингера.

Затем, после заверше­ния прокладки трубопровода к платформе, водолазы подсое­диняют его к стояку, участку трубопровода, который поднимается с морского дна к палубе и крепится к конструкции.

До эксплуатации трубо­провода он должен быть спрессован и проверен на плотность. Аналогично, все оборудование на палубе, трубопровод и проводка, клапаны и переключатели, насосы и системы, извлекаю­щие сырую нефть из земли, очищающие ее и проталкива­ющие ее в сторону берега, должны быть многократно испытаны, чтобы убедиться в безотказной работе и отсутствии опасности для человека или окружающей среды.

Позже укладка глубоководных трубопроводов была выполнена по новой технологии, сущность которой заключается в том, что для регулирования напряжения в трубопроводе в процессе его погружения на дно моря были применены разгружающие понтоны взамен направляющего устройства- стингера. Это позволило значительно уменьшить изгиб трубопровода и тем самым обеспечить безаварийную его укладку в жестких гидрометеорологических условиях.

Трубопроводы могут быть проложены в различные места. Одни ведут к морским сборочным станциям, где нефть и газ подвергаются дальнейшему разделению, направляются обратно в трубопровод и к берегу для дополнительной переработки.

Другие трубопроводы заканчиваются на берегу в больших нефтебазах, где жидкие углеводороды хранятся для последующего распределения по нефтеперерабатывающим заводам. Углеводороды могут транспор­тироваться по подземному трубопроводу прямо на нефтеперерабатывающий завод, или к морскому терминалу для погрузки на танкеры, напра­вляющиеся в другие части света.

Несколько танкеров могут загружаться и разгружаться с многопричального терминала, или один танкер может загружаться и разгружаться в системе с заякориванием буя.

Многопричальные терминалы находятся в зонах, укрытых от суровой погоды. Они погружают или разгружают нефтепродукты с помощью гигантских стрел, спроектированных с целью компенсации перемещения судна, вызванного приливами и отливами или меняющейся нагрузкой.

При системе с заякориванием буя танкер соединяется шлангами крупного диаметра с шарнирным соединением. Свободное перемещение соединения обеспечивает возможность загрузки нефти независимо от перемещения судна вследствие течений и волн.

С танкеров или береговых нефтебаз, сырая нефть и природный газ поступают на береговой завод, где они перерабатываются в продукты для нефтяной, газовой и химической промышленности. На этих заводах углеводороды становятся ингредиентами для многочисленных продуктов, с которыми мы ежедневно сопри­касаемся. Они превращаются в бензин и моторное масло, в синтетические ткани и пластмассы, в асфальт и другие промышленные продукты, и в топливо для промышленности и наших домов.