Вступление

В лекционном курсе обобщен опыт проектирования, строительства и эксплуатации морских трубопроводов, а также возможности переработки продукции скважин в условиях морских месторождений. Рассмотрены и проанализированы существующие на различных исторических этапах методы и технологии проектирования, строительства и эксплуатации морских трубопроводов. Изложены принципы использования подводных трубопроводов на морских месторождениях в различных климатических зонах с учетом специфических условий регионов. Данный лекционный курс основывается на материале, изложенном в книге «Морская нефть. Трубопроводный транспорт и переработка продукции скважин», выпущенной в 2006 г под ред. А. М. Шаммазова, где наиболее полно проанализированы все вопросы, составляющие основу курса.

Раздел 1. Особенности проектирования и прокладки морских трубопроводов

1. Специфика транспортировки морской нефти

Более чем столетний опыт показал, что промышленная добыча нефти в море является высокоэффективной. Кроме континентального шельфа, перспективна на нефть и природный газ вся зона континентального склона, занимающая значительную территорию. Современный уровень развития техники, разведки и разработки морских месторождений в глубоководных зонах мирового океана (3000 м и более) сделал возможным осуществление добычи нефти и газа практически во всех морях и океанах. С ростом объемов разработки нефтяных и газовых месторождений на морских акваториях расширяются работы по обустройству нефтегазовых промыслов и строительству подводных трубопроводов, обеспечивающих доставку продукции скважин на береговые сооружения. Эффективность транспортирования нефти и газа по подводным трубопроводам по сравнению с используемыми для этих целей танкерами достигается за счет отсутствия влияния на эксплуатацию подводных трубопроводов погодных условий, возможности дистанционного управления, малой вероятности загрязнения окружающей среды, возможности непрерывного транспортирования нефти и газа, а также использования трубопроводов для хранения перекачиваемой продукции скважин.

Включение в разработку и внедрение новых технологий морской нефтедобычи с учетом специфики омывающих морей и океанов невозможно без учета более чем векового опыта добычи нефти на шельфовых и морских месторождениях различных стран. По этой причине весьма актуальным является проведение анализа становления морской нефтедобычи в мире, выявление основных направлений развития технологий и технических средств на всех временных этапах и определение дальнейших направлений развития морской нефтедобычи.

Специфические особенности проектирования и сооружения трубопроводов связаны с их назначением, географическим местоположением района укладки, береговыми условиями и характеристикой морского дна, силой морских течений, режима судоходства и т. п. Исходя из этих условий выбираются диаметр, толщина стенки трубопровода и сорт стали, используемой при изготовлении труб. Так же, как и во всем мире, предпочтение отдается трубопроводному транспорту, но, с учетом того, что все нефтегазоносные морские месторождения находятся в замерзающих морях, необходимо формирование нового направления в проектировании и строительстве трубопроводов. В начале XXI в. начинают появляться монографии, посвященные проектированию морских трубопроводов [3, 7, 14], в которых произведен анализ особенностей проектирования морских трубопроводов, рассмотренных как с технологической, так и с экологической точек зрения.

Отдельным вопросом является рассмотрение возможностей переработки продукции скважин непосредственно на морских месторождениях в тех случаях, когда их транспортировка по трубопроводам затруднена.

Подводные трубопроводы как новая отрасль трубопроводного транспорта появилась в юнце сороковых годов XX в., когда началась добыча нефти в Мексиканском заливе. На первых этапах укладка подводных трубопроводов проводилась на мелководных участках. При этом применялись известные технологии строительства трубопроводов на подводных переходах. Так, прокладка первых трубопроводов на Каспийском море осуществлялась способом последовательного наращивания с киржима (несамоходной спаренной баржи) (рис. 1) и путем протаскивания трубопровода по дну моря (рис. 2).

Практика показала, что укладка трубопровода с киржима могла осуществляться при волнении моря до двух баллов. В 1953-1954 гг. таким способом с материка на остров Жилой по трассе с глубинами до 10 м был проложен трубопровод из насосно-компрессорных труб диаметром 114,3x7 мм, протяженностью 22 км. В 1963 г. с морского месторождения Южная на материк был проложен трубопровод из обсадных труб диаметром 168x9 мм, протяженностью 17,5 км, с максимальными глубинами по трассе до 11 м.

Прокладка трубопровода с киржима отличалась низкой производительностью и невысоким качеством соединения труб. Тем не менее на протяжении 16-18 лет сооружение подводных трубопроводов диаметром до 150 мм в морском нефтепромысловом строительстве осуществлялось из труб нефтяного сортамента и производилось с киржимов. Подводные переходы из труб большого диаметра и значительной протяженностью сооружались способом свободного погружения со сваркой межсекционных стыков в надводном положении. В зависимости от плавучести трубопровода отдельные плети буксировались на поплавках или без них. В 1954 г. с о.Артема на материк был проложен трубопровод диаметром 325x10 мм, протяженностью 5,5 км.

Рисунок 1 — Схема прокладки трубопровода путем протягивания: 1 — морское основание; 2 — лебедка; 3 — направляющий ролик; 4 — канат; 5 — плот; 6 — сигнальный щит; А — подготовительные работы закончены, сигнальный щит в положении «стоп»; Б — протягивание первой секции, сигнальный щит в рабочем положении; В — стыковка секции; Г — конец протягивания трубопровода

К 1980 г. во всем мире эксплуатировалась около 5000 км подводных трубопроводов. Основными районами сооружения подводных трубопроводов являлись Северное море, Мексиканский залив, залив Кука, Японское море, а также акватории США, Австралии, Канады. Глубина укладки трубопроводов превысила 300 м, строительство морских нефте- и газопроводов на больших глубинах вызвало необходимость создания специальной техники, в первую очередь для укладки трубопроводов. Был разработан ряд трубоукладочных барж, которые в процессе использования постоянно модернизировались. В основу критериев проектных решений новых трубоукладочных барж были положены: сокращение сроков строительства трубопроводов, возможность укладки трубопроводов на больших глубинах, эксплуатация в трудных условиях северных морей, расширение работ по освоению морских месторождений, рост глубин бурения, усложнение климатических условий, связанное с перемещением на север, - все эти обстоятельства заставили искать новые технические решения, связанные как с конструктивными особенностями буровых платформ, средств транспорта и обустройства месторождений, так и со свойствами применяемых материалов. В странах, разрабатывающих морские месторождения, становятся обязательными нормы и правила на проектирование объектов морских месторождений. Разрабатываются такие нормы и для подводных трубопроводов. Некоторые из них будут рассмотрены ниже.

1.2 Правила проектирования и прокладки морских трубопроводов, принятые в мире

В настоящее время существует целый ряд актуальных вопросов проектирования трубопроводов, требующих своего решения. Это прежде всего выбор оптимального расположения конструкции трубопровода под водой по различным критериям:

- безопасность эксплуатации, экологии, стоимость конструкции, технологичность и т.п.;

- выбор материала труб, защитного покрытия и электрохимической защиты;

продольная и поперечная устойчивость конструкции с учетом воздействия подводных течений;

- обеспечение целостности и проходного сечения;

- защита от коррозии и эрозии; сварка и неразрушающий контроль в процессе монтажа;

- диагностика и мониторинг;

- технологические режимы перекачки нефти, природного газа и газового конденсата при высоком внутреннем давлении;

- прочность и устойчивость первоначальной формы равновесия цилиндрических оболочек трубопроводов и другие технологические и экологические аспекты.

Некоторые вопросы достаточно сложны для формулировки простых инженерных методик или просто отсутствуют как в отечественных литературных источниках, так и в зарубежных. Типичным примером этого является расчет напряженно-деформированного состояния оболочки трубопровода в процессе укладки на большие глубины.

Многие технические решения не имеют строгого научного обоснования и нуждаются в проведении специальных теоретических и экспериментальных исследований.

Однако даже очень хорошо изученные вопросы (например, расчет толщины стенки трубопровода на действие внутреннего давления) нельзя считать окончательно решенными. Нормы разных стран [1] предусматривают применение различных значений одних и тех же коэффициентов (коэффициентов надежности и безопасности) в аналогичных расчетных моделях. Связано это с различными подходами к оценке оптимального уровня безопасности, качеством производства строительных работ, особенностями эксплуатации и стоимостными показателями. Эта проблема встает наиболее остро, если появляется необходимость или возможность выбора тех или иных иностранных норм проектирования по причине отсутствия национальных нормативных документов, как это было при проектировании морского участка газопровода Россия - Турция по проекту «Голубой поток» [2]. ТЭО строительства данного газопровода было выполнено на основе норвежских «Правил для морских трубопроводных систем» 1981 [3]. Впоследствии (в 1996г.) вышла новая редакция Правил [4], которая легла в основу базового и детального проектирования морского участка газопровода.

Особенностью данных Правил является их относительная «мягкость» по сравнению, например, с российскими строительными нормами и правилами (СНиП). Многие требования и положения, в том числе и ключевые, носят не обязательный, а рекомендательный характер.

Отход от нормативных методов проектирования накладывает на проектировщика дополнительную ответственность за правильность принятого решения и вызывает необходимость в проведении специальных исследований для определения реальных уровней надежности, безопасности, долговечности и других параметров этих ответственных инженерных сооружений.

В настоящее время существуют необходимые предпосылки для эффективного управления временными, материальными, трудовыми и финансовыми затратами по проектам, а также их качеством, что требует координации во времени и пространстве проектных технико-экономических параметров.

Нормы и правила прокладки трубопроводов

Наиболее полные нормы и правила разработаны для трубопроводов, прокладываемых в Северном море, Мексиканском заливе, на побережьях Японии и Австралии [3]. Это связано с тем, что наибольшее число морских трубопроводов проложено в Северном море и Мексиканском заливе, где и выполнялись основные работы по заглублению трубопроводов.

В США сооружение трубопроводов на морском шельфе регламентируется министерствами транспорта и внутренних дел. Отдельные стандарты разрабатываются нефтяным институтом (API) и институтом стандартов (ANSI). Изданы специальные требования по заглублению подводных трубопроводов в Мексиканском заливе.

Код федеральных правил (43-CFR 2883) регламентирует выбор трассы трубопроводов и воздействия окружающей среды. Правила и стандарты геологической службы США включают технические требования на проектирование, строительство и эксплуатацию. Согласно коду 43-CFR 2883, «трубопровод должен быть заглублен в морское дно не менее чем на 0,9 м на участке от уреза воды до глубины 60 м. Отступление от этого требования подлежит обязательному согласованию. Все задвижки и подключения, установленные на любой глубине, должны быть заглублены не менее чем на 0,3 м».

Требования геологической службы США по отношению к собирающим трубопроводам на месторождениях в Мексиканском заливе заключаются в следующем: «не требуется заглубления в грунт при строительстве трубопроводов диаметром 220 мм и менее в районах, где трубы будут погружаться в грунт под действием собственной массы. Газовая или нефтяная инспекция может потребовать выполнения траления или водолазного обследования, если способность трубопровода к самопогружению вызывает сомнения или предполагается возможность соприкосновения трубопровода с тралом. Трубопроводы диаметром 220 мм и более должны быть заглублены в дно не менее чем на 0,9 м на участке от уреза воды до глубин 60 м, если только эти трубопроводы не расположены на специально выделенном участке и в непосредственной близости от платформы. Задвижки и клапаны представляют серьезную опасность для тралов и должны быть на любой глубине защищены слоем грунта толщиной не менее 0,3 м».

В постановлении 9 геологической службы США рассматриваются правила приема трубопроводов, построенных на тихоокеанском побережье. В этом документе отсутствуют специальные требования по заглублению трубопроводов, которые следует принимать в каждом отдельном случае в зависимости от местных условий.

Фактически все трубопроводы, проложенные в Мексиканском заливе, заглублены на участке от берега до глубин 60 м. Исключение составляют только трубопроводы малого диаметра. Некоторые трубопроводы около платформ также заглублены в дно для защиты от якорей швартующихся судов.

В Северном море строительство трубопроводов осуществляется по правилам, разработанным в Великобритании, Норвегии и Нидерландах. Основные правила, регламентирующие строительство морских трубопроводов в Великобритании, разработаны министерством энергетики. Требования о заглублении трубопроводов содержатся в Правилах на строительство нефтепроводов 1974 г. и строительство подводных трубопроводов 1979 г. В этих правилах указываются требования по толщине засыпки над трубопроводом в зависимости от деформации дна, провисающих участков и размывов. Рассматриваются также условия засыпки трубопроводов и их обследование.

В Норвегии требования о заглублении морских трубопроводов разработаны министерством нефти и приведены в Королевском декрете 1976 г. Требования направлены на защиту трубопроводов от повреждения рыболовными тралами и на защиту последних от проложенных трубопроводов. В дополнение к этим требованиям Норвежским Веритасом разработаны «Правила на проектирование, строительство и инспекцию подводных трубопроводов и стояков». В части заглубления трубопроводов правила указывают, что трубопровод должен быть уложен на основание или заглублен в дно таким образом, чтобы было обеспечено его неизменное положение. Другие специальные указания по заглублению морских трубопроводов в этих правилах отсутствуют.

Правила разработки континентального шельфа Нидерландов до 1982 г. требовали, чтобы высота грунта над подводными магистральными трубопроводами составляла 2 м, а над внутрипромысловыми подводными трубопроводами 1 м [33].

Заинтересованные компании, совместно известные как «Нидерландская ассоциация по разведке и добыче нефти и газа», оценили эти требования и потребовали сопоставить правила укладки с анализом вероятности повреждения трубопроводов с точки зрения как безопасной эксплуатации, так и экономики строительства. На основании этих требований были пересмотрены правила укладки трубопроводов. В результате сопоставления вероятности повреждения линии, морфологии морского дна и других факторов в правилах при определенных условиях допустимая высота была снижена до 0,2 м. Проектирование ряда трубопроводов согласно новым руководящим указаниям позволило упростить требования по выбору трасс, укладке и дало значительную экономию средств.

Порядок проектирования подводных трубопроводов показан на рис. 2 [33].

Рисунок 2 - Блок-схема проектирования трубопровода: 1 — изучение морских условий; 2 — правила и нормы; 3 — исходные данные проектирования; 4 — экономические показатели трубопровода; 5 —строительство и монтаж; 6 — технологические режимы; 7 — технологическая схема; 8 — вертикальная планировка; 9 — трассировка; 10 — контроль за строительством; 11 — обслуживание; 12 — характер окружающей среды; 13 —опасности; 14 —анализ деятельности человека; 15 — анализ степени риска; 16 —вероятности; 17 — риск; 18 — ущерб; 19 — ущерб окружающей среде; 20 — ущерб технологическим операциям; 21 — критерии риска; 22 — корректировка проекта; 23 — требования по укладке; 24 — выбор слоя грунта над трубой (1 или 2 м); 25 — слой грунта над трубой толщиной 0,2 м; 26 — естественное заглубление; 27 — размыв: 28 — копка траншеи; 29 — опорожнение; 30 — естественная засыпка; 31 — искусственная засыпка

1.3 Этапы проектирования

Проектирование может быть разбито на последовательные этапы:

- предварительное проектирование трубопровода с учетом всех технологических требований и минимальной стоимости;

- рассмотрение опасных воздействий, которым может подвергнуться проектируемое сооружение;

- анализ вероятности повреждения трубопровода в сопоставлении с возможным ущербом, включая загрязнение окружающей среды;

- пересмотр предварительного проекта, если соответствующие решения по укладке окажутся недостаточными;

- определение требований по укладке и способов укладки, отвечающих конечным результатам анализа повреждений, проведенного по специальным критериям;

изучение возможности самопроизвольного заглубления трубы, если требуемый слой грунта не менее 0,2 м;

- анализ естественной засыпки в случае, если потребуется рытье траншеи.

Фирма «Protec International», начиная с 1981 г., разработала описанным способом проекты шести подводных трубопроводов, отвечающие существующим правительственным критериям: четыре газопровода диаметрами 350, 450, 500 и 600 мм, а в 1984-1985 гг. были построены газопровод и нефтепровод диаметром 300 мм.

При строительстве первых трубопроводов в Северном море в конце 60-х годов существовали жесткие требования к величине заглубления трубопроводов (толщина засыпки 3,0 м), укладываемых в местах возможных стоянок и перемещения якорей. Однако вскоре стало ясно, что такое заглубление трубопроводов невозможно с использованием существующего оборудования. Исследованиями условий защиты подводного газопровода, запроектированного от месторождения Брент к побережью Шотландии, установлено, что достаточная степень его защиты от судовых якорей и рыболовных тралов достигается при увеличенной толщине прочного бетонного покрытия.

Подводный газопровод диаметром 910 мм на трассе Экофикс - Эмден был запроектирован с заглублением в дно для защиты от гидродинамического давления и предупреждения образования оголенных и провисающих участков. Длина морского участка около 435 км с максимальной глубиной 78,0 м. Часть трассы газопровода пересекала датский сектор Северного моря, и правительственные органы потребовали устранения провисающих участков трубопровода, которые остались после выполнения трубозаглубительных работ. Поэтому компании «Philips Petroleum» пришлось выполнить большой объем работ по засыпке отдельных провисающих участков грунтом и по защите других участков трубопровода мешками с песком. Засыпка выполнялась с судна, на которое загружался грунт, разрабатываемый на берегу. Судно с грунтом устанавливалось над провисающим участком трубопровода. Грунт подавался в бункер и далее по трубе, конец которой находился в непосредственной близости от засыпаемого трубопровода. Точное навигационное оборудование использовалось для контроля за поступлением грунта на заданный участок. Затраты на устройство траншеи под уложенным трубопроводом составили в среднем 500 тыс. дол. на 1 милю, затраты на укладку мешков с песком — 2,5 млн дол., засыпку грунтом — 3 млн дол. на 1 милю.

В Японии в 1974 году был опубликован доклад по безопасным условиям развития морских нефтегазовых месторождений, в котором содержатся рекомендации по проектированию, строительству и инспектированию трубопроводов, прокладываемых на побережье Японии. На основании имеющегося опыта необходимо надежное заглубление трубопроводов, прокладываемых в районах рыболовства.

Во всех действующих правилах и нормах требование о заглублении трубопровода преследуют цель уменьшения опасности его повреждения, а также повреждения других объектов. Анализ опыта строительства указывает, что иногда правительственные организации допускали снижение требований по заглублению трубопровода при условии достаточных обоснований надежности трубопровода, уложенного без заглубления или с уменьшенной величиной заглубления в дно. Пример этому - газопровод от месторождения Брент в Северном море. Установлено, что на значительном протяжении трассы увеличенная толщина бетонного покрытия служит достаточной защитой от рыболовных тралов и исключает необходимость заглубления трубопровода.

Вероятность контакта судового якоря с трубопроводом значительно снижается при таком заглублении, однако возможность такого контакта сохраняется. Законодательные организации согласились на уменьшение заглубления трубопровода при условии обязательной засыпки подводной траншеи в том случае, если не происходит ее заполнение наносами.

Во многих случаях требования по заглублению морских трубопроводов рассматриваются законодательными организациями в каждом отдельном случае. Решение принимается на основании детального рассмотрения возможных воздействий на трубопровод, которые могут вызвать его повреждение. При этом учитывается, в какой степени заглубление трубопровода должно уменьшить опасность его повреждения.