книги / Морская нефть. Развитие технических средств для освоения морских арктических месторождений нефти и газа. Переработка продукции скважин

консалтантс» и «Вэсэтайл пасифик шипбилдерс» совместно разработали и реализовали проект новой платформы, предназначенной для разработки морских нефтегазовых месторождений в северных покрытых льдами морях, которую можно устанавливать на донный грунт с любыми прочностными характеристиками.

По сообщению компаний-разработчиков, новая платформа ADAPS (сис­ тема для бурения и эксплуатации месторождений в арктических условиях) была способна выполнять функции как стационарного эксплуатационного комплекса, так и мобильной буровой установки, смонтированных на донных грунтах с практически любыми прочностными характеристиками. Проект платформы мог быть привязан к конкретным условиям эксплуатации либо путем изменения площади ее фундамента, либо путем применения патенто­ ванной системы заякоривания, включающей до 104 специальных анкерных устройств. Платформа предназначалась для установки в море Бофорта на глубине 27 м. Считалось, что подобные платформы могут быть использованы в этом районе в водах глубиной до 90 м.

ADAPS представляет собой платформу на коническом, расширенном книзу сплошном основании с натяжной системой заякоривания. Платфор­ ма может быть спроектирована как эксплуатационный комплекс или как платформа для поисково-разведочного бурения. На рис. 1.113 показаны две модификации платформы ADAPS: с анкерными устройствами и без них. На платформе было установлено оборудование, обеспечивающее поисково-раз­ ведочное (с помощью предварительно устанавливаемой донной плиты или без нее) и эксплуатационное бурение.

Наружная, воспринимающая ледовые нагрузки стенка конического осно­ вания платформы выполнялась из стали и бетона, что позволяло использовать менее прочную сталь (плотностью до 144 кг/м3). Более того, в конструкции стенки использовался легкий бетон, не требующий арматуры и дополнитель­ ного напряжения.

Все срезывающие или сдвигающие нагрузки передавались на внутренние конструктивные элементы конического основания через соединительные (которые работают на срез) детали, приваренные к внешней и внутренней стальным поверхностям комбинированной стенки и обеспечивающие сов­ местную работу стали и бетона,

Вертикальные переборки и горизонтальные перекрытия передают эти нагрузки к центру основания и вниз, на опорную поверхность. Концы анкер­ ных устройств закреплены внутри конического основания вблизи от центра приложения ледовых нагрузок, что обеспечивает эффективный баланс сил без возникновения значительного эксцентриситета. Конструкция платформы была детально рассчитана на компьютере «Sesam 80» с помощью метода ко­

Устройства достигают грунтов, расположенных под донными осадками. Там их цементируют, а затем напрягают. Конструкция анкерной системы сходна

сконструкцией первых платформ типа TLP, имеющих наклонные натяжные опоры, которые предотвращали колебательные и толчкообразные движения сооружения, а также его смещение.

Каждое анкерное устройство представляет собой обсадную или буриль­ ную трубу (длина более 30 м, диаметр 255 мм) из стали, предел текучести которой 13,8*103 кН. Для заглубления анкерных устройств в дно исполь­ зовали четыре установки наклонного бурения. Бурение выполнялось через предусмотренные в конструкции конического основания специальные шлю­ зы в настилах восьми площадок, на каждой из которых можно разместить 13 анкерных устройств. Таким образом, общее их число составляло 104.

Бурильная труба (анкерное устройство) с долотом заделывалась в обыч­ ный или мерзлый донный грунт с помощью цементного раствора, подаваемого

спомощью основного бурового оборудования с буровой палубы. Считалось, что для установки одного анкерного устройства на максимальную глубину 90 м в зависимости от прочностных характеристик грунта требуется около двух дней, т.е. общее время установки всех анкеров (при одновременной работе четырех буровых установок) составляло 52 дня.

Диаметр скважины под 255-миллиметровое анкерное устройство равен 405 мм. Если анкерное устройство заглубляется в вечную мерзлоту, то при минимальной прочности связи (316 Па) между грунтом и цементом устройст­ во необходимо зацементировать на участке длиной 75 м. Прочность связи между цементом и песчаными или вязкими глинистыми грунтами выше, что позволяет сократить длину анкерного устройства.

Отсоединение анкерных устройств выполнялось очень быстро, парал­ лельно с консервированием продуктивных скважин. Анкерное устройство обрезали ниже уровня морского дна с помощью внутрискважинных фрез, приводимых в действие от четырех наклонных буровых установок. За 10 дней отсоединяли все анкерные устройства, после чего осуществляли дебалласти­ ровку платформы; она всплывала и отводилась в другое место.

Существовало несколько модификаций платформы ADAPS, которые отли­ чались деталями конструкции, внешним видом и предназначались для разных условий эксплуатации. Рассмотрим также платформу ADAPS Р90.2, разра­ ботанную для эксплуатации газонефтяных месторождений в море Бофорта при глубине воды 27 м. Над центральной шахтой размещены две буровые установки, для каждой из которых предусмотрено несколько отверстий для бурения скважин.

Основные размеры платформы ADAPS Р90.2 показаны на рис. 1.113,

ав табл. 1.6 приведены данные о весе ее главных составляющих элементов.

Модификации платформы ADAPS, предназначенные для поисково-разведоч­ ного бурения на аналогичных глубинах, намного легче и меньше по размерам. Считалось, что можно создать платформу такого типа для бурения в море Бофорта в водах глубиной 90 м. Осадка платформы ADAPS Р90.2 с полным грузом материалов и оборудования, необходимого для бурения восьми сква­ жин глубиной 4500 м каждая, составляла 9 м.

Таблица 1.6 — Вес оборудования и конструктивных элементов платформы ADAPS Р90.2

		Вес элементов оборудования, 103 кН
Элементы платформы		при	во время буксировки	в рабочем
		монтаже	к месту работ	положении
	Стальные конструкции	88,9	88,9	88,9
	Буровое оборудование	42,7	311,7	311,7
Надводный	Эксплуатационное	46,5	51,9
блок	оборудование			78,7
	Жилые помещения	13,4	17,3	17,3
	Итого	191,5	469,8	496,6
	Стальные конструкции	539,9	539,8	539,8
	Бетон	295,8	295,8	295,8
	Балласт	2642,2	-	2815,7
	Оборудование для
Основание	установки анкерных
	устройств	69,4	124,3	96,6
	Прочее оборудование	2,7	7,6	9,4
	Расходуемые материалы	-	49,6	49,6
	Итого	3549,9	1017,1	3806,9
	Всего	3741,4	1486,9	4303,5

На платформе монтировались две буровые установки типа «Арктик Аляс­ ка риг № 5», хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации в условиях Арктики. Эти совершенно одинаковые установки были полностью автоном­ ны, работали независимо друг от друга и только электроэнергия подавалась к ним из общего источника — от центральных генераторов платформы. На случай аварийной ситуации предусматривался резервный генератор для обес­ печения буровых работ. На платформе ADAPS Р90.2 можно было разместить запасы материалов, необходимые для непрерывной работы в течение года без дополнительных поставок. За этот срок возможно пробурить восемь скважин глубиной 4500 м.

Особенности размещения бурового оборудования на платформе ADAPS Р90.2 заключались в следующем:

—обеспечивалось перекрестное подключение оборудования к источникам энергии для повышения надежности энергоснабжения;

—размещение оборудования осуществлялось в зимних помещениях, нижние два яруса которых предназначались для подготовки бурового раствора, установки буровых насосов и другого вспомогательного оборудования. На третьем ярусе находился склад сложенных в штабеля труб, перемещение которых к буровой установке выполнял телескопический транспортер, помещенный в укрытии, что позволяло работать при любых погодных условиях;

—расположение склада сыпучих материалов и нескольких резервуаров осуществлялось на верхнем ярусе эксплуатационной палубы, прямо под буровой палубой. Благодаря этому все материалы могли подаваться не­ посредственно к расположенному выше оборудованию для подготовки бурового раствора.

Ремонт скважин можно было выполнять с борта как эксплуатационной, так и специализированной (если это экономически оправдано) платформ. В последнем случае перед началом ремонтных работ следовало отбуксиро­ вать в сторону завершившую бурение эксплуатационную платформу.

Действительный вес платформы в рабочем положении	103 кН
Общий вес платформы в рабочем положении.	4303,5
Максимальное номинальное вертикальное усилие
в анкерных устройствах.	814,0
Максимальный эффективный вес платформы	5117,5
Выталкивающая сила .	2998,1
Действительный вес платформы
в погруженном состоянии.	2119,4

На платформе ADAPS Р90.2 размещено два комплекта эксплуатационного оборудования, рассчитанного на общую суточную добычу 19 тыс. м3 нефти и 1,7 млн м3 газа, который будет полностью закачиваться обратно. Оборудова­ ние платформы могло также обеспечить нагнетание в пласт до 29 тыс. м3/сут воды. Платформа с персоналом (200 чел.) на борту была способна работать в автономном режиме в течение 12 мес.

Эксплуатационное оборудование располагалось на эксплуатационной палубе, находящейся на расстоянии 51 м от морского дна. Вспомогатель­ ные системы, пункты управления, мастерские и склады также находились на этой палубе. Все оборудование размещалось по групповой схеме, чтобы

сократить протяженность трубопроводной обвязки и снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций и несчастных случаев. Потенциально опасные и безопасные помещения разделялись воздушными шлюзами так, чтобы в последних постоянно поддерживалось необходимое избыточное дав­ ление. Предусматривались различные системы безопасности как активного, так и пассивного типа. Особенное внимание было уделено системе аварийной эвакуации платформы с места работ.

Расстояние от верхнего яруса эксплуатационной палубы до морского дна 61м. Если не считать трех входных и выходных блоков системы HVAC, этот ярус был полностью занят под хранение необходимых для бурения материа­ лов. С верхнего яруса эксплуатационной палубы по лестницам или с помощью подъемников можно было попасть на буровую палубу и в жилые помещения. Лифт, соединяющий жилые помещения и верхний ярус эксплуатационной палубы, опускался и на ее основной, нижний ярус.

Ледовая нагрузка — фактор, который необходимо учитывать в первую очередь при проектировании конструкций для арктических морей, особенно моря Бофорта. Боковые силы, действующие на платформу в результате дрей­ фа льдов, очень велики, поэтому сооружение, предназначенное для буровых или эксплуатационных работ, должно обладать значительной прочностью. Необходимо так же, чтобы основание подобной конструкции не допускало ее сдвига или опрокидывания.

Существовало много платформ, разработанных для ведения операций в покрытых льдами морях. Основания большинства из них имели сплошной фундамент, часто с юбками и устройствами различного рода, предотвращаю­ щими сдвиг платформы с места. В других конструкциях предусматривались основания конической формы, обеспечивающие раскалывание наползающих на них льдов. Некоторые конструкции сочетали обе упомянутые особенности.

Для связанных грунтов сопротивление сдвигу, которое может развить опи­ рающаяся на дно конструкция, в первую очередь зависит от площади фунда­ мента и сопротивления грунта срезу Си в условиях отсутствия дренажа. В мо­ ре Бофорта очень много районов, дно которых сложено слабыми осадочными грунтами. Для предотвращения сдвига конструкция на таких грунтах должна иметь очень большую величину.

Обычно величина Сц возрастает с увеличением глубины. На глубине 3 м она иногда вдвое, а на глубине 9 м втрое больше, чем на поверхности дна. Принцип действия юбок и устройств, предотвращающих сдвиг конструкции, основан на использовании более высокого сопротивления срезу глубинных слоев донного грунта.

Платформа ADAPS имела коническое основание, покоящееся на сплош­ ном фундаменте. Ее конструкция могла быть изменена в соответствии

с прочностными характеристиками донного грунта; при этом возможно использование анкерной системы (рис. 1.114, 1.115). Применение анкерной системы экономически оправдано только для очень мягких грунтов. Целесо­ образно использовать эту систему лишь для платформ поисково-разведочного бурения. При проектировании стационарных эксплуатационных комплексов следует учитывать возможность искусственного упрочнения (подготовки) слабых донных грунтов перед установкой комплекса на дно.

Рисунок 1.114 — Нагрузки, действующие на платформу A D A P S с анкерной системой (А)

и без нее (Б):

1 — вес платформы; 2 — сдвигающая ледовая нагрузка; 3 — сопротивление донного грунта сдвигу; 4 и 5 — соответственно высокие и низкие растягивающие напряжения в анкерных устройствах; 6 — донные грунты глубокого заложения с повышенными прочностными характеристиками на сдвиг (срез)

Стоимость анкерной системы составляла 21 млн дол. Эти затраты срав­ нимы с затратами на строительство платформы с увеличенной площадью фундамента, способной обеспечить необходимое сопротивление сдвигу на связных грунтах. Анкерная система платформы ADAPS Р90.2 развивала сопротивление сдвигающим силам, равным 2,27 105 кН. В грунтах, харак­ теризующихся Сц=52,7 Па, такое сопротивление сдвигу может обеспечить фундамент площадью 9475 м2. Это требовало увеличения диаметра опорной поверхности со 135 до 169 м. Если строить платформу в Канаде, то допол­ нительные затраты на увеличение площади фундамента должны были втрое превысить стоимость анкерной системы (рис. 1.116).

Рисунок 1.115 — Зависимость между площадью фундамента платформы

и сопротивлением сдвигу:

1 — без анкерной системы, прочность грунта на срез равна 105,4 Па; 2 и 3 — с анкерной системой, прочность грунта на срез равна 52,7 Па;4 — ледовая нагрузка в водах глубиной 27 м

Рисунок 1.116 — Стоимость платформы ADAPS в зависимости от диаметра фундамента:

1 — при наличии анкерной системы; 2 — без анкерной системы; 3 — стоимость платформы с анкерной системой и фундаментом, диаметр которого равен 129 м

Платформа ADAPS конкурентоспособна как с анкерной системой, так и без нее. Однако анкерная система позволяла устанавливать ее на более сла­ бые грунты, чем допускалось для платформ других конструкций без подобной системы, но с такими же габаритами.

При проектировании платформы ADAPS Р90. 2 использовали метод пре­ дельных напряжений. В результате расчета ледовой нагрузки были получены

следующие параметры.
Сила давления наползающего
на платформу дрейфующего льда, МН.	. 580
Сдвигающая платформу сила, МН .	. 890
Сила, при которой в ледовом торосе образуется
первая трещина, МН.	. 62
Сила, при которой образуются двойные
изостатические трещины вдоль гряды торосов, МН	. 236
Максимальная расчетная сила,
раскалывающая лед, МН	. 450
Коэффициент перегрузки .	1,3

Проект платформы ADAPS Р90.2 являлся совместной разработкой ряда компаний. Компания «Весэтайл пасифик шипбилдез» из Ванкувера провела детальный анализ затрат на изготовление платформы в Канаде. Компания «Мицуи» выполнила аналогичное исследование для строительства платфор­ мы в Японии. С самого начала проект платформы разрабатывался на основе объединения сил и средств крупной эксплуатационной компании, имеющей большой опыт в освоении морских месторождений, крупной специализиро­ ванной на бурении подрядной фирмы, также имеющей опыт работ в аркти­ ческих морях; консультационной компании и передовой судостроительной верфи. Практически все стальные конструкции были запроектированы для изготовления из листового металла.

На случай строительства платформы в Канаде компания «Весэтайл паси­ фик шипбилдез» разработала следующую очередность монтажа. Сначала из 16 сегментов собирался нижний пояс конического основания (фундамент). Масса каждого сегмента, полностью подготовленного к сборке на берегу, достигала 150 т. Сегменты заданных размеров с подготовленными к сварке кромками поставлялись с завода. Их поднимали береговым краном и собира­ ли на пяти плавучих баржах.

Затем с помощью плавучего крана на собранный нижний пояс основания, по-прежнему покоящийся на баржах, устанавливали блочные секции средне­ го пояса массой до 800 т каждая. После этого баржи затапливали и удаляли из зоны монтажа, а два собранных пояса основания опускали в воду. На них

с помощью мощного плавучего крана монтировали последний верхний пояс основания.

Элементы надводного (палубного) блока собирали на трех стоящих в ряд баржах. После завершения монтажа палубного блока убирали среднюю баржу, а на двух оставшихся буксировали блок к притопленному основанию. Надвигали на него палубный блок и присоединяли. После этого платформа была готова для транспортирования к месту работ в Арктике.

В 1985 г. фирма «Скэиска» предложила проекты мелководных и глубоко­ водных арктических оснований, в том числе четыре гравитационного типа и искусственный остров на замороженном грунте.

Проект одного основания с защитной системой якорных цепей в 1985 г. рассматривался подрядной фирмой «Готенбург». Были составлены проекты искусственного острова для бурения и добычи нефти и двух мелководных бетонных оснований. Фирма «Скэнска» с партнерами — французской компа­ нией «Дорис» и норвежской компанией «Джернбетон» — предлагали также проект бетонного гравитационного основания для моря глубиной 300-350 м. Проект «Тритон 300» отличался возможностью изменения конфигурации ос­ нования и простотой изготовления отдельных узлов в сухом доке, благодаря чему он оказался более экономичен по сравнению с другими известными глубоководными основаниями.

В основании «Чейн-Стар», в отличие от оснований, которые непосред­ ственно воспринимают ледовую нагрузку, давление айсбергов массой не­ сколько миллионов тонн, движущихся под действием ветров и течений, воспринимают якорные цепи, расходящиеся лучами. По мнению фирмы «Скэнска», с помощью цепей можно погасить кинетическую энергию и ос­ тановить айсберг на большем расстоянии от основания, чем любым другим известным способом. Цепи позволяют значительно уменьшить прочность,

аследовательно и стоимость основания. Цепи прикрепляются одним концом

кякорям на морском дне, а другим — к поглотителям энергии большой мощ­ ности ria верхней части основания. Поглотители энергии были сравнительно громоздкими и требовали специальной системы регулирования, но в то же время они являлись несложной механической системой, состоящей из извест­ ных элементов, применяемых в других отраслях промышленности, например в автомобилестроении. Вместо цепей можно было использовать тросы или другие гибкие связи, располагаемые таким образом, чтобы защитить основа­ ние от непосредственного контакта с движущимся айсбергом.

При контакте с айсбергом цепи прогибаются в направлении основания,

уменьшая скорость и кинетическую энергию движущейся массы льда. В дальнейшем айсберг начинает скользить вверх вдоль цепей, его кинетичес­ кая энергия постепенно уменьшается. Мощность поглотителей кинетической