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

передавала это давление на поверхность нефти, находившейся в резервуаре. Нефть начинала вытесняться через нефтезаборное отверстие трубопровода, расположенное у самого дна резервуара, вверх по водоотделяющей колонне в челночный танкер (рис. 1.108 II и III). Инертный газ служил «поршнем» и разделяющей средой, которая не давала нефти соприкасаться с водой. С одной стороны, он обеспечивал выполнение требований по охране окру­ жающей среды, а с другой, — давал возможность передавать давление воды на поверхность нефти, что невозможно при их контакте.

Резервуар для хранения почти 24 тыс. м3 нефти на глубине моря до 300 м имеет следующие размеры: длина осей эллипса внутри 42,7 и 25,3 м, снаружи 60,4 и 36,6 м; толщина стенок внутреннего резервуара от 0,3 м в верхней части до 2,7 м в донной части; толщина стенок внешней камеры от 3,4 м в верхней части до 1,2 м в средней и донной частях.

Водоотделяющая колонна соединена с резервуаром с помощью универ­ сального шарнирного узла и состоит из связки труб различного назначения, которые опускаются на 60-90 м ниже поверхности моря. К верхнему концу колонны прикреплен большой погружной буй с положительной плавучестью, который обеспечивает ее натяжение и является точкой заякоривания челноч­ ного танкера и малого сигнального буя, находящегося на поверхности воды.

В 1985 г. фирма «Акер энджиниринг» разработала проект полупогружной буровой платформы для субарктических районов D-6CD, содержащий ряд конструктивных новшеств. Бурение осуществляется через вертикальную ста­ билизирующую колонну. Подводная часть платформы снабжена противоледовой защитой, предусмотрен обмыв палуб, предотвращающий намерзание льда.

Уровень воды пересекает только стабилизирующие колонны. Вертикаль­ ные элементы связи аннулированы, ниже уровня воды оставлены только два горизонтальных поперечных раскоса большого диаметра, связывающих носовые и кормовые колонны. Расчеты на прочность показали, что раскосы также могут быть аннулированы, однако они использовались для перехода персонала с борта на борт под водой и для обеспечения дополнительной пла­ вучести платформы в случае повреждения ее подводной части.

Хотя при столкновении горизонтального раскоса с дрейфующим льдом подводный корпус платформы смяться не мог, для повышения безопасности были разработаны дополнительные простые защитные устройства. Один вариант защиты предусматривал соединение концов понтонов сменными толстостенными трехшарнирными раскосами небольшого диаметра. Смен­ ные раскосы, устанавливающиеся в той же горизонтальной плоскости, что и жесткие раскосы, при столкновении сгибаются в шарнирах и демпфируют энергию льда массой до 5000 т, дрейфующего со скоростью до 2 м/с. В другом варианте вместо сменных раскосов устанавливались отражатели или фермы в форме плуга, которые сдвигают дрейфующий лед к бортам установки; далее лед скользит вдоль бортов.

Благодаря тому, что якорные лебедки размещены внутри колонн, тросы, снабженные быстроразъемными звеньями, проходят сквозь понтоны; роульсы находятся внизу, обводы нижних корпусов не имеют выступающих частей, которые могли бы быть повреждены движущимся льдом.

Бурение осуществлялось через среднюю стабилизирующую колонну на правом борту. В колонне размещались буровая шахта и подъемник специаль­

ной конструкции. При бурении подъемник опускался на палубу понтона. Он оснащен двумя гидравлическими системами механизмов, одна из которых ограничивает поперечный изгиб водоотделяющей колонны, а другая предна­ значена для захвата и перемещения блока превенторов до пола буровой. Далее блок превенторов мог быть эвакуирован с буровой через люк, расположенный около вышки. Были предусмотрены устройства, препятствующие колебанию столба воды в буровой шахте. Почти все системы, чувствительные к холоду, располагались в обогреваемых зонах. Между помещениями и рабочими пло­ щадками предусматривалось свободное сообщение.

Палубный блок строился из поперечных и продольных боксов высотой 8 м. Для более прочного соединения с палубой верхняя часть стабилизирую­ щих колонн была конусообразной, средние колонны — из двух полукруглых обечаек 0 11м, разделенных по длине пластинами шириной 3 м. Стеллаж для бурильных труб размещался между передним и средним поперечными боксами, а подсвечник на нижней палубе. Запасные бурильные трубы храни­ лись на кромках люков верхней палубы, на которых они затем опускались на нижнюю палубу, где их захватывал и переносил в поперечном направлении портальный кран. При поднятых крышках люков нижняя палуба изолирована от окружающей среды. Боковые стенки соединяли нижнюю, верхнюю и час­ тично промежуточную палубы по всему периметру. Все элементы жесткости встраивались заподлицо в двойное дно под нижней палубой. Дизель-генера- торные установки, трансформаторы, силовые выключатели и панель управле­ ния устанавливались в отдельных помещениях. В жилых помещениях могло разместиться 100 чел.

Основные характеристики платформы D-6CD:

Размеры, м: понтонов

В 1985 г. компаниями «Оушн дриллинг энд эксплорейшн» и «Ниппон кокан» совместно был разработан проект арктической передвижной буровой платформы, предназначенной для круглогодичного бурения и эксплуатации в море Бофорта у побережья Аляски. В результате была создана мощная полностью металлическая конструкция, представляющая собой шестнадцатигранный корпус конусообразной формы с фундаментом, диаметр которого равен 201,8 м. Для ее строительства потребовалось 180 тыс. т. стали и морозостойких материалов. Общая высота платформы составила 155,7 м, а площадь главной палубы — 12,9 тыс. м2 (рис. 1.109,1.110).

Рисунок 1.109 — Буровая платформа для арктических условий:

1 — буровая палуба; 2 — жилые помещения; 3 — емкости для хранения бурового раствора и насосов; 4 — машинный отсек; 5 — шахта; б — юбки; 7 — насосный отсек; 8 — 14 балластных резервуаров; 9 — палуба противовыбросового оборудования; 10— склад бурильных труб; 11 — резервуары для нефти

По мнению разработчиков, сооружение стоимостью 200-300 млн дол. обладало рядом уникальных особенностей, отличающих его от подобных существующих и проектируемых конструкций. Так, изготовление платфор­ мы из стали уменьшало ограничения на ее осадку. Платформа рассчитана на глубину моря 20-60 м и осадку 9 м при буксировке на плаву с полной мак­

симальной нагрузкой 75 тыс. т. Все это очень важно для проведения работ в районе мыса Барроу, а также для сохранения экологического равновесия при транспортировке.

превенторов; 6 — ремонтная мастерская; 7 — противоледовая стенка; 8 — внутренняя стенка; 9 — уровень 2; 10 — уровень 1

Компаниями «Ниппон кокан», Япония, и «Арктик Канада», г. Калгари, были проведены две серии модельных испытаний, подтвердивших в целом соответствие эксплуатационных характеристик платформы проектным дан­ ным. Дальнейшие испытания показали, что для разрушения льда, а также для сопротивления большим нагрузкам, обусловленным давлением многолетних льдов и торосов, круглогодичное присутствие которых характерно для Арк­ тики, наиболее эффективна коническая форма корпуса.

Платформа проектировалась для бурения в удаленных от берега районах, поэтому снабжение было сопряжено с большими трудностями. Она имела две буровые вышки в зимнем исполнении и оборудование, обеспечивающее бурение до восьми скважин глубиной 4572 м, а также бесперебойное функ­ ционирование платформы в автономном режиме в течение одного года. На одной точке с нее можно было пробурить 48 скважин.

Так как платформа гравитационная, особое внимание было уделено состоя­ нию грунта морского дна. Конструкция платформы позволяла устанавливать ее без предварительной подготовки площадки на различные грунты: от сла­ бых глин до илистых осадков. Удельная нагрузка превышала 3 т/м2. Кроме того, наличие шахты допускало неравномерную усадку грунта и его наклон

до 2,5°. Платформа оборудовалась жилыми помещениями на 200 чел. Для ее транспортирования к месху установки требовалось не менее трех буксиров мощностью 14,71 тыс. кВт каждый.

На второй конференции по морской технологии для Арктики, состояв­ шейся в г. Анкоридже 3-5 сентября 1985 г., было представлено стальное ос­ нование, позволяющее применять однокорпусный стальной буровой кессон (SSDC) в водах глубиной до 23 м без строительства бермы. Обычно с помо­ щью SSDC бурили скважину зимой, затем в летний период, с июля по ок­ тябрь, когда море свободно ото льда, кессон перемещали на новую точку и приступали к бурению следующей скважины.

Основание массой 40 тыс. т, с площадью подошвы -18 тыс. м2, не требова­ ло подготовки дна и сохраняло устойчивость под действием горизонтальных сил даже на относительно слабом грунте. Его строительство велось в Японии по заказу группы «Канмар»/«Ридинг энд Бейтс». Основание было изготовлено летом 1986 г., отбуксировано в море Бофорта и гам соединено с SSDC.

Характеристики сооружения — кессона SSDC, установленного на стальное основание

Стальное основание высотой 13,4 м было рассчитано на давление толс­ того многолетнего льда. Оно увеличивало опорную площадь кессона с 7 до 17,8 тыс. м2. Благодаря этому, а также наличию донной юбки SSDC с основа­ нием можно было устанавливать на относительно слабый грунт без предва­ рительной подготовки (рис. 1.111).

Внутри основания были установлены насосы; вход в насосное помещение осуществлялся через концевую башенку. Основание разделялось на 12 бал­ ластных отсеков, заполнение которых производилось самотеком, а опорож­ нение — двумя мощными насосами. Поскольку сооружение можно было эксплуатировать и в море, и на суше, в основании устанавливались противо­ пожарные насосы, а буровое оборудование укомплектовывалось соответству­ ющим образом. Центр управления располагался над насосным помещением.

А-А

Основание изготавливалось из стали марки 36 или эквивалентной ей, механическая прочность которой и устойчивость к хрупкому разрушению выше по сравнению с обычными марками стали. SSDC был изготовлен из обычной судовой стали, и в течение двух сезонов эксплуатации не имел пов­ реждений.

SSDC и основание неподвижны друг относительно друга из-за сил грави­ тации и трения. Они разделены по площади контакта пеноуретановой про­ кладкой высокой плотности. Средняя толщина прокладки около 0,3 м, ширина у концов 46 м и под бортовыми понтонами SSDC 15 м. Ранее при установке на песчаную берму на днище кессона наносился слой торкрет-бетона.

Прокладка из пеноуретана позволяла передавать за счет трения всю горизонтальную нагрузку от SSDC к основанию. Аналогичная прокладка использовалась при установке SSDC на песчаную берму, сооруженную на месторождении Ювилук.

Стальные донные юбки высотой 2 м служили для надежного сцепления основания с грунтом и воспринимали горизонтальную нагрузку. Корпус SSDC рассчитывался на удельную нагрузку 10,2 МН/м. Юбки были рассчитаны на ту же удельную нагрузку и могли воспринять суммарную нагрузку до 1,67 ГН.

Юбки, представляющие собой решетчатые конструкции из балок коробча­ того сечения и подвешенные к системе пересекающихся поперечных ребер, обеспечивали выполнение следующих требований:

—На подошву основания не должны были передаваться нормальные растяги­ вающие напряжения, которые могли бы складываться с уже существующими в ней одноосными или двухосными растягивающими напряжениями.

—Вся металлоконструкция должна была опираться в вертикальном и гори­ зонтальном направлениях на верхнюю часть юбок.

—В верхней части каждой юбки должны быть большие щели для перетока воды во время демонтажа основания, а в нижней части — при его монтаже.

—Форма юбок должна быть самоочищающейся, исключающей необходи­ мость применения гидромониторов.

Буровой комплекс можно было устанавливать на неровное дно. Юбки должны были противостоять совместному действию ледовой и гравитацион­ ной нагрузок и выдерживать высокоинтенсивные локальные сжатия, возни­ кающие под воздействием силы тяжести льда, грунта и гидростатического давления. Основные элементы конструкции выполнялись с запасом прочнос­ ти, что предотвращало смятие в результате потери устойчивости.

Исследования ледовой обстановки показали, что удельная нагрузка льда на широкую строительную конструкцию меньше, чем на узкую, и что в мо­ ре Бофорта подвижки льда происходят в основном параллельно береговой линии. Эти два обстоятельства означали, что при удлиненной форме SSDC установленного на основании, нагрузка на все сооружение во время подвижки льда возрастала незначительно.

Основание позволяло также избавиться от обычных трудностей, связан­ ных со строительством и эксплуатацией бермы. В американском секторе моря Бофорта расстояние от месторождений до берега невелико, а штормы непродолжительны, поэтому максимальная высота волн не превышала 4,5 м. Волны такой высоты не вызывали трудностей при бурении, однако берма, верхняя часть которой находилась на глубине всего лишь 6-9 м, подвергалась эрозии. Поэтому в летний период ее основание приходилось защищать доро­ гостоящим покрытием.

Опыт показал, что в море Бофорта вертикальные торцевые стены соору­ жений надежно противостоят ледовой нагрузке. Это особенно важно потому, что изготовление вертикальных стен обходится дешевле, чем наклонных; кроме того, на них не намерзает лед, а движущиеся льдины не наползают на сооружение.

Инженерно-геологические исследования проводились на континентальном шельфе Аляски в море Бофорта в зоне шириной от 55 до 90 км. Донный грунт состоял здесь в основном из голоценовых отложений (связующие или илистые

глины с редкими включениями гранулированных материалов) толщиной от 1 до 9 м. Обычно под голоценовыми отложениями находятся плейстоценовые, состоящие из очень твердой связующей основы с включениями плотного или очень плотного песчаника, а также замерзшей породы. В связи с таким строе­ нием предел прочности на сдвиг верхнего слоя донного грунта мог значитель­ но колебаться, а от этой характеристики зависела устойчивость основания под действием горизонтальных сил, SSDC успешно эксплуатировали в канад­ ском секторе моря Бофорта в течение двух зимних сезонов. За это время на песчаный фундамент передавалась общая нагрузка около 1,67 ГН. В проект SSDC закладывались основные принципы конструирования судов и была сде­ лана попытка снизить до минимума концентрацию нагрузки на фундамент.

Основание было рассчитано на гравитационную и горизонтальную ледо­ вую нагрузки, каждая из которых составляет 1,67 ГН. Нагрузки могли переда­ ваться на фундамент одновременно, причем вся система должна была иметь некоторый коэффициент безопасности. Основными силовыми элементами, несущими эту нагрузку, являлись косые балки, располагающиеся обычно вокруг центров в радиусе 5,4 м.

Поверхность соприкосновения SSDC и основания находилась выше или немного ниже уровня воды, поэтому ледовая нагрузка действовала непо­ средственно на основание. Распределение допускаемых удельных нагрузок на наклонные и вертикальные стенки основания показано на рис. 1.112.

Напряженное состояние в подошве и продольных балках определялось простым методом перемещений по трем осям. Кроме того, в подошве опре­ делились допустимые деформации, возникающие под действием полной нагрузки после монтажа основания.

Д/IU H Q зоны монт акт ироба-

H UP t м

Рисунок 1.112 — Распределение допускаемой удельной ледовой нагрузки

на вертикальные 1 и наклонные под углом 23° 2 стены основания

Основная нагрузка, воздействующая на сооружения, — гравитационная. К ней добавляются кратковременные ледовая или сейсмическая. Поэтому для

расчета принимали нагрузку (с некоторым коэффициентом избыточности) от совместного действия гравитационных сил и давления льда.

Дополнительно рассматривалось действие ветра, волн и течения. Посколь­ ку нагрузки в этих случаях были относительно невысокими, детальные расчегы не проводились. Было определено также, что усталостного разрушения конструкции произойти не может, так как число циклов воздействия общей нагрузки невелико, а возникающие при этом напряжения незначительны. Исследования показали также, что одновременное действие сейсмической максимальной ледовой и других расчетных нагрузок маловероятно.

На основании всех полученных данных было принято, что максимальная горизонтальная нагрузка (1,67 ГН) действует периодически на одну из сторон сооружения и равномерно распределена по всей ее длине. На эту нагрузку и должны были рассчитываться SSDC, основание и донные юбки.

Воздействие собранного сооружения на морское дно, которое является его фундаментом, определяется следующими факторами: остойчивостью SSDC и его сопротивлением сдвигу; жесткостью SSDC при изгибе и сдвиге; несущей способностью и прочностью; формой пеноуретановой прокладки; жесткостью основания при изгибе и сдвиге.

Так как после монтажа сооружения могло произойти проседание дна, а в результате этого возникнуть высокие местные напряжения, было принято решение разделить SSDC и основание пеноуретановой прокладкой. Проклад­ ка выполняла следующие функции:

—Снижала поперечный изгибающий момент и силу среза в основании за счет переноса точек приложения 1равитационной нагрузки от оси сим­ метрии.

—Перераспределяла нагрузку на относительно более прочные боковые понтоны, которые снабжались жестким каркасом и противоледовой за­ щитой.

—Увеличивала полярный момент инерции подошвы SSDC.

Кроме того, благодаря деформации прокладка равномерно распределяла

удельное давление (0,35 МПа) почти по всей верхней плоскости основания. Если ширину прокладки на днище SSDC умножить на удельное давление, то нагрузка составит 15 МН/м. Изучение площадки контакта в центре основания показало, что удельная нагрузка там составляла около 8 МН/м.

Такое распределение нагрузки свидегельствовало о параболической форме деформации SSDC и устранении потенциальной возможности его «перекатыва­ ния» в поперечной плоскости, которое имеет место под действием ледовой на­ грузки, если основная точка опоры кессона находится в зоне его центратяжести.

В рамках соглашения о создании консорциума в 1985 г. компании «Фос­ тер Уилер петролеум девелопмент», «Пул», «Веритек марин текнолоджи