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

энергии определяется расчетным путем и регулируется в зависимости от ледовой нагрузки.

При движении айсберга по касательной к основанию, цепи преобразуют его поступательное движение во вращательное относительно точки контак­ та. В этом случае полной остановки айсберга не требуется. Цепная система мало чувствительна к форме и размеру айсберга, так как в зависимости от последнего изменяется число цепей, которые его тормозят. Фирма «Скэнска» рекомендовала использовать цепную систему для защиты основания, представ­ ляющего собой ступенчатый кессон. На кессон устанавливается платформа на четырех колоннах. При такой конструкции цепная система сможет остановить айсберг массой до 3,5 млн т, дрейфующий со скоростью 3,7 км/ч.

Основание «Фроузен айленд». Используя технологию, применяемую при строительстве подземных туннелей, фирма «Скэнска» предполагала резко снизить капиталовложения при строительстве искусственных островов в Арктике благодаря сокращению времени строительства и массы насыпно­ го материала, а также применению дешевого материала. Суть предложения заключалась в замораживании насыпного острова и морского дна под ним на глубину от 20 до 30 м. Замороженное дно будет составлять единое целое с бермой, в результате повысится устойчивость острова к ледовой нагрузке и значительно уменьшится необходимая для засыпки масса материала. Отпа­ дала также надобность в тяжелых силовых диафрагмах.

По сообщению фирмы, сокращение продолжительности строительства острова до одного свободного от льда сезона достигалась за счет того, что большое число секций острова изготовляли на берегу и буксировали к месту строительства на плаву. Эти секции заполнялись намывным или насыпным материалом. Сквозь заполнитель в определенном порядке пропускались

изаглублялись в морское дно трубы для прокачки охлаждающей жидкости, которая замораживала остров и морское дно под ним. При наличии вечной мерзлоты работа холодильной установки была непродолжительной. Фирма полагала, что «Фроузен айленд» будет противостоять давлению льда на­ дежнее, чем обычные неискусственные острова. Повышенная надежность обеспечивалась высокой прочностью замороженного насыпного материала

ипрочностью фундамента.

Основание «Лоун доминион» предназначалось для малорентабельных месторождений при глубине моря от 45 до 90 м; оно относилось к гравита­ ционному типу и отличалось низкой стоимостью; его можно было быстро установить и ввести в эксплуатацию.

Проект «Лоун доминион» являлся попыткой применить бетонное осно­ вание на мелководных небольших месторождениях, где чаще всего такое основание не могло конкурировать со стальными фермами. На платформе

основания устанавливалось оборудование для бурения, добычи и перекачки нефти на сушу, а также необходимое оборудование для подготовки нефти.

Проект перспективен для восточного шельфа Канады, поэтому «Скэнска» осуществляла его разработку совместно с канадской фирмой «Фаундейшн». Основание предназначалось для установки при глубине вод 79 м и было рас­ считано на волны высотой до 30 м. Строительство основания могло быть осуществлено всего за 12-14 мес., для него требовалось приблизительно 25 тыс. т бетона. Сокращение сроков строительства и уменьшение потреб­ ности в бетоне достигались за счет изготовления большого числа элементов основания и их узловой сборки в сухом доке, а также монтажа всего техноло­ гического оборудования на берегу.

Основание состояло из двух основных элементов донного кессона и от­ носительно тонкой конической колонны. Несколько дополнительных ком­ понентов придавали конструкции структурную прочность, жесткость и ус­ тойчивость. Основание снабжалось системой съемных понтонов, которые позволили уменьшить диаметр колонны по сравнению с обычными грави­ тационными основаниями. Благодаря этому волновая нагрузка на колонну уменьшилась на 50 %, и значительно сократился объем материала для изго­ товления основания. Крепить основание сваями не требовалось, поэтому его можно было устанавливать с большой точностью над устьевой донной пли­ той.

Основание «Шорлайн тандем» предназначалось для мелководного шель­ фа. Система состояла из двух оснований: одного для бурения, другого для добычи. Такая система не только повышала безопасность работ, но и позволя­ ла начать обустройство эксплуатационного основания во время разбуривания месторождения. Каждое основание состоит из прямоугольного донного кес­ сона и установленной на четырех колоннах платформы площадью 2 тыс. м2. Основания снабжены съемными понтонами, ослабляющими воздействие окружающей среды, а также оригинальной системой зашиты против размыва донной бермы. При сильном донном течении система защиты не применя­ ется, а кессон заглубляется в дно и используется как направление при забу­ ривании скважины. Палуба с оборудованием собирается на берегу в единый блок массой 8500 т, который буксируется к месту монтажа, благодаря чему сокращается время монтажа в море.

В конструкции основания «Тритон 300» использовались бетонные эле­ менты, применяемые в промышленном строительстве морских оснований и обеспечивающие быструю сборку с учетом требуемой полезной грузо­ подъемности. Технический проект основания разработан фирмой «Сиконор» применительно к восточной части газового месторождения Тролль в бло­ ке 31/6 Северного моря при глубине вод 305 м. Основание состоит из пяти

основных частей: бетонных цилиндров, нижнего кессона, понтонов, верхнего центрального кессона и трех колонн. Такая конструкция облегчает монтаж основания по сравнению с более сложным (типа «Трипод»), предложенным ранее для глубоководных месторождений. Кроме того, упрощается спуск на­ правляющих труб через вертикальные шахты.

Палуба Т-образной формы позволяла максимально увеличить расстояние между технологическим оборудованием и жилыми помещениями, при этом консольные части палубы были сравнительно невелики. При проектировании рассматривались варианты основания квадратной и треугольной формы. Объем бетона для квадратного основания составлял 315 тыс. м3. Рассматривались также варианты с одной, двумя и тремя шахтами. Потребный объем бетона в первом и втором случаях составил 300 тыс. м \ а в третьем 290 тыс. м3. Фундамент основания получился большим из-за слабого донного грунта. При строительстве размер фундамента мог быть увеличен.

Устойчивость основания при буксировке и на различных этапах строи­ тельства зависит главным образом от размера центрального кессона. Диаметр колонн и расстояние между ними определяются грузоподъемностью палубы и размещением обсадных, водоотделяющих и других труб.

Бетонные полые цилиндры, нижний и верхний кессоны изготавливались в сухом доке. В то же время изготавливались металлоконструкции и меха­ ническое оборудование. Фундамент нижнего кессона спускался на воду на воздушной подушке. Остальные секции кессона и металлоконструкции соби­ рали до высоты 80 м, затем на них устанавливали колонны, и все сооружение высотой 185 м спускали на воду и отбуксировывали на место монтажа, где колонны и металлоконструкции наращивали до высоты 307 м, после чего на основание устанавливали платформу.

Строительство занимало 46 мес., т. е. меньше, чем сооружение глубоко­ водного основания «Трипод». Основание «Тритон 300» предназначено для бурения и добычи в восточной части месторождения Тролль в течение 50 лет.

На основании монтировались две группы направляющих колонн для бурения скважин (по 15 в каждой группе, располагаемых в водной шахте). Направляющие колонны допускают спуск обсадных труб диаметром 762 мм. Площадь палубы будет равна 7 тыс. м2. Масса палубы с оборудованием со­ ставляла при буксировке 45 тыс. т, а при эксплуатации 55 тыс. т.

Морская разведка у берегов Канады и Аляски связана с необычайными трудностями, обусловленными суровыми погодными условиями и воспри­ имчивостью окружающей среды к загрязнениям. Поэтому постоянно требо­ валось создавать новое, более совершенное поколение буровых установок. Из всех факторов (таких как отдаленное расположение, низкая температура, высокая стоимость) присутствие льда оказывает наибольшее воздействие

на методы ведения работ при проводке разведочных скважин. Подвижные льды могут скрести по твердому дну и оказывать силовое воздействие как на плавучие, так и на стационарные буровые основания.

С учетом последующей промышленной эксплуатации в регионе, а также неизбежно высокой стоимости стационарных оснований для промысловых сооружений, главную роль в обеспечении эффективной разработки морских месторождений играло кустовое бурение. При этом заканчивание скважин должно было производиться таким образом, чтобы предотвратить загрязне­ ние окружающей среды из-за воздействия айсбергов на эксплуатационное оборудование.

Перед проектировщиками стояла задача— разработать конструкцию кессонной системы бурения (проходной диаметр 476 мм, рабочее давление 70 МПа), в которой можно располагать устьевые головки и фонтанную ар­ матуру ниже глубины возможного воздействия айсбергов. Поскольку доступ к установленному в кессоне оборудованию для его ремонта невозможен, важно было максимально использовать надежные, испытанные узлы и дета­ ли. Промышленность выпускала такие узлы и детали для многих основных элементов системы, включая корпус колонной головки, трубные подвески и уплотнительные устройства. В соответствии с принятой концепцией пре­ дусматривалось использовать в фонтанной арматуре клинкетные задвижки.

Очень важно было учесть все возможные виды аварий и предусмотреть в конструкции средства их предотвращения, например струйное устройство, позволяющее создать циркуляцию для освобождения 476-миллиметровые со­ единительной муфты, а также гидравлическую и механическую системы размыкания соединительного узла.

Требовалось обеспечить возможность спуска оборудования (как с направ­ ляющими тросами, так и без них) без применения специальных устройств и скомпоновать оборудование так, чтобы оно как можно меньше возвышалось над морским дном. Кроме того, в кессоне должно было размещаться оборудо­ вание в соответствии с принимаемой схемой заканчивания скважины.

В 1985 г. фирма «Мэджер канадиан ойл» при проводке двух скважин в районе острова Ньюфаундленд, где глубина моря составляла 90 м, при­ менила кессонную систему бурения. Первую скважину после испытаний законсервировали, причем оставленное оборудование позволяло в будущем провести заканчивание скважины с подводной устьевой арматурой.

Основное назначение кессонной системы бурения и заканчивания сква­ жины — предотвратить загрязнение окружающей среды и не допустить ухудшения коллекторских свойств пласта, что достигалось размещением фонтанной арматуры ниже зоны возможного воздействия айсбергов. Система, разработанная фирмой «Хыоз оффшор», во время бурения использовалась как

надежное, рассчитанное на высокие давления соединение между направлени­ ем 0 508 мм и блоком превенторов, связанным с водоотделяющей колонной.

Диаметр кессона 1067 мм, длина 23 м. После установки кессон перекры­ вает снаружи часть структурной колонны 0762 мм и длиной около 80 м. При такой глубине спуска становится возможным размещение важных элементов оборудования внутри кессона ниже уровня возможного воздействия айс­ бергов. В рассматриваемых двух скважинах устьевые головки расположены в 20 м ниже морского дна. Наличие на кессоне замков безопасности и легко разъединяющихся фланцев выше располагаемой внутри кессона фонтанной арматуры позволяет избежать повреждения запорных устройств при срезании труб движущимся айсбергом.

При установке кессона, бурении через него и подготовке скважины к временной консервации операции рекомендовалось осуществлять в такой последовательности:

—Установить на морское дно временное основание, начать бурение долотом 0914 мм с проработкой верхней части ствола до диаметра 1422 мм. Под­ готовить и спустить сборку, состоящую из структурной колонны 0762 мм, кессона 01067 мм и стационарного направляющего устройства.

—Завести сердечник шарнирного соединения стационарного направляюще­ го устройства в посадочное кольцо временного основания (рис. 1.117). Эта система работоспособна при уклоне поверхности морского дна до 5°.

— Зацементировать с применением подходящих направляющих насадок и цементировочных пробок структурную колонну 0762 мм и кессон до требуемой высоты. Тампонажный раствор, поднявшийся до уровня мор­ ского дна, будет выходить через отверстия во временном основании, рас­ положенные под опорой шарнирного соединения.

—Пробурить ствол 0 660 мм под направление. Открыть отверстия в корпусе кессона для отвода обратного потока тампонажного раствора, для чего пе­ реместить закрывающий эти отверстия патрубок. Спустить направление 0 508 мм с подводной устьевой головкой. Зацементировать направление через бурильную колонну. Обратный поток тампонажного раствора будет поступать в специальные короба, смонтированные с наружной стороны кессона и соединенные с полостью сердечника шарнирного узла.

—Спустить промывочный инструмент и произвести промывку для удаления возможных остатков тампонажного раствора из пространства между ко­ лонной головкой и внутренней поверхностью кессона. Спустить промежу­ точный узел высокого давления и соединить его с корпусом колонной го­ ловки. Создать давление для разрушения защитных дисков, закрывающих отверстия, которые соединяют каналы для струйной очистки с областью 476-миллиметровой соединительной муфты.

Рисунок 1.117 — Общий вид кессонной системы бурения до первичного цементирования:

1 — полый сердечник шарнирного узла; 2 — морское дно; 3 — вывод тампонажного раствора при цементировании структурной колонны 0 762 мм и кессона 0 1 0 6 7 мм; 4 — отверстия для отвода тампонажного раствора при цементировании направления 0 5 0 8 мм; 5 — ствол 0 9 1 4 мм; 6 — структурная колонна 0 7 6 2 мм; 7 — кессон 0 1 0 6 7 мм; 8 — ствол 01422 мм; 9 — временное основание; 10 — стационарное направляющее устройство

—Установить на водоотделяющую трубу высокого давления блок превенто­ ров и продолжить проводку скважины по намеченному плану.

—Для временного прекращения бурения демонтировать блок превенторов, отсоединить и поднять промежуточный узел высокого давления (при не­ обходимости с помощью струйной системы и механических устройств), поднять стационарное направляющее устройство и установить заглушку для предотвращения коррозии скважинного оборудования.

Ниже рассмотрены важнейшие функции основных элементов системы

с усилением внимания на главных принципах без детализации второстепен­ ных и вспомогательных систем.

Временное основание — это первый крупный блок, устанавливаемый на морском дне при реализации программы бурения. Основание располагалось

непосредственно на морском дне и служило для направления бурильной колонны при проводке ствола диаметром 914 мм, в верхней части расширяе­ мого до 1422 мм. Можно было начинать бурение и без временного основания. В этом случае его спускали и устанавливали вместе со стационарным направ­ ляющим устройством.

Временное основание в кессонной системе бурения по конструкции напо­ минает донную опорную плиту, применяемую при обычном бурении скважин. Это закрытая конструкция с четырьмя трубами 0 203 мм для удаления выхо­ дящего тампонажного раствора при цементировании структурной колонны 0 762 мм. Они различаются главным образом по размерам вследствие боль­ шого диаметра центрального отверстия. Опорная поверхность представляет квадрат со стороной 4,6 м. Высота временного основания минимизирована, поскольку допустимый уклон поверхности морского дна, на которой оно может быть установлено, равен 5°.

Кессон изготовляется из труб наружным диаметром 1067 мм и толщиной стенки 25 мм. Внутри кессона размещаются колонная головка, промежуточ­ ный узел высокого давления и блок фонтанных задвижек. Длина кессона зависит от максимальной глубины ниже морского дна, на которой возмож­ но повреждение айсбергом, а также от высоты блока фонтанных задвижек. Обычно достаточна длина 30 м.

Кессон и структурную колонну спускают вместе со стационарным на­ правляющим устройством и шарнирным узлом на простом спусковом инст­ рументе. Чтобы при спуске избежать осложнений, связанных с большой массой (примерно 27 т) кессона полной сборки при ограниченной грузоподъ­ емности плавучих буровых установок, предусмотрен промежуточный разъем. Две части кессона соединяются с помощью проушин, шпилек и пружинного фиксирующего кольца.

На глубине возможного воздействия айсбергов в кессоне располагается слабое звено, которое должно срезаться при контакте кессона со льдом. Од­ нако во время проводки скважины нагрузки могут быть столь велики, что на­ личие слабого звена нежелательно. Поэтому на внутренней поверхности кес­ сона устанавливается усиливающая втулка. С помощью простого запорного устройства ее можно повернуть таким образом, чтобы в верхнем положении она перекрыла ослабляющую канавку в стенке кессона.

Для цементирования направления диаметром 508 мм и установленной в кессоне колонной головки необходимо обеспечить отвод тампонажного раствора. Конструкция колонной головки такова, что между ее нижней по­ верхностью и посадочным выступом кессона создается уплотнение, благо­ даря чему тампонажный раствор в кессон не поступает, а направляется в отверстия, расположенные непосредственно над посадочным выступом.

Через эти отверстия с наружной поверхности кессона раствор попадает

всистему из восьми вертикальных сварных коробов. Поднимаясь по ним,

вверхней части кессона раствор попадает в полое установочное кольцо шар­ нирного соединения, которое, в свою очередь, имеет несколько сквозных отверстий для выхода в море.

Для предотвращения возможной циркуляции и закупоривания при спуске и цементировании структурной колонны 0 762 мм до начала спуска направ­ лении 0 508 мм отверстия для ствола тампонажного раствора перекрываются соединительной муфтой 0476 мм (рис. 1.118), которая фиксируется срезны­ ми шпильками. Смещение этой муфты для открытия отверстий производится под действием веса посадочного инструмента.

Кессон имеет восемь дополнительных каналов, по которым в кольцевое пространство между колонной головкой и внутренней поверхностью кессона поступает жидкость для струйной очистки этого пространства, где могут скапливаться посторонние вещества, мешающие перемещению соединитель­ ной муфты. Эго позволяет эффективно размывать образовавшиеся пробки.

Подобно отверстиям для отвода тампонажно­ го раствора, каналы струйной системы до начала цементирования направления закрыты, но не соединительной муфтой, а дисками, разрушающи­ мися под действием подаваемого с поверхности давления. В верхней части кессона каждый канал связан со стационарным направляющим устройст­ вом, которое имеет ряд гнезд для установки в них спускаемого на бурильных трубах специального промывочного инструмента.

Рисунок 1.118 — Кессонная система бурения:

1 — направление 0 508 мм; 2 — отверстия для отвода тампонажного раствора; В — короб для отвода тампонажного раствора; 4 — канал струйной системы; 5 — водоотделяющая труба высокого давления; 6 — кессон 0 1 0 6 7 мм; 7 — соединительная муфта 0 4 7 6 м м ;8 — корпус

колонной головки; 9 — структурная колонна 0 762 мм

Для создания канала диаметром 476 мм, рассчитанного на рабочее дав­ ление 70 МПа, между колонной головкой 508-миллиметрового направления

внижней части кессона и верхней частью стационарного направляющего устройства, где установлен обычный блок превенторов, используется про­ межуточный узел высокого давления. Основными элементами этого узла являются соединительная муфта 0476 мм, водоотделяющая труба высокого давления и посадочный узел для соединительной муфты блока превенторов.

Муфта обеспечивает рассчитанное на высокое давление соединение кор­ пуса колонной головки с промежуточным узлом высокого давления. В кессоне устанавливается практически такая же колонная головка, как и используемая

вбурильной системе фирмы «Хьюз оффшор». Соединительная муфта пред­ ставляет собой конструкцию с плашками и кольцевым поршнем для создания большой предварительной нагрузки на металлическое уплотнительное коль­ цо. Максимальный наружный диаметр муфты 972 мм; таким образом, номи­ нальный зазор между внутренней стенкой кессона и наружной поверхностью соединительной муфты равен 22 мм.

Чтобы обеспечить разъединение в случае отказа гидравлической системы,

вконструкцию включены четыре штанги 0 50 мм. Они приводятся в действие гидравлическими поршнями спускаемого инструмента, который также сты­ куется с разъемами для установки промывочного инструмента. Водоотделяю­ щая труба высокого давления, устанавливаемая на соединительную муфту 0476 мм, образует канал диаметром 476 мм, идущий до посадочного узла для соединительной муфты блока превенторов, расположенного на уровне морского дна. Общая длина водоотделяющей трубы, имеющей два соедини­ тельных узла ~ 15-20 м. Однако она может быть иной, в зависимости от же­ лаемой глубины установки колонной головки. Между фланцами этой трубы помещаются металлические уплотнительные кольца. Усилие затяжки болтов достаточно велико, чтобы обеспечить герметичность соединения. Составной частью каждого соединительного узла водоотделяющей трубы являются четыре штанги для механического разъединения, которые стыкуются между собой одновременно с затяжкой болтов на фланцах. К водоотделяющей трубе крепятся также гидравлические линии управления соединительной муфтой.

Посадочный узел для соединительной муфты блока превенторов смон­ тирован на верхнем соединительном узле водоотделяющей трубы. Профиль его наружной части может быть выполнен в соответствии с профилем соеди­ нительной муфты блока превенторов. На фланце посадочного узла имеются проушины для захвата штанг спусковым инструментом и разъемы гидрав­ лических линий управления соединительной муфтой. Эти разъемы закрыты крышками, предотвращающими попадание внутрь материалов, способных полностью или частично закупорить линии управления.

Для работы с кессоном требовалось несколько нестандартных инстру­ ментов. Большинство из них представляли собой простые конструкции с за­ щелками. Одним из более сложных инструментов является переходник для присоединения инструмента, на котором спускается водоотделяющая труба высокого давления. На его нижнем конце расположены соединительные гай­ ки линии управления соединительной муфтой, стыкуемые с ниппелями на фланце посадочного узла для соединительной муфты блока превенторов.

На этом же конце расположены восемь сердечников, устанавливаемых в посадочные гнезда на стационарном направляющем устройстве, через кото­ рые поступает жидкость для струйной системы.

Каждый ниппель связан с бурильной трубой через вертлюг, благодаря чему возможно вращение сборки инструмента для спуска колонной головки.

Основное достоинство кессона большого диаметра заключается в том,

Рисунок 1.119 — Система для эксплуатации с кессоном:

1 — трубная подвеска; 2 — эксплуатационный канал; 3 — быстроразъемный фланец; 4 — замок безопасности; 5 — блок

центральных задвижек; 6 — соединительная муфта 0 4 7 6 мм; 7 — корпус колонной головки