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

модели с применением ЭВМ. Тип грунта был принят средним за столетний период. В результате исследований грунтовых условий в Лайфе, Гудриде, Бьярни и Снорри было установлено, что заглубление трубопровода на 5-6 м предотвращает опасность его повреждения айсбергами.

К 1980 г. были пробурены зри разведочные скважины в водах, защищен­ ных от прохождения айсбергов: Е-33 фирмы «Шеврон», близ Хоупдейла, скважины «Габрид» и «Робервэл» у Кейп-Харрисона. Летом 1980 г. скважина «Робервэл» была опробована фирмой «Петро-Канада».

Внекоторых районах трубопровод мог укладываться без заглубления,

вчастности у Гилберта и Гадрида, где воды частично защищены от прохож­ дения айсбергов. Однако в большинстве пунктов трубопровод необходимо укладывать в глубокую траншею. Существующие методы заглубления тру­ бопроводов и применяемое оборудование давали возможность заглублять трубопроводы в глубоких местах только на 2-3 м, однако этого было недо­ статочно для условий грунта и больших глубин моря у берегов полуострова Лабрадор. Для решения этой проблемы была необходима дополнительная исследовательская работа.

Дно океана у берегов полуострова Лабрадор представляет собой обнажен­ ные докембрийские породы, простирающиеся на расстояние 5-10 км от его берегов. В таких твердых породах глубина борозд, образуемых айсбергами, меньше, чем на большем удалении от берега. Защита трубопровода в твердых породах может достигаться заглублением, а где возможно, прокладкой тонне­ лей. Прокладка тоннеля может быть рентабельной только при отдалении его на 5-10 км от берега.

Пересечение трубопроводом прибрежной впадины, дно которой харакгеризуется специфическими грунтовыми условиями, не представляло особых трудностей.

Укладка труб в данном районе должна производиться с трубоукладочной баржи с динамическим позиционированием положения, так как айсберги плавают в течение всего года.

Эксплуатация и техническое обслуживание трубопровода в течение всего года не встречало особых трудностей. Однако необходимо было применять детекторы утечек и системы локации особой конструкции, учитывающие условия окружающей среды у берегов полуострова Лабрадор. Значительные ремонтные работы, очевидно, в зимний период производить будет невозмож­ но. Небольшие ремонты можно осуществлять с помощью подводных лодок, базой которых могло служить судно ледокольного типа.

Кбуровому сезону 1981 г. фирма «Панарктик ойл» приготовила новую установку, спроектированную для бурения у берегов Канадского Арктичес­ кого архипелага. Она разрабатывалась на базе усовершенствованных буровых

установок для работ на суше и предназначалась для использования с наморо­ женных ледовых оснований, при этом применялось специальное подводное оборудование и система управления. Бурение с намороженных оснований позволяло значительно увеличить добычу природного газа.

Канадский Арктический архипелаг простирается от моря Бофорта до Гренландии. Острова Королевы Елизаветы образуют северную его оконеч­ ность и находятся более чем в 1000 км к северу от Полярного круга. Эти острова представляют собой мерзлую пустыню со скудной растительнос­ тью, покрытую льдом от 9 до 12 мес. в году, где постоянно живет небольшое число местных жителей. Однако в 1960 г. острова ожили: оказалось, что под ними находится нефтегазоносный бассейн Свердруп — один из самых перспективных в Канаде. Первая скважина была пробурена фирмой «Доум петролеум» в 1961 г. К 1974 г. были открыты шесть залежей с общими запасами газа 340 млрд м3. В 1981 г. в этом районе выявлены десять газо­ вых месторождений, доказанные и вероятные запасы которых составляли 453 млрд м3, т. е. 25 % общих запасов газа в Канаде.

По результатам разведочных работ было сделано заключение о том, что часть этих запасов, возможно, залегает под дном акваторий, омывающих множество островов. Подтверждение этому было получено после того, как

всередине 70-х гг. в этом районе было начато морское бурение. Это стало воз­ можным благодаря новой системе бурения, разработанной фирмой «Панарктик» специально для суровых условий Арктики. К 1981 г. фирма пробурила 16 морских скважин с долговременных ледяных островов.

Новая установка фирмы «Панарктик», разработанная с учетом опыта, накопленного за прошедшие семь сезонов бурения в море, была доставлена

вг. Эдмонтон (провинция Альберта) летом 1980 г. Оснащение и подготов­

ка установки к зимнему буровому сезону 1980-1981 гг. были завершены в ноябре 1980 г. С помощью этой установки предполагалось пробурить три морские скважины зимой 1980-1981 гг. и три скважины на суше летом 1981 г.

Президент фирмы «Панарктик» считал, что к 1995 г. разведанные запасы могли достигнуть 1,7 трлн м3. Использование временных ледовых оснований являлось ключевым моментом в системе фирмы «Панарктик». В 1981 г. этот метод морского бурения являлся наиболее экономичным для условий арк­ тических островов. Толщину естественного льда увеличивали посредством заливки его поверхности морской водой. С помощью погружных электри­ ческих насосов выбранную площадку на льду можно было менее чем за 1 ч покрывать слоем воды в 2,5-5 см до четырех раз в день. После того как вода замерзала, эту операцию повторяли обычно до тех пор, пока толщина льда не достигала 4,5-6,7 м.

В 1979 г. технология создания ледовых оснований была изменена: по мере наращивания ледяной подушки в слой льда внедряли крупные блоки уретановой пены. Это нововведение позволило уменьшить толщину и массу площадки, в результате чего сокращались сроки строительства и оставалось больше полезного времени на бурение.

Технические требования к проекту новой системы бурения фирмы «Панарктик» были очень жесткими. Некоторые из них приведены ниже.

Установка должна разрабатываться на базе сухопутной буровой установ­ ки, рассчитанной на проходку 3700 м в летний сезон и, после незначительных изменений, на проходку 3000 м при бурении на море в зимний сезон. При морском бурении установка должна была иметь все необходимое для авто­ номной работы на расстоянии нескольких километров от берега при глубине воды до 460 м. Эта глубина являлась максимальной для проведения буровых работ в данной части канадского шельфа. Минимальная глубина воды должна составлять около 60 м с тем, чтобы обеспечить морскому стояку достаточную гибкость во избежание повреждений от горизонтальных подвижек льда.

Оборудование для установки выполнялось в компактном варианте и име­ ло небольшой вес для того, чтобы его можно было перевозить с помощью грузовых самолетов «Геркулес L 100-20». Противовыбросовые превенторы, фонтанная арматура и другое подводное оборудование проектировались и изготавливались таким образом, чтобы их можно было опускать через не­ большую майну. Майна большого диаметра значительно снижала плавучесть, которая обеспечивалась ледяной подушкой под установкой, т. е. в той точке, где нагрузки наиболее сконцентрированы. Хранение и транспортирование могли осуществляться при температуре до -15 °С. Температура воды, на ко­ торую рассчитывалось подводное оборудование, составляла -2,2 °С.

Предварительные исследования показали, что буровое оборудование и системы заканчивания должны были выдерживать нагрузки от горизон­ тальных подвижек льда, составляющих 5 % от глубины моря, или 23 м при глубине моря 457 м. В течение бурового сезона (с февраля по апрель) под­ вижки обычно не превышали 3 м. Несмотря на то что от воздействия волн оборудование защищено сплошным ледяным ограждением, оно должно было выдерживать нагрузки от небольших арктических приливов, высота которых достигала 1,2 м.

Система управления подводными противовыбросовыми превенторами проектировалась таким образом, чтобы устанавливать и эксплуатировать ее можно было без помощи водолазов. Она должна обладать достаточной гиб­ костью и резервом надежности для того, чтобы безаварийно вести бурение скважин и управлять работой превенторов. На пульте буровой установки должно быть сосредоточено управление блоком противовыбросовых превен­

Система управления была изготовлена фирмой «Вэлвкон» (отделение компании «Хандрил») и поставлена фирме «Панарктик» в 1980 г. для исполь­ зования при бурении в течение зимнего сезона 1980-1981 гг. Оборудование, спроектированное по специальному заказу, можно было транспортировать тремя партиями на самолетах типа «Геркулес».

Система состояла: а) из компактного блока противовыбросовых превенто­ ров массой 22 т и размером 3,4 х 2,6 * 2,6 м; б) нижнего транспортировочного блока (массой 16 т и размером 4,0 х 2,6 * 2,6 м), морского стояка со встроен­ ными безаварийным двухкамерным штуцером и шаровыми клапанами, к ко­ торым подсоединялась линия для глушения скважин; в) секции, скомпонован­ ной на салазках, массой 20 т и размером 4,4 * 2,4 х 2,6 м, в которой собрано все гидравлическое оборудование для управления противовыбросовыми превенторами, отводное устройство и система натяжных устройств. На салаз­ ках также размещались: катушка (диаметром 76 см) соединительного шланга, соединительный многоканальный шланг, электропульт бурильщика и смеси­ тельное устройство для получения гидравлической смеси вода — гликоль.

При проектировании системы большое внимание было уделено уменьше­ нию массы и размера каждого элемента. Например, четыре направляющие стойки блока противовыбросовых превенторов располагались в радиусе 1,7, а не 1,8 м, как обычно. Эта незначительная разница позволяла разместить противовыбросовое оборудование в транспортном самолете, при этом две на­ правляющие стойки использовали в качестве устройства, дублирующего по­ лозья, необходимые для транспортировки. Если требовалось дополнительное снижение массы, две верхние направляющие стойки могли быть сняты после того, как блок превенторов будет уложен в горизонтальное положение.

Модифицированное шаровое соединение фирмы «Риган», вмонтирован­ ное между блоком противовыбросовых превенторов и морским стояком, компенсировало горизонтальные подвижки льда. Соединение допускало боковое смещение на 10°, обеспечивая при этом достаточную гибкость во всем диапазоне рабочих глубин. Поскольку как горизонтальные подвижки льда, так и приливные колебания невелики, постоянное натяжение стоя­ ка можно было поддерживать с помощью гидравлических цилиндров, размещенных у нижней части подвышечного основания. Максимальный ход натяжного устройства составлял 2,1 м. Этого вполне достаточно для компенсации смещений, вызванных приливами. Постоянное давление пода­ валось на натяжные устройства или через регулятор с основных аккумулято­ ров превенторов, или с запасной батареи аккумуляторов давления, имеющих автономное питание.

Подобный резерв надежности системы противовыбросового оборудо­ вания гарантировал безопасную и эффективную работу при минимальном

обслуживании. Противовыбросовое устройство фирмы «Шаффер» состояло из превенторов диаметром 346 мм — затрубного, рассчитанного на давление 35 МПа, одинарного плашечного с максимальным рабочим давлением 35 МПа, снабженного глухими срезающими плашками, и сдвоенного плашечного, а также семи подводных аккумуляторов давления емкостью 68 л каждый, мощной акустической контрольной системы фирмы «Интероушн», превентора и гидравлической обвязки морского стояка на устье, изготовленных фирмой «Риган».

Использование подводных аккумуляторов давления позволяло иметь гидравлическую жидкость вблизи от точки ее применения, что, естественно, вело к сокращению времени, необходимого для приведения в действие эле­ ментов управления. Кроме того, частью наземного оборудования являлись 16 гидропневматических аккумуляторов на 21 МПа емкостью 68 л каждый и одна емкость дли жидкости объемом 2700 л. Перезарядку аккумуляторов производили с помощью двух компрессоров двойного действия, дающих степень сжатия 50:1, и насоса с электромотором мощностью 30 кВт. Этот агрегат мог перезарядить всю систему наземных и подводных аккумуляторов менее чем за 10 мин.

Несмотря на большие глубины Северного Ледовитого океана, для управ­ ления превенторами использовалась обычная гидравлическая система фирмы «Вэлвкон». Система приводила в действие различные функциональные эле­ менты блока превенторов, в число которых входили внешние и внутренние штуцерные линии и линии глушения скважины, затрубный превентор у шар­ нирного соединения стояка, муфта стояка и устройство для его аварийного отсоединения, глухая срезающая плашка, верхний плашечный превентор, муфта для соединения блока превенторов с устьем и устройство для его аварийного отсоединения, замок коллектора, устройства для регулировки упругих уплотнений и «яма» для подводных аккумуляторов. Кроме того, с гидравлической панели можно было осуществлять семь операций по управ­ лению отводным устройством, а также управлять системой натяжения стояка, замковыми защелками отводной линии, разжимными плашками пакера, пакером, уплотнительными элементами выкидной линии, задвижкой на выкидной линии, задвижкой на линии продувки и телескопической секцией.

Функции перечисленных устройств контролировались как вручную — не­ посредственно с панели гидравлического управления подводным оборудова­ нием, так и дистанционно — с электропульта бурильщика, на котором разме­ щены кнопки, включающие соленоидный привод клапанов гидравлической панели управления. С панели гидравлического управления контролировалась работа противовыбросовых устройств, при этом командный сигнал поступает на подводный коллектор управления через многоканальный шланг. Этот кол­

лектор направлял энергию рабочей жидкости на соответствующий участок подводного комплекса. Он состой!' из двух частей: съемного узла на нижнем блоке морского стояка и несъемного узла на нижней направляющей раме блока превенторов.

Дополнительное аварийное управление единой гидравлической системой осуществлялось с помощью акустической аппаратуры. Акустическая система состояла из двух электронных блоков, один из которых находится на поверх­ ности, другой — под водой, и подводного гидравлического узла управления. Последний обеспечивал связь акустического блока с клиновидным коллекто­ ром управления. Оба электронных блока имели устройства, обеспечивающие прием и передачу не только командных сигналов, но и сигналов, несущих информацию о правильности функционирования системы. С помощью акус­ тической системы можно закрыть две плашки превенторов и расцепить два гидравлических соединения.

В 1978 г. на газовом месторождении «Дрейк» у восточных берегов полу­ острова Сабина (остров Мелвилл) была закончена бурением скважина «F-76» с использованием также системы фирм «Панарктик» и «Вэлвкон». Скважина «Дрейк F-76» через заглубленный трубопровод была успешно подключена к системе управления и эксплуатационному оборудованию, установленным на суше. В результате долговременной пробной эксплуатации был сделан вывод о технической осуществимости добычи газа при таких условиях.

С этого времени было разработано несколько новшеств с целью достиже­ ния большей эффективности бурения на газ в районе Арктического архипе­ лага. Среди них — усовершенствованный метод бурения вспомогательных наклонных скважин для ликвидации аварий, известный как «динамический способ глушения скважин», усовершенствованный метод предотвращения гидратообразования в природном газе путем подбора соответствующей тем­ пературы бурового раствора и забойного давления, а также новый аварийный способ удаления разлившейся нефти через кольцевую траншею во льду. Такие важные нововведения способствовали осуществлению безопасных и эконо­ мически целесообразных буровых работ в любом районе покрытого льдом Канадского Арктического архипелага.

При наличии совершенной техники и технологии бурения и добычи, боль­ шого числа благоприятных буровых площадок и возможности бурения шести скважин в год (трех на море и трех на суше), работы в бассейне Свердруп могли продолжаться в течение продолжительного времени.

Для эксплуатации при низких температурах в море Бофорта в 1981 г. был выполнен проект стальной платформы «Коссак», характеризующейся высокой степенью автономности. Для уменьшения затрат времени и средств по установке оборудования в море все сооружение строилось и оснащалось

эксплуатационным оборудованием в доке, после чего буксировалось к месту установки. Отличительной особенностью конструкции платформы являлась возможность регулирования жесткости основных конструктивных элементов, в результате чего сосредоточенная нагрузка многолетнего льда распределялась равномерно по всей площади сооружения; при этом температурные напряже­ ния оказывались ниже, чем в жестко закрепленных системах. В конструкции были учтены также силы и напряжения, возникающие в конструктивных эле­ ментах под действием ледовых полей, ветров, волн, изменений температуры ит.д.

Платформа «Коссак» была рассчитана на бурение 60 скважин с приме­ нением двух буровых установок. Минимальный объем добычи нефти на платформе оценивался в 9600 м3. Рабочая площадь палубы для монтажа эксплуатационного оборудования была равна 8100 м12.

Среди особенностей проекта можно выделить следующее. Верхняя ци­ линдрическая секция платформы (рис. 1.10) высотой 27 м и диаметром 63 м покоилась на усеченном конусе, образующая которого наклонена под углом 45°; а диамегр на уровне дна составлял 105 м. Высота конуса (от дна моря до линии пересечения с цилиндром) равна 21м. Эксплуатационное оборудова­ ние размещалось на грех палубах. Структура имела гравитационное основа­ ние и удерживалась на месте благодаря заполнению этого основания водой.

Рисунок 1.10 — Предлагаемая конструкция стальной платформы

для установки в море Бофорта:

1 — эксплуатационные палубы; 2 — теплоизоляция; 3 — коническая оболочка; 4 — элементы, обеспечивающие гибкость; 5 — морское дно; б — радиальные переборки; 7 — плита основания и юбка; 8 — временная крыша; 9 — шахта для бурения скважин; 10 — буровая установка; 11 — вертолетная площадка; 12 — верхняя цилиндрическая часть

Использование сооружений конической формы для противодействия ле­ довым нагрузкам было основано на предпосылке, что образование небольших трещин в ледовом поле происходит при меньших нагрузках, чем необходимо для разрушения этих полей. Коническая часть платформы представляла со­ бой упрочненное кольцо, поддерживаемое системой распорных элементов, показанных на рис. 1.11.

Рисунок 1.11 — Размещение радиальных и кольцевых распорок

вконической части платформы:

а— профиль конуса; б — общий вид конуса в плане; 1 — нагрузка передается к основанию

через переборки; 2 — радиальные переборки; 3 — многолетний лед

В центральной части платформы четыре вертикальные стальные плиты образовывали полость (проходит от верхней палубы на высоте 39 м до дна), через которую производилось бурение скважин. Стенки этой полости обра­ зовывали защитный взрывобезопасный барьер, отделяющий зону бурения от остальной части сооружения, и служили также опорой для двух буровых установок.

Радиальные и кольцевые переборки конуса углублялись на 1,5 м ниже уровня дна, что обеспечивало устойчивость сооружения во время его строи­ тельства в сухом доке и легкость доступа к его нижней стороне, а также возможность установки на неровном дне.

Большая часть радиальных и кольцевых переборок заканчивалась непо­ средственно под верхним основанивхМ конуса; исключение составляла внеш­ няя кольцевая переборка, образующая наружную стенку цилиндрической части сооружения. Четыре радиальные переборки поднимались на полную высоту сооружения, исключая места расположения буровых установок. Эта переборки в сочетании со стенками шахты, через которую производилось бурение, образовывали верхнюю часть структуры, поддерживавшей эксплу­ атационное оборудование и буровые установки. На высоте 21 м в конструк­ цию вводились прямоугольные колонны и рамы, чтобы обеспечить рабочее пространство для эксплуатационного оборудования. Прямоугольные колонны и переборки были связаны с настилом пола, соединенного с четырьмя ра­ диальными переборками и стенками шахты. Внутренняя часть сооружения проекгировалась полностью отделенной от наружной цилиндрической обо­ лочки, чтобы избежать нагрузок, возникающих при изменениях температуры. Предполагалось использовать теплоизоляционную систему для поддержания рабочей температуры внутренней части сооружения около 20 °С, в то время как крыша, верхняя часть оболочки и верхняя часть конуса, выступающие над водой, находились при температуре окружающего воздуха.

Нагрузка от воздействия ледовых полей на наружную часть конусной обо­ лочки равномерно распределялась с помощью специально спроектированной системы регулирования жесткости. Целостность сооружения была основана главным образом на использовании гибких конструктивных элементов для передачи усилий, действующих на конус, к радиальным переборкам, так как наружная оболочка с последними непосредственно не контактировала.

В 70-х гг. было успешно опробовано использование искусственно утол­ щенного льда в качестве временных площадок для бурения нефтяных сква­ жин. Однако применяемая технология намораживания льда не позволяла за короткий срок создавать крупные ледяные блоки. Для строительства ледяной нефтедобывающей площадки в условиях Арктики требовалось около ста бло­ ков льда объемом 100 м3. Таким образом, для создания больших площадок была нужна более совершенная технология намораживания ледяных блоков. Предлагалось использовать для этой цели металлические трубы, опускаемые вертикально в воду. В трубы нагнетался холодный воздух, который замора­ живал воду вокруг трубы по всей ее длине (рис. 1.12). Циркуляция воздуха в трубах осуществлялась с помощью высокопроизводительного компрессора низкого давления или за счет естественной конвекции.