УЧЕБНОЕПОСОБИЕ

А.И. Булатов Ю.М. Проселков

МОРСКИЕ НЕФТЕГАЗОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ

РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОВЫХ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов

Российской Федерации по высшему нефтегазовому

образованию в качестве учебного пособия

для студентов, обучающихся по специальности

Краснодар 2006

«Морские нефтегазовые сооружения»

УДК 622:

Б 90

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор ЕЛ. Запорожец;

доктор технических наук СВ. Долгов;

кафедра нефтегазового промысла Кубанского государственного

технологического университета

Булатов А.И., Проселков Ю.М.

Б 907 Морские нефтегазовые сооружения. Техника и технология разра­ботки и эксплуатации морских нефтегазовых месторождений.

- Краснодар: Просвещение-Юг, 2006. - 412 с.

ISBN5-93491-140-6

Представлена классификация морских нефтегазовых сооружений, описа- ны морские стационарные платформы и плавучие буровые средства. Рассмот- рены основы технологии бурения и эксплуатации морских нефтяных и газо- вых скважин, особенности сооружения и организации работы нефтяного и га- зового промысла на акваториях, технологических процессов сбора и первич- ной подготовки пластовой продукции. Большое внимание уделено строительству морских газовых и нефтяных трубопроводов, специализированным и вспомогательным средствам для обслуживания морских промыслов, защите морской среды от загрязнения.

Для студентов нефтегазовых вузов и факультетов, а также для специали­стов, обеспечивающих проектирование, сооружение и эксплуатацию морских нефтяных и газовых промыслов.

Учебное пособие издано на средства авторов

ISВN 5-93491-140-6

УДК 622.24:622.143 ББК 33.131

© Булатов А.И.,Проселков Ю.М., 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Морские нефтегазовые сооружения.

Назначение и классификация 10

1. Основные виды сооружений, их назначение 10

2. Информационное и техническое обеспечение

проектирования и строительства морских нефтегазовых сооружений 18

Глава 2. Морские стационарные платформы (МСП) 38

2.1. Основные этапы и тенденции развития

конструкций МСП 41

2. Классификация МСП 42

3. Основания основного типа в комбинации

с тендерными судами 47

4. Самоподъемные платформы 51

5. Сваи 59

6. Зарубежный опыт конструктивного решения

стационарных платформ, их сооружение 71

Глава 3. Плавучие буровые средства (ПБС) 80

1. Самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ)...80

2. Полупогружные плавучие буровые установки (ППБУ)...ЮЗ

3. Буровые суда(БС) 117

4. Подводное устьевое оборудование (ПУО) 144

5. Системы удержания плавучих буровых

средств на точке бурения 166

Глава 4. Бурение скважин 181

4.1. Некоторые понятия нефтегазопромысловой

геологии 197

2. Общие понятия о строительстве скважин 197

3. Промывка скважин 217

4. Буровые промывочные растворы 224

5. Утилизация отработанных буровых растворов и шлама..257

Глава 5. Специфика проектирования и бурения наклонно

направленных скважин 266

1. Цели и задачи направленного бурения скважин 266

2. Основы проектирования направленных скважин 267

3. Факторы, определяющие траекторию .

забоя скважины 277

5.4. Забойные компоновки для бурения

направленных скважин 284

5.5. Методы и устройства контроля траектории

направленных скважин 286

5.6. Особенности бурения и навигации

горизонтальных скважин 298

Глава 6. Разработка и эксплуатация месторождений

нефти и газа 307

1. Основные виды морских промыслов 309

2. Надводные промыслы 312

3. Подводные промыслы 314

4. Подводные системы добычи и сбора нефти 317

5. Шахтно-тоннельные и комбинированные системы 330

6. Комбинированные морские промыслы 334

7. Проблемы освоения морских нефтяных

и газовых месторождений 341

6.8. Пример заканчивания глубоководных скважин

с фонтанной арматурой вблизи поверхности моря 345

Глава 7. Системы сбора и первичной подготовки

пластовой продукции 358

Глава 8. Морские нефтяные и газовые трубопроводы 371

8.1. Проблемы, связанные с прокладкой

и устойчивостью трубопроводов 371

8.2. Разведка дна и грунтов перед

прокладкой трубопроводов 376

8.3. Расчет устойчивости и проблемы заглубления

трубопроводов 382

8.4. Газопровод «Голубой поток» 389

Глава 9. Специализированные суда и вспомогательные средства для обслуживания морских нефте газопромыслов 400

9.1. Крановые, пожарные, трубоукладочные

суда и суда специального назначения 402

9.2. Устройства для спасения людей

с морских буровых платформ 404

Глав 10. Защита морской среды от загрязнения при разработке морских нефтяных и газовых месторождений 406

Литература 412

4

ВВЕДЕНИЕ

Растущее потребление нефти и газа обусловливает усиление вни­мания к проблемам их добычи не только на суше, но и на акваториях мо­рей и океанов. По этой причине последние десятилетия характеризуются интенсивным развитием добычи нефти на море.

В настоящее время поисково-разведочные работы на акваториях морей проводятся более чем ста странами. Особенно интенсивно эти рабо­ты ведутся в шельфовых зонах стран, омываемых морями и океанами. Бо­лее чем в 30 странах мира, имеющих в шельфовых зонах месторождения нефти и газа, организована их разработка. Интенсивное развитие морской нефтегазодобычи являлось основой создания новой отрасли нефтяной науки и техники - морского нефтепромыслового дела.

Открытие и вовлечение в разработку новых морских нефтегазовых месторождений полностью зависят от создания и внедрения рациональ­ных конструкции гидротехнических сооружении и особенно плавучих бу­ровых средств (самоподъемных буровых установок - ПБУ, полупогруж­ных буровых платформ - ПБП, буровых судов - БС).

Очевидно, морская нефтедобыча в недалеком будущем явится од­ним из основных источников удовлетворения быстро растущих потребно­стей нашей страны. Это подтверждается, во-первых, высокой эффектив­ностью капитальных вложений в разработку морских нефтяных месторо­ждений; во-вторых, тем, что эксплуатация нефтяных месторождений на море рентабельна.

Попытки добыть нефть из горизонтов, залегающих под дном моря, были предприняты еще в XIXстолетии. В 1824-1825 гг. бакинец Касумбек построил два нефтяных колодца в 9 и 15 саженях от берега. Впервые во­прос о промышленной разработке морских площадей возник в связи с от­крытием нефтеносных структур в районе Бибиэйбатскои бухты.

Уровень техники того времени предопределил единственно воз­можный путь решения этой проблемы: засыпку бухты.

Следующим этапом в освоении морских нефтяных залежей было строительство оснований островного типа. В 1925 г. было построено пер­вое такое основание на деревянных сваях и была пробурена первая в мире морская скважина. В 1934 г. началось сооружение металлических основа­ний для бурения морских скважин.

Широкая разработка морских нефтяных месторождений началась на Каспийском море в 1946-1949 гг. в связи с созданием более совершен­ных конструкций морских оснований - крупноблочных оснований.

В тридцатые годы прошлого века братьями Хубенцовыми была по­строена деревянная баржа, на которой установили буровое оборудование. Эта баржа явилась прообразом современных плавучих буровых установок погружного типа.

5

В 1956-1958 гг. были начаты работы по созданию мобильных средств для бурения на море. Была спроектирована и в 1959 г. построена и введена в эксплуатацию первая в б. СССР плавучая установка погружного типа, предназначенная для бурения скважин глубиной до 1200 м на глу­бинах моря до 6,5 м. С помощью этой установки за 3 года эксплуатации пробурили более 50 структурно-поисковых скважин и была доказана вы­сокая технико-экономическая эффективность мобильных установок. Уста­новка окупила себя менее чем за 1 год.

В 1966 г. была построена и введена в эксплуатацию ПБУ «Апшерон» для бурения скважин глубиной 1800 м на глубинах моря до 15 м. Ус­тановка обеспечивала ежегодную экономию нескольких сотен тысяч руб­лей. Позднее была разработана и построена более мощная ПБУ «Азербай­джан», оснащенная оборудованием для бурения скважин глубиной до 3000 м на глубинах моря до 22 м.

Высокая технико-экономическая эффективность буровых устано­вок, перспективы развития добычи нефти на море и особенно необходи­мость освоения месторождений на больших глубинах моря потребовали создания мощных самоподъемных установок, с которых можно было бы проводить глубокие разведочные скважины на глубинах моря до 60-70 м. С это целью в 1971-1973 гг. была разработана конструкция новой само­подъемной плавучей буровой установки «Бакы». Установка была по­строена на судостроительных заводах г. Астрахани и введена в промыш­ленную эксплуатацию в 1975 г.

Созданию отечественных конструкций плавучих буровых устано­вок предшествовало проведение большого комплекса теоретических, экс­периментальных и конструкторских работ. За последние 40 лет разрабо­таны и практически осуществлены новые технические решения таких про­блем, как создание гидравлических подъемников большой грузоподъем­ности и системы управления ими, системы закрытого хранения и транс­портировки порошкообразных материалов, регулируемого электроприво­да главных технологических механизмов с применением тиристорых пре­образователей, разработаны методики расчета ПБУ как гидротехническо­го и плавучего сооружения и т.д. Ведутся работы по созданию Правил классификации и постройки плавучих буровых установок, комплекса под­водного устьевого оборудования и др.

По прогнозам специалистов в ближайшие годы в мире ожидается рост объемов буровых работ в море.

По данным группы ODS-Petrodata(ODS), в 2000 г. в государствен­ных и федеральных водах США в мексиканском заливе пробурено 1019 скважин.

В 2001 г. в американской зоне Мексиканского залива, на которую приходится 35 % мирового объема морского бурения, планировалось воз­растание темпов прироста на 14 %, а общее число пробуренных скважин должно было составить 1162.

6

Общие капиталовложения в разработку морских месторождений Европы увеличились, согласно прогнозам аналитиков компании Douglas-WestwoodLtd(Кетерберн, Великобритания) и специалистовInfieldSystems, от 9,5 млрд. долл. в 2000 г. до 12 млрд. долл. в 2001-2002 гг. В последующие пять лет суммарные капиталовложения составят 53 млрд. долл.

Эти исследования показывают, что Европа является самой крупной нефтедобывающей морской территорией в мире: 438 эксплуатируемых месторождений дают в сутки более 1 млн. м³ нефти и более 0,5 млрд. м³газа. В последующие пять лет в этом регионе, простирающемся от Аркти­ки до Средиземноморья, предполагается добыть более 2,0 млрд. м³ угле­водородов в нефтяном эквиваленте. Основная доля приходится на Вели­кобританию (1,11 млрд. м³) и Норвегию (0,795 млрд. м³), остальная часть распределяется между морскими территориями еще семи стран.

В Северном море и на северо-западе Европы в течение 2000 г. рабо­тало приблизительно 70 самоподъемных и полупогружных установок с коэффициентом использования 80-90 %. По данным ODS, спрос на пере­движные буровые установки к началу 2000 г. резко увеличился более чем на 60%.

В Африке ожидалось увеличение числа скважин на 23% - до 326. К концу 2000 г. в регионе работали 45-48 буровых установок при коэф­фициенте использования, близком к 100 %, в том числе на Средиземном море и у Западного побережья Африки работало 30 самоподъемных, 15 полупогружных буровых установок и четыре буровых судна.

Морское бурение на Ближнем Востоке ведут 40 самоподъемных буровых установок (коэффициент использования наличного парка устано­вок - около 75 %).

В конце 2000 г. в Бразилии работали 21 полупогружная установка, 13 буровых судов и четыре самоподъемные установки.

В ежегодном обзоре, опубликованном в 2001 г. компанией GlobalМаrine, сообщается, что во всем мире имелись 567 конкурентоспособных плавучих установок для морского бурения.

Согласно Международному информационному бюллетеню OffshoreInternationalNewsletter, коэффициент использования передвиж­ных морских буровых установок во всем мире составлял в начале мая 2001 г. 90,1 %, впервые превысив 90 % начиная с августа 1998 г. Из 649 установок для морского бурения 585 работали по контракту. В американ­ской зоне Мексиканского залива коэффициент использования морских буровых установок составлял 90,5 %, достигнув самого высокого уровня начиная с июля 1998 г., - в работе находилось 211 установок, 191 работала по контрактам. В Европе коэффициент использования морских буровых установок составил 93,1 % ( только семь из 101 установки в регионе не имели контрактов). В Западной Африке коэффициент использования был 90,9 % - из 44 установок 40 работали по контракту. Коэффициент исполь-

7

зования морских буровых установок в Азии и Австралии составил 84,6 % — всего насчитывалось 65 работающих установок и 55 имели контракты.

По данным компании GlobalMarine, темпы списания полупогруж­ных установок быстро возрастают после 18 лет эксплуатации - пять из шести установок списываются, не достигнув 27 лет эксплуатации. Само­подъемные установки служат дольше: темпы списания возрастают после 19 лет эксплуатации, и пять из шести установок списываются по достиже­нии 33 лет работы. В настоящее время более 34 % существующего парка имеет возраст 21 год или более, в том числе 27 самоподъемных, 18 полу­погружных установок и два буровых судна находятся в эксплуатации бо­лее 26 лет, а 88 самоподъемных установок, 53 полупогружных и 11 буро­вых судов в мире имеют срок службы от 21 до 25 лет. С момента разра­ботки до ввода в эксплуатацию новой плавучей буровой установки прохо­дит от двух до трех лет.

Стоимость станко-дня составляет от 50-60 тыс. долл. для само­подъемных плавучих буровых установок с высотой опор 107 м, исполь­зуемых в умеренном климате американской зоны Мексиканского залива, и до 90 тыс. долл. для полупогружных буровых установок третьего поко­ления, эксплуатирующихся в Северном море.

Отечественные и зарубежные специалисты в области морской неф­тегазовой промышленности накопили большой опыт по освоению шельфа морей с умеренным климатом, но, к сожалению, они еще не располагают отработанной технологией и необходимыми техническими средствами для организации в широких масштабах буровых и эксплуатационных ра­бот, особенно в арктических условиях. Имеющийся канадско-американский опыт строительства нефтегазопромысловых гидротехниче­ских сооружений в море Бофорта и заливе Кука на Аляске не является оп­тимальным. Эти обстоятельства требуют проведения в настоящее время инженерного поиска новых решении с учетом положительных и отрица­тельных результатов, полученных при эксплуатации нефтегазовых про­мыслов, обустроенных с помощью искусственных островных (грунтовых) и стационарных (стальных и железобетонных) сооружений, а также под­водных эксплуатационных комплексов.

Наша страна обладает большим опытом проведения научных и инженерно-технических исследований в Арктике.

Российская Федерация имеет самые обширные в мире шельфовые зоны, площадь которых составляет почти 22% общей площади континен­тального шельфа Мирового океана. Перспективными на нефть и газ явля­ются 70%о этих территорий. Основная их часть находится в замерзающих морях с тяжелым ледовым режимом, суровыми природно-климатически­ми условиями и слабо развитой береговой инфраструктурой (арктические и дальневосточные моря).

Комплексный анализ характерных особенностей арктических мо­рей показывает, что для освоения углеводородных запасов необходимо

8

создать принципиально новые виды инженерных сооружении и техниче­ских средств, специальную технологию и организацию строительства объектов в открытом море, условия для нормальной работы персонала в экстремальных ситуациях.

На мелководных акваториях замерзающих морей для бурения и эк­сплуатации нефтяных и газовых скважин используют преимущественно ледостойкие платформы, платформы кессонного типа и грунтовые остро­ва, а для бурения поисково-разведочных скважин - ледовые острова. Сро­ки строительства сооружений для бурения и эксплуатации скважин могут достигать 5 лет, а капитальные затраты - сотен миллионов рублей на одно сооружение. Это обусловливает повышенные требования к надежности сооружений, выполнение которых будет существенно зависеть от степени изученности ледового режима, физико-механических свойств морского льда и достоверности методов оценки величины ледовых нагрузок, а для ледовых островов - и от наличия апробированных технологий наморажи­вания искусственного льда и новых технических решений по конструкци­ям ледовых островных сооружений.

9