Глава 1. Морские нефтегазовые сооружения

1.1. Основные виды сооружений, их назначение

Когда мы видим размеры большинства современных сооружений, построенных на континентальном шельфе для бурения нефтяных и газо­вых скважин и добычи углеводородов, мы не можем не поражаться сме­лости строителей. Чтобы постигнуть масштабы этого вызова природе, мы должны также понять, что эти сооружения, подвергающиеся натиску сти­хии - а в случае морей Севера это неистовство хорошо известно на увели­чивающейся глубине - сконструированы таким образом, чтобы, по край­ней мере, в течение четверти века должны служить опорой для оборудо­вания, стоимость которого не имеет равной ни в каких других промыш­ленных комплексах, за исключением, возможно, атомных электростанций, которые, однако, строятся на суше.

Морское бурение ведется почти в 70 странах и охватывает шельфы всех континентов. К 2000 г. открыто более 3000 морских нефтяных и га­зовых месторождений. В разработке находилось почти 2000 месторожде­ний. Наиболее интенсивно развивалось бурение в Северном море. Уско­ренными темпами развивается техника и технология глубоководного бу­рения и добычи нефти и газа. Имеются суда, с которых можно бурить скважины в водах глубиной до 2500 м.

Почти все морские месторождения, эксплуатируемые в настоящее время, разрабатываются со стационарных платформ на глубинах более 300 м. Известны проекты платформ на глубины более 500 м.

В 1970-1980 гг. в Северном море установлены железобетонные платформы, удерживаемые на дне моря огромной собственной силой тя­жести. Перспективными являются проекты и конструкции стационарных платформ упругого типа, платформ, закрепляемых оттяжками, и плат­форм с натяжными опорами.

Другая решаемая в настоящее время проблема - размещение усть­евого оборудования непосредственно на дне моря. За последние 20 лет этот метод расположения оборудования устья скважин зарекомендовал себя положительно.

В последнее время возрос интерес к разработке месторождений в се­верных и арктических условиях шельфовых зон, которые слабо изучены, и требуются точные данные об окружающей среде. Самые большие проблемы в акваториях Северного Ледовитого океана связаны с ледовыми условиями и глубинами вод. Эти районы характеризуются многообразием условий работы, ледовой обстановкой, глубиной морских течений, рельефов местности и др. В будущем каждый район следует рассматривать отдельно, необходимо деталь­но изучать условия месторождений в конкретном районе, для которого будут разрабатывать соответствующую технику и технологии их освоения.

Освоение морских нефтяных и газовых месторождений коренным образом отличается от разведки и разработки их на суше. Сложность и специфические особенности проведения этих работ в море обусловлива­ются окружающей средой, инженерно-геологическими изысканиями, вы-

10

сокой стоимостью и уникальностью технических средств, медико-биологическими проблемами, вызванными необходимостью производства работ под водой, технологией и организацией строительства и эксплуата­ции объектов в море, обслуживанием работ, экологической безопасно­стью, техникой безопасности и т.п.

Особенностью континентального шельфа нашей страны является то, что 15% акваторий расположено в северных и арктических районах, которые продолжительное время покрыты льдами, а это создает дополнительные трудности для промышленного освоения. Окружающая среда харак­теризуется гидрометеорологическими факторами, определяющими условия проведения работ в море, возможность строительства и эксплуатации нефте­промысловых объектов и технических средств. Основные из этих факторов: температурные условия, ветер, волнения, течения, уровень воды, ледовый покров морей и его движение, химический состав воды и др. Учет этих фак­торов дает возможность оценить их влияние на экономические показатели поисково-разведочных работ и морской добычи нефти и газа. Строительство морских нефтепромысловых сооружений требует проведения инженерно-геологических изысканий морского дна. При проектировании фундаментов нефтепромысловых сооружений особое внимание уделяют полноте и качест­ву инженерно-геологических изысканий грунтов на месте и в лабораториях. Достоверность и полнота данных в значительной мере определяют безопас­ность эксплуатации сооружения и экономичность проекта.

Самые большие проблемы в морских акваториях Арктики связаны со льдами и глубинами моря. В зависимости от направления и силы ветра, глубины моря и морских течений, рельефа местности и свойств льда ле­довая обстановка непрерывно изменяется, и ее трудно прогнозировать.

С увеличением глубин моря резко возрастает стоимость разработ­ки месторождений. На глубине 30 м стоимость разработки в 3 раза выше, чем на суше, на глубине 60 м - в 6 раз, на глубине 300 м - в 12 раз.

Проблемой пока является прокладка и особенно обследование и ремонт подводных трубопроводов в межледовый период. Эксплуатация морских технических средств и в основном техники для подводных мето­дов разработки требует обеспечения безопасного ведения подводно-технических работ при ремонте и осмотре подводной части плавучих средств и гидротехнических сооружений. Необходимо также решать зада­чи по медико-биологическому обеспечению жизнедеятельности человека, в том числе в экстремальных условиях.

Разведка и разработка морских нефтяных и газовых месторождений -сложные в техническом отношении операции, весьма дорогостоящие и свя­занные со значительным риском. Основные проблемы при освоении этих месторождений - проблемы техники и технологии производства этих работ.

Комплекс технических средств для освоения нефтяных и газовых месторождений состоит из большого числа типов и видов уникальных и дорогостоящих гидротехнических сооружений геологоразведочного, бу­рового и нефтепромыслового оборудования, систем связи, навигации, ох­раны окружающей среды и другой техники. Этот комплекс включает:

11

• технику, предназначенную для изучения условий окружающей среды в районе производства работ. Для этих целей существует ряд науч­но-исследовательских служб, центров, организаций, занимающихся ком­плексным изучением окружающей среды, разработкой программ и мето­дик и оснащенных техническими средствами, включающими научно-исследовательские гидрометеорологические станции, автоматические станции на свайных сооружениях, технику по изучению батиметрических условий, химического состава воды, волнения, течений и др.;

• технические средства связи и навигации, состоящие из комплекса аппаратуры, позволяющей использовать через геостационарные спутники связи большое количество телефонных и телеграфных каналов связи с боль­шой степенью надежности (99,9 %), широко применять спутниковые нави­гационные системы, работающие в автоматическом режиме и т.п.;

• технические средства для производства геофизических работ, со­стоящие из геофизических судов, аппаратуры и оборудования для ав­томатической обработки информации, многоканальных цифровых сейс­мических станций, обеспечивающих обработку данных на борту судна и подготовку материала для ввода данных в ЭВМ. Координаты производст­ва работ определяют через спутники связи;

• технические средства для глубокого разведочного бурения нефтяных и газовых скважин (СПБУ, ГШБУ, БС), подводный устьевой комплекс;

• технические средства для геолого-инженерных изысканий, вклю­чающие средства колонкового бурения, специальные суда детальных ис­следований с обработкой данных на ЭВМ;

• технику эксплуатационного бурения и добычи нефти и газа, со­стоящую из морских стационарных платформ различных типов и кон­струкций, оборудования для добычи нефти и газа, технических средств для подводной добычи нефти и газа, системы управления и контроля, тех­нических средств для освоения и добычи нефти и газа, в том числе в се­верных и арктических акваториях;

• технические средства для подготовки и транспортирования неф­ти и газа, включающие морские гидротехнические сооружения, береговые базы хранения нефти и газа, нефтегазопроводы, системы управления и контроля за транспортированием нефти и газа и пр.;

• технические средства для строительных и монтажных работ на гидротехнических сооружениях, МПС различных типов и других строи­тельных объектов, средства строительства трубопроводов (подводных и наземных), краново-монтажные суда, спускные и транспортные баржи, подъемно-монтажные средства береговых баз, сваебойное оборудование, трубоукладочные баржи и др.;

- подводную и водолазную технику, состоящую из обитаемых (нормобарических и гипербарических) и необитаемых аппаратов (плаву­ чих и донных) судо-носителей, систем жизнеобеспечения, снаряжения во­долазов и акванавтов и т.п.;

- технические средства для обслуживания работ в море, состоящие из многоцелевых судов, буксиров, буксиров-раскладчиков, якорей, по-

12

жарных судов, оборудования береговых баз обслуживания, специальных судов, судов по ликвидации открытых фонтанов, пассажирских судов, вертолетов и другой техники;

- технические средства по предотвращению загрязнения окру­жающей среды, в частности, судов - сборщиков разлитой нефти, боновых заграждений, химических реагентов по нейтрализации загрязняющих и токсичных продуктов и пр. (табл. 1.1).

Морское бурение нефтяных и газовых скважин производят в весьма различных условиях морей и континентального шельфа Мирового океана. Создание плавучей буровой установки, пригодной для работы во всех рай­онах, привело бы к ее чрезмерному усложнению и неоправданному удоро­жанию. Поэтому в мировой практике производства буровых работ в море определились направления и области создания ПБС, при которых при выбо­ре типа ПБС учитываются конкретные условия (глубина моря, состояние грунта, волнение, ледовая обстановка, цель бурения и т.п.). В практике строительства нефтяных и газовых скважин в море геологоразведочное бу­рение производят с плавучих буровых средств: буровых судов, барж, плаву­чих установок самоподъемного, полупогружного и погружного типов.

Один из основных факторов, влияющих на выбор типа буровых плавсредств, - глубина моря на месте бурения. Вместе с тем по мере на­копления опыта, развития техники и технологии бурения и расширения районов буровых работ менялись рекомендации по применению ПБС в зависимости от глубин. Если до 1970 г. самоподъемными буровыми ус­тановками (СПБУ) рекомендовалось бурить на глубинах 15-75 м, то в на­стоящее время установки этого типа применяются на глубинах акватории до 120 м и более. Плавучие установки полупогружного типа используют для геологоразведочных работ на глубинах акваторий до 200-300 м с якорной системой удержания над устьем бурящейся скважины и свыше 200-300 м с динамической системой позицирования (стабилизации).

Буровые суда (БС) благодаря их более высокой маневренности и скорости перемещения, большей автономности по сравнению с плавучи­ми установками полупогружного типа (ППБУ) в основном применяют для бурения поисковых и разведочных скважин в отдаленных районах при глубинах моря до 1500 м и более. Большие запасы (до 100 дней работы) обеспечивают бурение нескольких скважин, а большая скорость пере­движения (до 24 км/ч) - быструю их перебазировку с законченной буре­нием скважины на новую точку. Недостатком БС, по сравнению с ППБУ, является их относительно большее ограничение в работе в зависимости от волнения моря. Так, вертикальная качка буровых судов при бурении до­пускается до 3,6 и, а ППБУ - до 5 м. Так как ППБУ обладает большей ос­тойчивостью (за счет погружения нижних понтонов до 20 м и более) по сравнению с буровыми судами, то вертикальная качка ППБУ составляет 20-30 % высоты волны. Таким образом, бурение скважин ППБУ практи­чески осуществляют при значительно большем волнении моря, чем буре­ние с БС. Недостаток ППБУ - малая скорость передвижения с закон­ченной бурением скважины на новую точку.

13

мировой практике опыт проектирования, строительства и экс­плуатации ПБС был обобщен в соответствующих руководящих и реко­мендуемых документах государственных ведомств, классификацион­ных обществ и других компетентных органов. Проектирование, строи­тельство и эксплуатация ПБС ведутся под их наблюдением. Большое значение придается вопросам классификации ПБС. Плавучие буровые средства прежде всего классифицируют по способу их установки над скважиной в процессе бурения, выделяя их в две основные группы (классы): опирающиеся при бурении на морское дно и производящие бурение в плавучем состоянии.

К первой группе относят плавучие буровые установки самоподъ­емного и погружного типов, а ко второй - полупогружные буровые уста­новки (ППБУ) и буровые суда (БС).

СПБУ имеют большие корпуса, запас плавучести которых обеспе­чивает буксировку установки к месту работы с необходимым технологи­ческим оборудованием, инструментом и материалами. Опоры при букси­ровке подняты, на точке бурения опоры опускаются на дно и залавлива­ются в грунт, а корпус поднимается по этим опорам на требуемую расчет­ную высоту над уровнем моря.

Погруженные установки применяют в работе на мелководье. В результате заполнения водой нижних корпусов либо стабилизирующих колонн они устанавливаются на морское дно. Рабочая платформа как в процессе бурения, так и при транспортировке находится над поверхно­стью воды. ППБУ и БС в рабочем состоянии находится на плаву и удерживается с помощью якорных систем или системы динамической стабилизации.

Эффективность бурения скважин на море зависит от множества естественных, технических и технологических факторов, в том числе от типа используемого морского бурового основания (рис. 1.1 и 1.2). На выбор рационального типа, конструкции и параметров морского буро­вого основания так же влияет множество факторов: назначение, глуби­на по воде и по породам, конструкция, начальные и конечные диамет­ры скважин, гидрологическая, метеорологическая характеристики рай­она работ, свойства пород, способ бурения, мощностные и массовые характеристики располагаемых на основании буровых механизмов, оборудования и инструмента.

15

Рис. 1.2. Классификация типов оснований и установок для разбуривания подводных площадей

17