Морская нефть. Трубопроводный транспорт и переработка продукции сква

УДК 622.692.4:622.276.04 ББК 39.7:33.361

М79

М орская неф ть. Трубопроводны й тран сп орт и переработМ79 ка продукции скваж ин / Э. М. Мовсум-заде, Б. Н. Мастобаев, Ю. Б. Мастобаев, М.Э. Мовсум-заде; Под ред. А. М. Шаммазова. -

СПб.: Недра, 2006.-192 с. ISBN 5-94089-076-8

Обобщен опыт проектирования, строительства и эксплуатации морских трубопроводов, а также возможности переработки продукции скважин в усло­ виях морских месторождений.

Рассмотрены и проанализированы существующие на различных историчес­ ких этапах методы и технологии проектирования, строительства и эксплуата­ ции морских трубопроводов. Изложены принципы использования подводных трубопроводов на морских месторождениях в различных климатических зонах с учетом специфических условий регионов.

Для широкого круга специалистов нефтяной промышленности, занимаю­ щихся вопросами освоения и разработки морских месторождений, а также для студентов и аспирантов вузов нефтяного профиля и отраслевых институтов.

Having been summed up the experience of the projection, construction and ex­ ploiting of marine pipelines as well as possibilities of refining of the products of offshore wells under die conditions of marine fields.

The methods of the projection, construction and exploiting of marine pipelines existing at different historical pe-riods have been analyzed.

The principles of usage of submarine pipelines on marine fields have been ana­ lyzed depending on the peculiarities of different climatic zones and the specifical features of certain sea oil producing regions.

The book is to be read by the specialists of various branches of oil industry, en­ gaged in oil fields development. It can also be useful for students and postgraduates

Введение

Более чем столетний опыт показал, что промышленная добыча нефти в море является высокоэффективной. Кроме континентального шельфа, перспектив­ на на нефть и природный газ вся зона континентального склона, занимающая значительную территорию. Современный уровень развития техники, разведки

иразработки морских месторождений в глубоководных зонах мирового океа­ на (3000 м и более) сделал возможным осуществление добычи нефти и газа практически во всех морях и океанах. С ростом объемов разработки нефтяных

игазовых месторождений на морских акваториях расширяются работы по обу­ стройству нефтегазовых промыслов и строительству подводных трубопрово­ дов, обеспечивающих доставку продукции скважин на береговые сооружения. Эффективность транспортирования нефти и газа по подводным трубопроводам по сравнению с используемыми для этих целей танкерами достигается за счет отсутствия влияния на эксплуатацию подводных трубопроводов погодных усло­ вий, возможности дистанционного управления, малой вероятности загрязнения окружающей среды, возможности непрерывного транспортирования нефти

игаза, а также использования трубопроводов для хранения перекачиваемой про­ дукции скважин.

Значительный вклад в развитие морской нефтедобычи был внесен специа­ листами Советского Союза (30-80-е гг. XX века, Бакинский район Каспий­ ского моря). Но в связи с изменением политической ситуации в СССР, а затем

иполным его распадом большая часть месторождений Каспия перешла к Азер­ байджану. Несмотря на значительные достижения, в развитии морской нефтедо­ бычи СССР и России отмечались и застойные периоды. Одной из важных при­ чин уменьшения темпов освоения морских месторождений явилось открытие в 60-х гг. целого ряда нефтяных и газовых месторождений в Западной Сибири, что на значительный промежуток времени заслонило работы на месторождениях Каспия и Сахалина. Такое положение привело к снижению темпов работ на море,

инаметилось их отставание от мирового уровня.

Восстановление положения России как морской нефтедобывающей страны может быть обеспечено включением ее в разработку и внедрение новых техно­ логий морской нефтедобычи с учетом специфики омывающих морей и океанов. Все это будет невозможно без учета более чем векового опыта добычи нефти на шельфовых и морских месторождениях различных стран, в том числе и опыта

СССР. По этой причине весьма актуальным является проведение анализа станов­ ления морской нефтедобычи в мире, выявление основных направлений развития технологий и технических средств на всех временных этапах и определение дальнейших направлений развития морской нефтедобычи России.

Специфические особенности проектирования и сооружения трубопроводов связаны с их назначением, географическим местоположением района укладки, береговыми условиями и характеристикой морского дна, силой морских течений, режима судоходства и т. п. Исходя из этих условий выбираются диаметр, толщина

стенки трубопровода и сорт стали, используемой при изготовлении труб. Зна­ чительный опыт в проектировании и строительстве подводных трубопроводов накоплен за рубежом и при освоении морских месторождений на Каспийском море в СССР. В России добыча углеводородов на шельфе получает развитие к началу XXI в., и одним из важнейших вопросов освоения морских место­ рождений становится транспортировка продукции скважин на берег. Так же, как и во всем мире, предпочтение отдается трубопроводному транспорту, но, с учетом того, что все нефтегазоносные морские месторождения находятся в замерзающих морях, необходимо формирование нового направления в проекти­ ровании и строительстве трубопроводов. Первые попытки формирования этого направления были заложены в 1956 и 1958 гт. в книгах, посвященных вопро­ сам строительства и эксплуатации морских месторождений И. П. Кулиевым и Ю. А. Сафаровым. В них рассматривались расчеты морских трубопроводов при прокладке их с судов и способом протягивания. В 1980 г. выходит книга П. П. Бородавкина, В. Л. Березина, О. Б. Шадрина «Подводные трубопроводы», посвященная проектированию и эксплуатации подводных переходов через во­ дные препятствия. Одной из первых значительных монографий, посвященных строительству именно морских трубопроводов, является книга К. Я. Капусти­ на и М. А. Камышева, выпущенная в 1982 г., где приводятся общие требования к сооружению морских трубопроводов, а также рассмотрены технические сред­ ства для их строительства. В начале XXI в. начинают появляться монографии, посвященные проектированию морских трубопроводов [3, 7, 14], в которых произведен анализ особенностей проектирования морских трубопроводов, рас­ смотренных как с технологической, так и с экологической точек зрения.

Отдельным вопросом, рассмотренным в данной работе, является рассмот­ рение возможностей переработки продукции скважин непосредственно на мор­ ских месторождениях в тех случаях, когда их транспортировка по трубопрово­ дам затруднена.

В перечисленных и других работах, упоминаемых по ходу изложения данной книги, а также в периодических изданиях практически не отражается истори­ ческое развитие как морской нефтедобычи в целом, так и технических средств

итехнологий, используемых для этих целей. Авторы, проведя исследования

ианализ многочисленных публикаций на тему морской нефтедобычи, попы­ тались в данной книге объединить в единую цепочку основные события, свя­ занные с развитием проектирования, строительства и эксплуатации морских трубопроводов, а также возможности переработки продукции скважин в усло­ виях морских месторождений, и связать появление новых технических средств

итехнологий с реальными историческими моментами за все время существова­ ния морских нефтепромыслов.

Представленная на суд читателей работа является продолжением выпущенной в 2005 г. книги «Морская нефть. Развитие технических средств и технологий».

Авторы выражают искреннюю благодарность аспиранту А. Р. Асадуллину, которым написаны отдельные разделы данной монографии, за участие в ее соз­ дании.

Глава 1

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Подводные трубопроводы как новая отрасль трубопроводного транспор­ та появилась в конце сороковых годов XX в., когда началась добыча нефти в Мексиканском заливе. На первых этапах укладка подводных трубопрово­ дов проводилась на мелководных участках. При этом применялись извест­ ные технологии строительства трубопроводов на подводных переходах. Так, прокладка первых трубопроводов на Каспийском море осуществлялась спо­ собом последовательного наращивания с киржима (несамоходной спаренной баржи) (рис. 1) и путем протаскивания трубопровода по дну моря (рис. 2).

Рисунок 1 — Последовательное наращивание трубопровода с киржима:

1 — конец трубопровода, поднятый со дна моря; 2 — присоединяемая труба; 3 — киржим

Практика показала, что укладка трубопровода с киржима могла осущест­ вляться при волнении моря до двух баллов. В 1953-1954 гг. таким способом с материка на остров Жилой по трассе с глубинами до 10 м был проложен трубопровод из насосно-компрессорных труб диаметром 114,3x7 мм, про­ тяженностью 22 км. В 1963 г. с морского месторождения Южная на материк был проложен трубопровод из обсадных труб диаметром 168x9 мм, протя­ женностью 17,5 км, с максимальными глубинами по трассе до 11 м.

Прокладка трубопровода с киржима отличалась низкой производитель­ ностью и невысоким качеством соединения труб. Тем не менее на протяже­ нии 16-18 лет сооружение подводных трубопроводов диаметром до 150 мм в морском нефтепромысловом строительстве осуществлялось из труб нефтя­ ного сортамента и производилось с киржимов. Подводные переходы из труб большого диаметра и значительной протяженностью сооружались спосо­ бом свободного погружения со сваркой межсекционных стыков в надводном положении. В зависимости от плавучести трубопровода отдельные плети буксировались на поплавках или без них. В 1954 г. с о. Артема на материк был проложен трубопровод диаметром 325x10 мм, протяженностью 5,5 км.

Рисунок 2 — Схема прокладки трубопровода путем протягивания:

1 — морское основание; 2 — лебедка; 3 — направляющий ролик; 4 — канат; 5 — плот; 6 — сиг­

нальный щит; А — подготовительные работы закончены, сигнальный щит в положении «стоп»;

Б — протягивание первой секции, сигнальный щит в рабочем положении; В — стыковка секции;

Г— конец протягивания трубопровода

В1974 г. завершена прокладка первого подводного нефтепровода в Се­ верном море от нефтяного месторождения Ecofiks в Норвежском секторе к порту Тиссайд на восточном побережье Великобритании. Протяженность нефтепровода составила 350 км, диаметр 800 мм. Для прокладки трубопро­ вода использовались специальные суца двух типов: баржи-трубоукладчики и баржи-земснаряды для устройства траншей на морском дне. Прокладка трубопровода осуществлялась одновременно на трех участках фирмами

«Brown and Root», «J. Ray McDermott», «Santa-fe engineering». К 1980 г. во всем мире эксплуатировалась около 5000 км подводных трубопроводов. Основными районами сооружения подводных трубопроводов являлись Северное море, Мексиканский залив, залив Кука, Японское море, а также акватории США, Австралии, Канады. Глубина укладки трубопроводов пре­ высила 300 м, строительство морских нефте- и газопроводов на больших глубинах вызвало необходимость создания специальной техники, в первую очередь для укладки трубопроводов. Был разработан ряд трубоукладочных барж, которые в процессе использования постоянно модернизировались. В основу критериев проектных решений новых трубоукладочных барж были

положены: сокращение сроков строительства трубопроводов, возможность укладки трубопроводов на больших глубинах, эксплуатация в трудных усло­ виях северных морей, расширение работ по освоению морских месторожде­ ний, рост глубин бурения, усложнение климатических условий, связанное с перемещением на север, - все эти обстоятельства заставили искать новые технические решения, связанные как с конструктивными особенностями бу­ ровых платформ, средств транспорта и обустройства месторождений, так и со свойствами применяемых материалов. В странах, разрабатывающих мор­ ские месторождения, становятся обязательными нормы и правила на проек­ тирование объектов морских месторождений. Разрабатываются такие нормы

идля подводных трубопроводов. Некоторые из них будут рассмотрены ниже.

1.1.Особенности проектирования морских трубопроводов

Вопросы проектирования отечественных морских трубопроводов стали рассматриваться сравнительно недавно [14]. В настоящее время существует целый ряд актуальных вопросов проектирования трубопроводов, требую­ щих своего решения. Это прежде всего выбор оптимального расположения конструкции трубопровода под водой по различным критериям:

•безопасность эксплуатации, экологии, стоимость конструкции, техноло­ гичность и т.п.;

•выбор материала труб, защитного покрытия и электрохимической за­ щиты;

•продольная и поперечная устойчивость конструкции с учетом воздей­ ствия подводных течений;

•обеспечение целостности и проходного сечения;

•защита от коррозии и эрозии; сварка и неразрушающий контроль в про­ цессе монтажа;

•диагностика и мониторинг;

•технологические режимы перекачки нефти, природного газа и газового конденсата при высоком внутреннем давлении;

•прочность и устойчивость первоначальной формы равновесия цилиндри­

ческих оболочек трубопроводов и другие технологические и экологичес­ кие аспекты.

Все эти вопросы должны быть отражены в нормативных документах (нормах, правилах, стандартах, руководящих указаниях, инструкциях и т. д.). Однако, как показывает практика проектирования, это происходит далеко не всегда и объясняется следующими причинами [14]:

1.Нормы проектирования отражают уже накопленный и проанализиро­ ванный опыт проектирования, строительства и эксплуатации трубопро­ водов. Внедрение новых технологий, расширение диапазона рабочих

параметров, строительство в уникальных природно-климатических условиях, применение новых материалов и оборудования требуют по­ стоянной корректировки нормативной документации, что на практике

ипроисходит, но не опережающими темпами, а лишь после накопления

иобобщения соответствующего опыта. Так, например, всемирно при­ знанная спецификация на трубы API 5L [81] претерпела к настоящему времени 41 издание.

2.Некоторые вопросы достаточно сложны для формулировки простых ин­ женерных методик или просто отсутствуют как в отечественных лите­ ратурных источниках, так и в зарубежных. Типичным примером этого является расчет напряженно-деформированного состояния оболочки трубопровода в процессе укладки на большие глубины.

3.Многие технические решения не имеют строгого научного обоснования

инуждаются в проведении специальных теоретических и эксперимен­ тальных исследований.

Однако даже очень хорошо изученные вопросы (например, расчет толщи­

ны стенки трубопровода на действие внутреннего давления) нельзя считать окончательно решенными. Нормы разных стран [4,62,67,69,83] предусмат­ ривают применение различных значений одних и тех же коэффициентов (коэффициентов надежности и безопасности) в аналогичных расчетных мо­ делях. Связано это с различными подходами к оценке оптимального уровня безопасности, качеством производства строительных работ, особенностями эксплуатации и стоимостными показателями. Эта проблема встает наиболее остро, если появляется необходимость или возможность выбора тех или иных иностранных норм проектирования по причине отсутствия националь­ ных нормативных документов, как это было при проектировании морского участка газопровода Россия - Турция по проекту «Голубой поток» [14].

ТЭО строительства данного газопровода было выполнено на основе нор­ вежских «Правил для морских трубопроводных систем» DNV 1981 [78]. Впоследствии (в 1996г.) вышла новая редакция Правил DNV 1996 [79], кото­ рая легла в основу базового и детального проектирования морского участка газопровода.

Особенностью данных Правил является их относительная «мягкость» по сравнению, например, с российскими строительными нормами и правилами (СНиП). Многие требования и положения, в том числе и ключевые, носят не обязательный, а рекомендательный характер.

В то же время отход от нормативных методов проектирования накладывает на проектировщика дополнительную ответственность за правильность приня­ того решения и вызывает необходимость в проведении специальных исследо­ ваний для определения реальных уровней надежности, безопасности, долго­ вечности и других параметров этих ответственных инженерпых сооружений.

1.2. Обзор норм и правил сооружения подводных трубопроводов

1.2.1. Российские нормы и правила

СНиП 2.05.06-85* [51] регламентирует переходы магистральных тру­ бопроводов через естественные препятствия (реки) [3]. При этом только в общем оговаривается, что подводные переходы следует проектировать на основании данных гидрологических, инженерно-геологических изысканий. Более конкретные указания касаются защиты от литодинамических воздей­ ствий. Проектная отметка верха забалластированного трубопровода должна назначаться на 0,5 м ниже прогнозируемого предельного профиля размыва русла реки, определяемого на основании инженерных изысканий, с учетом возможных деформаций русла в течение 25 лет после окончания строитель­ ства перехода, но не менее 1 м от естественных отметок для водоема.

В какой-то мере морские трубопроводы являются гидротехническими сооружениями (хотя и выделены в отдельный класс), поэтому некоторые положения, изложенные в СНиП 2.06.01-86 [52], могут быть применены и к трубопроводам, в частности перечень нагрузок и воздействий, основные расчетные положения, основные и особые сочетания нагрузок. Нагрузку от волн на лежащие на дне трубопроводы или стояки позволяет рассчитывать СНиП 2.06.04-82* [53]. Кроме строительных норм и правил были разрабо­ таны другие нормативные документы.

Отечественные рекомендации по проектированию и строительству мор­ ских подводных нефтегазопроводов (РД 412-81) [48] оговаривают величину заглубления трубопроводов в следующих пределах: не менее 1 м на всем участке трубопровода и не менее 2 м в береговой зоне. В районах, в которых возможно вспахивание льдом донного грунта, трубопровод должен быть заглублен на величину, превышающую возможную глубину проникновения льда в грунт. Требования ВСН 51-9-86 [5] еще жестче: трубопровод должен быть заглублен на 1 м ниже глубины возможного проникновения льда в грунт.

На практике, например в проекте «Сахалин-2» [7], используются спе­ циально разработанные технические условия, но их несовершенство до­ статочно очевидно и их применение явилось одной из причин задержки начала строительства.

Кроме того, для транспорта природного газа с п-ва Ямал в промышленно­ развитый центр России и далее в страны Западной Европы был разработан проект газотранспортной системы магистральных газопроводов Ямал-Евро- па с прохождением трассы через Байдарацкую губу Карского моря. В данном проекте морского перехода предусмотрено строительство восьми параллель­ ных ниток (с учетом резервных) диаметром 1220 мм и рабочим давлением 7,4 МПа, протяженностью около 67 км с максимальной глубиной моря 23 м.