книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

Обычно буровая вы ш ка устанавливается в центральной части БС и скважину бурят через ш ахту, встроенную в судне. На некоторы х судах буровые вышки после окончания бурения уклады ваю тся в горизонталь­ ном положении, сниж ая этим парусность и пониж ая центр тяж ести суд­ на на переходах. Х арактерн ая особенность БС — малое отнош ение ш и ­ рины судна к осадке, равное 3— 4. Д едвейт современны х БС достигает 7000 т и включает: ж идкое топливо, ж идкий буровой раствор, порош ­ кообразные м атериалы , хим ические реагенты, цемент, питьевую и тех ­ ническую воду, обсадные и бурильны е трубы и другое оборудование.

БС во время бурения перем ещ ается относительно подводного про­ тивовыбросового оборудования, размещ енного над устьем скваж ины и закрепленного на морском дне. В ертикальная качка при бурении, спус­ ке и подъеме труб м ож ет достигать 3 м. Д ля компенсации вертикаль­ ных перемещений бурильной колонны м еж ду талевы м блоком и крю ­ ком монтируется компенсатор перемещ ений. Горизонтальные перем е­ щения судна ком пенсирую тся водоотделяю щ ей колонной (стояком), устанавливаемой м еж ду подводным противовыбросовым оборудовани­ ем и палубой.

Буровая вы ш ка баш енного типа испы ты вает дополнительны е на­ грузки, возникаю щ ие во врем я качки, и рассчитана на сочетание м ак­ симальных нагрузок. С варная конструкция основания вы ш ки служ ит рабочей площадкой и базой для установки натяж ны х устройств водо­ отделяющей колонны и направляю щ их ш кивов натяж ны х устройств. Натяжное устройство п о д д ер ж и вает требуем ое н атяж ен и е канатов путем подтягивания или разм аты ван и я каната в зависимости от п ере­ мещения судна, вызванного волнением.

Циркуляционная система промывки скважин, очистки и приготовле­ ния бурового раствора вы полняется закры той и замкнутой, так как при­ менение открытой желобной системы и з-за качки судна затруднено.

Технологический процесс бурения за исклю чением оборудования подводного устья в принципе не отличается от наземного бурения. По­ этому для комплектования буровой установки использую тся стандарт­ ные узлы и оборудование. О днако в силу того обстоятельства, что пло­ щадка, с которой ведется бурение, им еет перемещ ения, применяемое на БС оборудование им еет ряд особенностей.

Циркуляционная система промывочного раствора явл яется прину­ дительной и замкнутой, потому что при качке невозможно применение желобной системы очистки с самотечным движ ением ж идкости. На БС поступающий из скваж ины раствор из приемного отверстия (ш арнир­ нойопоры) через трубу подается на вибросито д л я грубой очистки, пос­

ле чего сливается в приемную емкость, из которой подается на гидро­ циклоны для тонкой очистки и оттуда в хранилищ е раствора под палу­ бой судна.

П ри бурении с БС во врем я качки затруднена установка бурильных труб на подсвечник внутри вы ш ки при спускоподъемны х операциях. Это связано с колебаниями судна, которые приводят к необходимости закр еп л ять каж дую трубу в подсвечнике выш ки. В связи с этим для ускорения сборки и разборки бурильной колонны применяю тся меха­ низированны е стеллаж и для складирования труб. М еханизированный стеллаж представляет собой ряд кассет, куда заклады ваю тся трубы или свечи труб. Трубы из кассет вы нимаю тся и заклады ваю тся с помощью цепной сам одвиж ущ ейся ленты с захватам и в тележ ки , перемещающи­ еся м еж ду стеллаж ам и и мостками буровой площ адки.

Б урен и е с БС проводилось на глубинах вод более 6000 м. Это достиг­ нуто благодаря созданию систем ориентации для повторного попада­ ния в ствол бурящ ейся скваж ины , систем динамической стабилизации, узлов подводного устьевого оборудования и систем контроля. В глубо­ ководны х аквато р и ях определяю т скорость течен ия и анализирую т работу морского стояка при различны х скоростях течения и отклоне­ ниях судна от устья скваж ины . П ревы ш ение отклонения вы ш е допус­ тимого м ож ет привести к отсоединению морского стояка. В мировой практике установлено, что при глубинах до 760 м ослож нений с подве­ ш енным к судну и отсоединенным от скваж ины стояком не бывает.

Д ля компенсации вертикальны х колебаний П БУ использую тся ком­ пенсаторы с располож ением их на кронблоке или м еж ду талевы м бло­ ком и крюком. Более ш ироко прим еняю тся компенсаторы, подвешен­ ные на талевом блоке, и з-за их меньш ей массы. Кроме устранения вли­ ян и я вертикальн ы х перем ещ ений судна ком пенсатор поддерживает постоянную нагрузку на долото. Он ж е способствует надеж ности опе­ раций по защ ите от выбросов, так как при закры тии плаш ек превенто­ ра бурильная колонна не повреж дает резиновы е уплотнения плашек.

8 .8 . КОНСТРУКЦИИ М ОРСКИХ С К В А Ж И Н

К онструкция скваж ин долж на обеспечивать ее высокую на­ деж ность в процессе эксплуатации и предупреж дать осложнения в про­ цессе бурения сокращ ение врем ени строительства. В основу выбора конструкций скваж ин полож ен принцип, при котором количество об­ садны х труб определяется несовместимостью условий бурения отдель-

ных интервалов скваж ин. З а исклю чением направления и кондуктора необходимое количество обсадных труб зависит от граф ика изм енения пластовых давлений, давлений гидравлического разры ва пород и ус­ тойчивости стенок скваж ины от обруш ения. С учетом этих парам етров определяются зоны со вм ести м ы х условий бурения. Количество этих зон соответствует количеству обсадных труб.

Учитывая особенности морского бурения, более слож ны е техноло­ гии бурения и производства капитального ремонта скваж ин, высокую стоимость буровы х работ, выбор оптимальной конструкции скваж ин имеет первостепенное значение. М ноголетний опыт бурения с П БУ оп­ ределил две типовые конструкции скваж ин с подводным устьем.

Первый т и п к о н с т р у к ц и й п р и м ен яю т д л я скваж и н глубиной 5000—6500 м. Он вклю чает в себя ф ундам ентную колонну (направле­ ние) диаметром 762— 914 мм и кондуктор диаметром 508 мм, длиной 100—300 м, на котором крепится подводное устьевое оборудование и направляющие канаты . Д алее следуют: первая промеж уточная колонна диаметром 340 мм; вторая пром еж уточная колонна — 273 или 245 мм; эксплуатационная колонна — 178 мм. Д иам етр эксплуатационной ко­ лонны обеспечивает установку двухколонны х НКТ для одновременно­ раздельной эксплуатации скваж ины .

В торой т и п к о н с т р у к ц и й прим еняю т для скваж ин глубиной до 5000 м. Он вклю чает в себя фундаментную колонну диаметром 762 мм и длиной до 40 м, кондуктор диаметром 406 мм, промежуточную колонну — 273 мм и эксплуатационную колонну — 178 мм. Н апример, в Северном море на месторождении Ф ортиз была применена следую щ ая конструк­ ция скважины: 762 х 508 х 340 х 245 х 178 мм. В М ексиканском заливе при глубине скваж ин более 6000 м дополнительно устанавливаю т хвос­ товики диаметром 114— 127 мм.

Одна из особенностей конструкций морских скваж ин — коренное отличие узлов подвески обсадных колонн от колонных головок, прим е­ няемых на суше. И спользование типовы х конструкций скваж ин облег­ чает стандартизацию узлов подвески колонн и узлов дорогостоящего подводного устьевого комплекса.

Устьевое оборудование скваж ин м ож ет располагаться по отнош е­ ниюк поверхности моря по-разному: надводное на платф орме; надвод­ ное без опоры на платф орм у и подводное. П рименение устьевой сис­ темы с надводной п л а тф о р м о й облегчает монтаж, контроль и ремонт оборудования, но ограничивается глубиной моря и метеорологически­ ми условиями района бурения. При больш их глубинах вследствие ко­ лебаний ПБУ и Б С с надводной платф орм ой бурильная колонна и водо-

отделяю щ ая колонна (стояк) испы ты ваю т больш ие вертикальны е и го­ ризонтальны е нагрузки.

Надводное располож ение устьевого оборудования продуктивной скваж ины без опоры на п л а т ф о р м у оборудую т следую щ им образом: с помощью специальны х превенторов скваж ина и золи руется от моря; верхняя часть водоотделяю щ ей колонны вместе с устьевы м оборудо­ ванием отсоединяется от ПБУ; н аходящ аяся на небольшой глубине от поверхности м оря колонна вм есте с устьем закр еп л яется с помощью подводных оттяж ек и натяж ной бочки. Такое обустройство скважины позволяет вести проходку с поверхности воды без подводного устьево­ го оборудования. Кроме того, в последую щ ем появляется возможность осущ ествлять надводную эксплуатацию скваж ины с помощью особых заякоренны х стоянок.

Подводное расположение устьевого оборудования позволяет закончить скваж ину бурением на глубинах моря более 1800 м. По сравнению с над­ водной системой этот метод сниж ает волновую нагрузку на оборудование. Подводное устье соединено с судном с помощью водоотделяющей колон­ ны, нйпръъдакицкх. тросон %системы табких Подао да<зео&урудйвание состоит из подводной шестигранной плиты, передаю щ ей нагрузку от оборудования на грунт; устьевой головки для обвязки всех обсадных колонн и присоединения противовыбросового оборудования; нижнего зам­ кового соединения и водоотделяющей колонны с гибким соединением.

Все обсадные колонны подвеш иваю тся в устьевой головке на дне моря. У правление подводным комплексом осущ ествляется с палубы П БУ с помощью гибких ш лангов и гидравлической системы: разъеди­ нение и соединение частей осущ ествляется с П БУ применением специ­ альны х заж имов. Все м онтаж ны е работы по сборке и разборке подвод­ ного оборудования вы полняю тся с помощью монтажного устройства, размещ енного на судне над отверстием в турели.

В одоотделяю щ ая колонна (морской с т о я к ) явл яется одним из от­ ветственны х узлов общего комплекса подводного устьевого оборудова­ ния. П ри вертикальны х перем ещ ениях П БУ во врем я качки морской стояк р астяги вается или сж и м ается, при горизонтальном смещении П БУ от центра скваж ины стояк изгибается. М орской стояк испытыва­ ет действие волн и течений, изнутри на стенки стояка действует давле­ ние циркулирую щ его бурового раствора. В верхней части стояка име­ ется телескопическое соединение, в ниж ней части — ш аровое соедине­ ние, компенсирую щ ее изгиб стояка во врем я отклонения ПБУ. На палубе П БУ разм еш ается натяж ное устройство для создания с помощью ка­ натов регулируемого натяж ен и я ниж ней секции стояка.

Важно иметь достоверны й прогноз погодных условий, чтобы в слу ­ чае необходимости своевременно принять м еры по отсоединению сто­ яка от ПБУ или от БС, снятию их с точки бурения и отходу их на отстой.

При наличии морского стояка бурение под установку кондуктора может привести к гидравлическому разры ву пласта ниж е баш мака на­ правления. Во избеж ание осложнений в направлении делается отверстие для выпуска шлама, а скваж ина промывается морской водой. В морском бурении конструкции скваж ин требую т использования долот больш их диаметров (590, 630, 720 мм) и ш арош ечны х расш ирителей, больш их проходных диаметров отверстий роторов, а такж е стабилизаторов-цен ­ траторов, высокопрочных обсадных труб и др.

В морском наклонно-направленном бурении, как и на суше, прим еня­ ют забойные двигатели: турбобуры, винтовые двигатели, электробуры в сочетании с буровыми долотами, оснащенными алмазно-твердосплавны ­ ми пластинами. Винтовые двигатели, обладающ ие низкой частотой вра­ щения, большим вращ аю щ им моментом и небольш ой длиной, наш ли широкое применение в морском бурении. В условиях моря пред ъявля ­ ются более ж есткие требования к буровым растворам во избеж ание заг­ рязнения моря. П рименяю тся специальны е рецептуры , подавляю щ ие набухание глинистых сланцев, в частности, ингибированные калиевы е растворы или известково-битумные на основе морской воды.

8.9.ОСОБЕН НО СТИ БУРЕНИ Я НА АРКТИЧЕСКОМ Ш ЕЛЬФ Е

В арктическом регионе Земного ш ара находится Северны й Ледовитый океан, а такж е прилегаю щ ие северны е зоны А тлантичес­ кого и Тихого океанов. В настоящ ее врем я ведутся активны е работы по освоению арктического ш ельф а на акваториях побереж ий А ляски, К а­ нады, Норвегии и России.

Интенсивные буровые работы на нефть и газ в зонах арктического ш ель­ фа начали США и Канада в середине 60-х гг. прошлого века. В 1970-е гг.были обнаружены месторождения нефти и газа на Аляске, а позже был введен в

эксплуатацию трансаляскинский нефтепровод длиной 1300 км от залива Прадхо-Бей до незамерзающего порта Валдиз на юге Аляски.

Трудности освоения ш ельф а арктической зоны связаны преж де все­ гос суровыми клим атическим и условиями, тяж елой ледовой обстанов­ кой и удаленностью от промы ш ленны х центров. А кватории ш ельф ов свободны ото льда в течение 2— 4 м есяцев в году. Т ребуется защ ита от

низких тем ператур не только лю дей, но и м еханизм ов и трубопроводов. В России и К азахстане опыта проведения подобных работ нет, так как акватория Каспийского моря, где осущ ествляется нефтедобыча, явля­ ется незам ерзаю щ ей (средняя глубина м оря 180 м, северная часть моря им еет глубину до 20 м).

Ш ирина ш ельфовой зоны России составляет сотни километров. Наи­ более исследованны ми являю тся Б аренцево и К арское моря со средни­ ми глубинами соответственно 230 и 118 м. Именно в этих морях откры­ ть: такие крупны е м есторож дения неф ти и газа, как Штокмановское, П риразлом ное, В арандейское, Русановское и Л енинградское. Особен­ ностью данного региона являю тся: п олярн ая ночь продолжительнос­ тью до 70 суток; зим ние тем п ературы до — 50 °С; ветры со скоростями до 40 м /с; волны высотой до 10 м; приливны е колебания уровня воды до 1,5 м; продолж ительность ледового периода в устье П ечоры до 272 су­ ток и наличие крупны х ледяны х образований в виде айсбергов.

М орское дно сложено суглинками, глинами, песками, супесями, ила­ ми. Под дном морей распространены массивы м ерзлы х грунтов: на При­ разломном месторож дении при глубине воды 20 м мощность мерзлых грунтов составляет 23 м; на Варандейском — 63 м. На отдельны х участ­ ках дна мощность м ерзлы х грунтов достигает 100 м. Эти грунты отли­ чаю тся засоленностью , при их оттаивании из донных грунтов выделя­ ется метан.

Глубина м оря в районе Ш токмановского газоконденсатного место­ рож дения достигает 360 м. Дно м оря слож ено глинистыми и илистыми грунтам и, тем пература которы х в поверхностном слое равна -0,6 ‘С. У тверж денны е геологические запасы газа составляю т 3,2 трлн м3, газо­ вого конденсата — 31 млн т. Особенности ледовы х условий: дрейфую­ щ ие ледовы е поля со средней толщ иной льда до 1,5 м; айсберги с осад­ кой до 100 м, массой до 1 млн т и скоростью перем ещ ения до 1 м/с.

Д ля бурения в подобных ледовы х условиях разработаны специаль­ ные конструкции стационарны х платф орм . Т акие платф ормы способ­ ны вы держ ивать воздействие льда, но не могут сопротивляться айсбер­ гам. М атериалом для платф орм явл яется сталь и предварительно на­ пряж енны й ж елезобетон.

Разли чны е типы гидросооруж ений для добычи неф ти и газа в арк­ тических районах прим еняю тся на следую щ их глубинах:

•искусственны е намы вны е и насыпные острова из песка и гравия — до 15— 20 м;

•платф орм ы и з ж елезобетонны х или стальны х блоков-гигантов — до 30— 45 м;

•платформы башенного типа — до 60— 100 м;

•плавучие полупогружные платф ормы на якорях — до 100 м и более. Освоение континентального ш ельф а А рктики было первоначально

связано со строительством грунтовых островов, поскольку традицион­ ные конструкции платф орм более подверж ены разруш аю щ ем у д ей ­ ствию льда, чем искусственны е острова. П реим ущ ествам и островов являются: относительно м еньш ие капитальны е затраты на строитель­ ство; большая устойчивость к ледовым, волновым и сейсмическим воз­ действиям; возмож ность прим енения такой ж е технологии бурения как и на суше.

По назначению острова подразделяю тся:

•для разведочного бурения, имею щ ие относительно небольшой срок службы;

•эксплуатационные для промыш ленной добычи неф ти и газа, им е­

ющие усиленны е конструкции и увеличенны е размеры .

Самый большой и самый северны й остров откосного типа располо­ жен в море Б оф орта у берегов Аляски. Глубина в м есте возведения ост­ рова около 15 м. На отсы пку острова уш ло 950 тыс. кубометров гравия, в его основании залегаю т песчано-глинисты е отлож ения. Рабочая пло­ щадка острова им еет диам етр 107 м и возвы ш ается над уровнем моря на 6,4 м. Н иж няя часть откосов защ ищ ена 20 ты сячам и меш ков с грави ­ ем. Основные работы были вы полнены в 1982 г. Буровы е работы нача­ лись летом 1983 г.

В канадском арктическом секторе на глубинах до 40 м возведен уни­ кальный остров М оликпак с ограж дением и з стальны х массивов-гиган­ тов. Строительство сборных элементов острова было выполнено в Япо­ нии. Буксировка и установка острова на месторож дении производилась летом 1984 г.

Основной несущей конструкцией острова является опорный корпус в виде восьмигранного корпуса (рис. 8.8). Подошва корпуса опирается на по­ верхность песчаной постели. Высота корпуса 29 м, возвыш ение над уров­ нем воды 7,6 м. Разм еры корпуса в плане на уровне палубы 86,6 х 86,6 м. Внутренняя полость острова заполнена песком. Остров можно передис­ лоцировать на другие места. П одъем и опускание обеспечиваю тся от­ качкой или заполнением водой балластны х отсеков. Д ля подъема кон­ струкции необходимо удалить 50 % песчаного ядра.

Остров ледостойкий, п р ед н азн ач ен д л я круглогодичного бурения. В системе палубной н адстрой ки располож ено технологическое обо­ рудование и запасы м атериалов, энергетическая установка (5 дизелей по 4300 кВт), вертолетная площ адка и ж илы е помещ ения на 100 чело -

век. О стров оборудован кран ам и грузоподъем н остью по 65 тс. При п роектировании учи ты валось воздей стви е сплош ны х ледян ы х полей толщ иной до 8 м и паковы х льдов с торосам и вы сотой до 21 м. Созда­ ны условия д л я круглогодичного бурен и я в д и ап азон е тем ператур от + 10 до -5 0 °С.

Рис. 8.8. Остров с ограждением из стального корпуса

Стационарны е платф орм ы для ш ельф ов арктических морей конст­ руктивно отличаю тся от аналогичных сооруж ений, возводимых в неза­ м ерзаю щ их морях. Эти платф орм ы изготавливаю тся в промышленных районах, а затем буксирую тся и устанавливаю тся на месторождениях. По сравнению с искусственны ми островами стационарны е платформы имеют ряд преимущ еств: могут прим еняться на значительны х глуби­ нах; могут перем ещ аться и эксплуатироваться на нескольких месторож­ дениях; легче привести место эксплуатации в первоначальное есте­ ственное состояние после отработки месторож дения.

Разработаны проекты стационарны х платф орм разнообразны х кон­ струкций. Чащ е всего платф орм ы являю тся гравитационными, устой­ чивость которых обеспечивается их собственным весом. Иногда для уси­ ления связи платф орм ы с грунтовым основанием использую т стальны е трубчатые сваи. И м ею тся проекты одноопорных и многоопорных плат­ форм. Одноопорная платф орм а п ред ставляет собой прочный корпус конусной или цилиндрической ф ормы , опираю щ ийся на морское дно. В зоне воздействия льда площ адь сечения конуса наименьш ая.

На рис. 8.9 изображ ена гравитационная буровая платф орм а сталь­ ной конструкции, которая устанавливается на морском дне при глуби­ нах до 18 м. Основными конструктивны ми частями платф орм ы я в л я ­ ются: фундаментный опорный блок, имею щ ий вид двух усеченных гра­ неных конусов; опорный цилиндр и верхнее надводное строение.

Рис. 8.9. Морская ледостойкая платформа стальной конструкции

Внутреннее пространство фундаментного блока разделено на отсе­ ки, предназначенные для балластировки платф ормы морской водой, для

хранения пресной воды и топлива. В состоянии эксплуатации балласт­ ные отсеки заполнены водой. П латф орм а м ож ет всплы вать и перево­ диться в другое место. На трехпалубном надводном строении размеща­ ется буровое и другое технологическое оборудование, электростанция, насосная, бойлерная, подъем ны е краны , вертолетная площ адка, жилые помещ ения на 90 человек.

В верхней части геологического р азр еза ш ельф а арктических райо­ нов толщ а м ноголетнем ерзлы х пород (ММП) м ож ет достигать 100 м, а на суш е — 500 м и более. В состав ММП могут входить прочные и сла­ бые породы.

При бурении скваж ин в толщ е ММП возникаю т следую щ ие ослож­ нения:

• оттаивание пород, проникновение бурового раствора в затрубное пространство, разм ы в пород за кондуктором, грифонообразование;

•кавернообразование, осыпи и обвалы, приводящ ие к прихвату бу­ рильного инструм ента, провалы ф ундам ента под буровой установ­ кой;

•затруднения со спуском обсадных колонн, невозможность прокач­ ки цементного раствора в заколонное пространство, смятие обсад­ ных колонн;

•выбросы бурового раствора, воды и газа при разбуривании про­ пластков газогидратов,

Э ксплуатационная колонна в интервалах залегания ММП должна состоять из труб, вы держ иваю щ их давления, которые возникают при обратном пром ерзании затрубного пространства. Основным способом предотвращ ения осложнений при бурении ММП является сохранение отрицательной тем пературы стенок скваж ины . Д ля этого используют­ ся охлаж денны е промывочные жидкости.

После разбуривания всей толщ и ММП ствол скваж ины закрепляют обсадной колонной, баш мак которой устанавливаю т ниж е глубины про­ м ерзания. П ри цем ентировании следует использовать хладостойкие растворы . В газовы х скваж инах кольцевое пространство м еж ду кондук­ тором и стенками ствола следует герм етизировать с помощью пакера. Это предотвращ ает образование грифонов при оттаивании пород. Про­ долж ительность бурения скваж ины под кондуктор долж на составлять не более 2 суток во избеж ание оттаивания неустойчивы х пород.