книги бурение / Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин / 2

ем подводного коллектора и подачей смазочного материала в шаровое соединение морского стояка. Кроме того, панели обеспечивают контроль за параметрами и работой системы.

Гидравлическая силовая установка и блок управления:

принимают сигналы от панели управления и преобразуют их в команды, передаваемые с помощью рабочей жидкости по шлангу к подводному коллектору. Рабочая жидкость по команде селектора передается по одному из выбранных каналов управления;

передают команду в регулируемый клапан для изменения рабочего давления в универсальном превенторе;

передают ответные сигналы об использовании команд к панелям управления и с помощью насоса высокого давления осуществляют подзарядку гидроаккумуляторов;

приготовляют рабочую жидкость для работы системы и измеряют параметры в системе, передавая данные на контрольные приборы.

Многоканальный подводный шланг состоит из одного центрального канала большого диаметра, который служит для подачи рабочего давления к подводному коллектору, и соответствующего числа каналов малого диаметра для подачи команд с помощью жидкости к управляющим клапанам подводного коллектора.

Подводный коллектор:

направляет рабочую жидкость высокого давления в рабочие органы блока превенторов, снижает ее давление в цилиндрах превенторов с помощью регулирующего клапана (например, при операциях расхаживания бурильного инструмента);

соединяет все каналы при посадке сердечника коллектора в гнездо на блоке превенторов и надежно его запирает.

Шланговый барабан снабжен распределительными каналами для передачи основных команд к подводному коллектору. Высокое рабочее давление подается в барабан по отдельному гидравлическому шлангу 12 (см. рис. 25.30) через гидравлический вертлюг. Все электрические приборы панели управления и гидравлические коллекторы применяют во взрывозащищенном исполнении, вибростойкие и влагонепроницаемые.

Главная панель управления может быть гидравлического, электриче- ского или пневматического действия. Соответствующие команды с панели могут подаваться гидравлическими, электрическими или пневматическими сигналами на главную гидравлическую силовую установку (гидрораспределитель), который трансформирует их в гидравлические импульсы, передаваемые к подводным клапанам управления.

НАГРУЗКА НАМОРСКОЙ СТОЯК

Морской стояк является одним из важнейших и ответственных узлов общего комплекса ПУО.

В процессе буровых работ морской стояк эксплуатируется в сложных условиях. Практикой работ установлено, что такие условия эксплуатации часто приводят к повреждению его отдельных узлов. Причинами повреждений морского стояка могут быть длительный период воздействия на узлы суровых морских условий, использование буровых растворов большой плотности, нарушение рекомендаций по эксплуатации, недостаточное на-

985

Рис. 25.31. Схема действия нагрузок на морской стояк:

1 – воздействие морских течений; 2 – воздействие ветра; 3 – усилия натяжения нижней секции; 4 – верхняя секция морского стояка; 5 – натяжные устройства; 6 – телескопическое соединение; 7 – усилие от веса бурового раствора; 8 – усилие от веса морского стояка; 9 – шаровое соединение; 10 – нижняя секция морского стояка

тяжение нижней секции морского стояка и слабый контроль за изменением угла поворота шарового соединения при отклонении стояка от вертикали, использование недостаточно надежных узлов соединений, не соответствующих условиям работы в данном районе, а также недостаточный опыт работы при эксплуатации стояков и отсутствие соответствующей теоретической базы для их расчета. Из-за отсутствия достоверных исходных данных и опыта эксплуатации иногда приходилось проектировать и конструировать узлы стояка путем экспериментирования и испытания их в условиях имитации предполагаемых нагрузок и воздействий реальной среды, которые не вполне соответствовали фактическим нагрузкам, возникающим в натурных условиях.

На рис. 25.31 приведена схема действия нагрузок на морской стояк. При вертикальных

перемещениях ПБС во время качки морской стояк растягивается или сжимается, при смещении ПБС от центра скважины стояк изгибается. Морской стояк испытывает также горизонтальные нагрузки от морских волн, течений и ветра. Кроме этих нагрузок на морской стояк действует давление на стенки столба бурового раствора, заполняющего затрубное пространство между морским стояком и бурильной колонной.

Для обеспечения технологического процесса бурения скважины и необходимой при этом постоянной связи подводного устьевого оборудования с вертикально перемещающимся ПБС в конструкции морского стояка предусмотрено телескопическое соединение. В месте соединения нижней части морского стояка с блоком ПУО установлено шаровое соединение, компенсирующее изгиб морского стояка во время отклонения ПБС. На палубе ПБС размещено натяжное устройство для создания растягивающих усилий, прикладываемых с помощью натяжных канатов к верхнему концу нижней секции морского стояка.

При проектировании и конструировании элементов морского стояка большое значение имеют удачный выбор их конструкции и увязка в общей схеме конструкций узлов колонны стояка с узлами системы подвески. Это требует использования как в расчетах, так и в процессе эксплуатации достоверных данных об окружающей среде (волнение, течение, ветер и др.). Важную роль играет также систематическое и точное измерение усилий натяжения в канатах натяжных устройств нижней секции морского стояка. Для обеспечения этих требований натяжение морского стояка постоянно регулируется натяжными устройствами в зависимости от высоты волны и вертикальных перемещений ПБС. Требуется также систематический и точ- ный контроль угла отклонения морского стояка от вертикали.

986

Большое внимание также уделяется выбору и нанесению смазочного материала, а также защите соединений морского стояка. Очень важно иметь систематическую и достоверную информацию о прогнозе погодных условий, чтобы в случае необходимости своевременно принять меры по отсоединению морского стояка от подводного устьевого оборудования, снятию ПБС с точки бурения и обеспечению ухода на отстой в штормовую погоду. Очень большое значение придается надежности в работе системы дистанционного управления подводным устьевым комплексом. Например, несвоевременная и ненадежная посадка коллектора в гнездо на блоке ПУО может привести к дополнительным работам по ремонту и наладке.

Для обеспечения надежности работы узлов морского стояка в течение ряда лет ведутся лабораторные и натурные исследования нагрузок, действующих на морской стояк. Разработаны программы аналитических исследований напряжений в морском стояке с помощью ЭВМ. Результаты рас- четов сопоставляются с фактическими напряжениями, измеряемыми тензодатчиками, размещенными на морском стояке. Устанавливаются зависимости между максимальными напряжениями в стояке, углом отклонения от вертикали и усилиями натяжения. По мере увеличения усилия натяжения угол наклона и напряжения быстро уменьшаются и при достижении определенного минимума напряжения в узлах стояка опять начинают возрастать при дальнейшем уменьшении угла наклона.

25.9. СИСТЕМЫ УДЕРЖАНИЯ ПЛАВУЧИХ БУРОВЫХ СРЕДСТВ НА ТОЧКЕ БУРЕНИЯ

НАЗНАЧЕНИЕ И ТИПЫ СИСТЕМ УДЕРЖАНИЯ

Системы предназначены для удержания в заданных пределах отклонения бурового плавучего средства (БС или ППБУ) от оси бурящейся скважины в горизонтальном направлении.

Обычно горизонтальное перемещение бурового плавучего средства (БПС) не превышает 5–6 % глубины моря. Вместе с тем в большинстве случаев бурят при горизонтальном перемещении, равном 2–3 % глубины моря.

Радиус максимального отклонения R = 0,06 H,

где 0,06 – максимальное относительное отклонение, ограничиваемое напряжениями в трубах водоотделяющей колонны и углом отклонения нижнего шарнирного, шарового или другой конструкции соединения; Í – глубина моря, м.

В зависимости от глубины моря Í все ПБС оснащают одной из четырех возможных систем удержания на точке бурения:

при глубинах моря до 200 м – с помощью якорных цепей или тросов либо комбинированной системы (якорных цепей и тросов);

на глубинах моря более 200 м – с помощью динамической системы стабилизации (динамического позицирования).

987

ЯКОРНЫЕ СИСТЕМЫ УДЕРЖАНИЯ

Буровое плавсредство и систему заякоривания рассматривают как единый комплекс, за исключением случаев экстремальных погодных условий.

В табл. 25.5 приведены принятые в мировой практике критерии проектирования и указаны операции заякоривания.

Система заякоривания включает якорные цепи, лебедку, стопорное устройство, роульс (устройство для изменения направления перемещения якорного троса).

В зависимости от местных условий, характеристики бурового плавсредства и других факторов применяют различные схемы расположения якорных цепей или канатов относительно БПС.

На рис. 25.32 показаны шесть наиболее распространенных в мировой практике вариантов заякоривания при воздействии нагрузок с любой стороны; ï – число якорных канатов.

Ò à á ë è ö à 25.5

Проектные параметры и условия, используемые при определении систем заякоривания БПС

988

Рис. 25.32. Схема типовых вариантов систем заякоривания:

à, á, в – симметричные системы соответственно с ï = 9, 8, 10; г, д, е – системы с якорными канатами (ï = 8), расположенными соответственно под углом 45–90° друг к другу, под углом 30–70° к оси платформы и под углом 30–60° к продольной оси судна

Якорные цепи или тросы выбирают в зависимости от ожидаемой нагрузки на них, глубины моря, характеристики рабочего оборудования, стоимости, наличия пространства для палубных устройств и других факторов.

Для заякоривания применяют два типа плоскозвенных цепей с распоркой: цепь со сваренными встык звеньями и замковую цепь.

В большинстве случаев для заякоривания применяют металлические канаты диаметром 57–76 мм (иногда до 90 мм). Преимущества металличе- ских канатов: масса каната в морской воде в 5 раз меньше, чем масса цепи, и стоимость каната почти вдвое ниже стоимости цепи. Недостаток металлического каната заключается в том, что вследствие малой массы требуется большее развертывание троса до необходимой величины тангенциальной кривой провисания, а также в случае выхода каната из строя его следует заменять по всей длине. Масса нейлонового каната в 2 раза меньше массы металлического каната.

Якорные системы оснащают комплектом оборудования для регулирования натяжения якорных канатов, который включает тензометры и записывающую аппаратуру, непрерывно управляющую натяжением якорного каната и извещающую оператора об изменении высоты волны или направления ветра.

Системой натяжения управляют с пульта на основе информации, получаемой от датчиков, установленных на тросах.

Якорная система ППБУ «Шельф» пассивного позиционирования включает:

восемь якорей массой около 18 т каждый;

989

четыре якорные лебедки; восемь якорных цепей длиной 1075 м калибра 76 мм с разрывной на-

грузкой 4900 кН; восемь направляющих блок-звездочек, обеспечивающих изменение

движения якорной цепи, которые установлены на угловых колоннах ППБУ; восемь комплектов специальных плавучих буев с буйрепами для обо-

значения прокладки якорей с помощью обслуживающих судов; восемь механизмов крепления и аварийной отдачи якорных цепей,

расположенных в цепных ящиках; восемь силоизмерительных устройств, входящих в состав каждой

якорной лебедки; три запасных якоря, в том числе два с соединительными элементами

для использования их в качестве дополнительных; одну запасную цепь длиной 1075 м, один запасной комплект буйковой

системы, хранящейся на берегу.

Управление лебедками осуществляют с местного или дистанционного поста управления. Якорные цепи хранят в цилиндрических ящиках, расположенных внутри колонн ППБУ. Якоря в походном положении хранят на специальных кронштейнах.

СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

На глубинах моря более 200 м якорные системы стабилизации не обеспечивают требуемые допускаемые отклонения ПБС от вертикальной оси устья бурящейся скважины, становятся массивными, и их применение неэффективно. По этим причина на глубинах более 200 м используют динамические системы стабилизации (динамического позицирования), которые по сравнению с якорными системами удержания имеют следующие преимущества:

обеспечивают требуемую технологией бурения точность позицирования ПБС;

осуществляют быстрое изменение курса БС или ППБУ в целях уменьшения бортовой и вертикальной качек;

обеспечивают быстрый уход с точки бурения и возврат на нее ПБС. Система динамической стабилизации представляет собой замкнутую

цепь автоматического управления. Она включает:

цепь обратной связи с датчиками, определяющими координаты продольного и поперечного перемещений по осям x, y и угол поворота ϕ ПБС относительно принятых неподвижных координат;

блок сравнения, который определяет отклонения ∆x, ∆y, ∆ϕ действующего положения ПБС от его начального расчетного положения x0, y0, ϕ0;

пульты управления, имеющие прямую и обратную связи с двигателями и гребными винтами, рассчитывающие и подающие с командного пункта на двигатели и гребные винты команды для возвращения ПБС в начальное положение;

подруливающие устройства (двигателей и гребных винтов), обеспечи- вающие перемещение судна на величину ∆x, ∆y и ∆ϕ и возвращение его в начальное положение.

На рис. 25.33 в качестве примера приведена схема управления системой динамической стабилизации, применяемая на БС и ППБУ.

На автоматизированном пункте управления универсальная цифро-

990

Рис. 25.33. Схема управления ЭВМ системой динамической стабилизации:

1 – установка õ0, ó0; 2 – режим управления (автоматический, полуавтоматический, ручной); 3 – обратный контроль; 4 – ручной контроль; 5 – коррекция течения; 6 – опережение ветра

вая ЭВМ по цепи обратной связи получает данные от внешних датчиков о положении ПБС в определенный момент. При этом угол поворота ϕ определяют гирокомпасом, а координаты x, y вычисляются системой акустического измерения AMS (Acoustic Measuring System). Эти данные имеют высокую точность, их используют в системе динамической стабилизации.

В случае возможных помех, во избежание прерывания сигналов о положении ПБС, причиной которых может быть прохождение косяка рыбы или выброс грязи, на ПБС установлены дополнительные датчики: отвесный креномер стояка, ультразвуковой гидролокатор (сонар), которые заменяют первичные источники акустического измерения. ЭВМ, получая и подтвер-

Рис. 25.34. Схема постоянного и перекрестного резервирования датчиков

991

ждая данные о положении ПБС, вычисляет его перемещения относительно начального положения, рассчитывает продольные и поперечные усилия и вращающий момент, необходимые для его возврата в начальное положение, и подает команду на подруливающие устройства.

Для мгновенного противодействия порывам ветра, не дожидаясь его влияния на ПБС, в ЭВМ предусмотрена цепь опережения. Данные о направлении и скорости ветра поступают от анемометра и флюгера.

На рис. 25.34 показана схема связи датчиков окружающей среды, первичных источников информации AMS, вспомогательных источников и ЭВМ.

При выходе из строя системы акустического измерения ЭВМ автоматически подключается к вспомогательным источникам: креномеру с отвесом, креномеру стояка и другим источникам.

Âцелях надежного круглосуточного функционирования системы динамической стабилизации ее блоки дублированы, они представляют две параллельно замкнутые цепи автоматического управления. Для повышения надежности функционирования наряду с параллельным в схеме предусмотрено и перекрестное дублирование.

Âсистеме динамической стабилизации имеются две ЭВМ: одна работает, а вторая в резерве. В случае неисправности работающей ЭВМ осуществляется автоматическое переключение на резервную ЭВМ. Система автоматической стабилизации включается в работу и контролируется оператором с главного пульта управления. Кроме этого, буровой мастер имеет

пульт управления меньшего размера, который установлен на буровой площадке.

Основная часть электрического оборудования системы динамической стабилизации размещена в отдельном специальном помещении – зале управления (два гирокомпаса, две ЭВМ, два шкафа управления периферийными устройствами, две системы АМ, два телетайпа, шкаф общих цепей, главный пульт управления). В специальном зале, вблизи зала управления, установлены батареи питания, выпрямители и преобразователи напряжения. Остальные устройства размещены на борту ПБС. Гидрофоны и преобразователи запроса обычно устанавливают на углах квадрата или прямоугольника вокруг шахты.

На ПБС применяют различные сочетания горизонтальных продольных и поперечных подруливающих устройств. Мощность и расположение подруливающих устройств выбирают с учетом получения максимальной поперечной и продольной тяги, вращающего момента и обеспечения противодействия внешним силам, даже при аварии одного или нескольких подруливающих устройств. Поэтому тяга, развиваемая двигателями винтов, должна быть примерно на 50–100 % больше средней тяги, рассчитанной при проектных значениях ветровой нагрузки и силы течения. Соответственно должен быть запас мощности, определяемый разностью между максимальным тяговым усилием и усилием, необходимым на преодоление средних нагрузок.

На рис. 25.35 приведены размеры расположения гребных винтов и подруливающих устройств, а на рис. 25.36 схема размещения устройств системы динамической стабилизации на судне.

993