25.10. МОРСКИЕ СТАЦИОНАРНЫЕ ПЛАТФОРМЫ (МСП)
МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ МОРСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Особенность работ по освоению морских месторождений – кратное увеличение капитальных вложений по сравнению с капитальными вложениями для освоения аналогичных по запасам месторождений на суше. Рис. 25.37 иллюстрирует динамику роста коэффициента стоимости в зависимости от глубины моря. Как видно, при глубине моря 5 м стоимость работ увеличивается в 2 раза, при глубине 180 м – в 8 раз, а при глубинах более 180 м стоимость работ продолжает резко возрастать.
Рассматривая структуру стоимости, следует отметить, что основная доля идет на строительство гидротехнических сооружений и приобретение технических средств.
В зависимости от условий окружающей среды резко растет общая стоимость, а также доля стоимости обустройства в общей стоимости работ по разработке месторождения. Если стоимость работ в Мексиканском заливе по обустройству составляет 42 %, то в Северном море она составляет 57 % общих затрат на освоение. В северных и арктических районах доля затрат на обустройство увеличивается еще больше. Условия окружающей среды и оценка запасов месторождения определяют весь комплекс технологических решений и выбор технических средств для разработки и обустройства данного месторождения.
Особенность разработки морских нефтяных и газовых месторождений на МСП состоит в том, что в проектах для снижения затрат на дорогостоящие гидротехнические сооружения предусматривают разработку месторождения, включая бурение скважин, добычу и подготовку нефти с кустовых стационарных платформ. При этом часть эксплуатационного обо-
Рис. 25.37. Зависимость коэффициента стоимости от глубины моря
994
рудования размещают на буровой стационарной платформе, а вторую часть, которая на первом этапе эксплуатации месторождения не применяется, – на отдельной стационарной платформе.
ОСОБЕННОСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН С МСП
Вследствие большой стоимости гидротехнических сооружений проектами разработки предусматривается, чтобы данное месторождение было разбурено с минимального числа стационарных платформ. Число платформ и скважин на одной платформе определяют, исходя из площади месторождения и глубины залегания продуктивного горизонта, обеспечи- вающего на данной глубине максимально допустимое отклонение скважины от вертикали и качество проводки наклонно направленного ствола скважины современными техническими средствами. Эффективность разработки морских нефтяных и газовых месторождений повышается благодаря одновременному бурению скважин и добыче нефти или газа с пробуренных скважин на этой платформе.
Для обеспечения одновременного проведения этих работ наряду с конструктивными особенностями платформы (наличием многоэтажных палуб) устанавливают определенную последовательность работ при бурении скважин. В частности, сначала спускают все направления на платформе, а затем делят скважины куста на мелкие группы и спускают кондукторы в одной группе, после чего поочередно бурят каждую скважину этой группы. Затем переходят к бурению следующей группы, а из законченных скважин добывают нефть. Иногда разбуривают группу скважин, и буровую установку передвигают на другой конец платформы, а из законченных скважин добывают нефть. При бурении вблизи эксплуатируемых скважин добычу нефти на последних временно приостанавливают в целях обеспечения безопасности производства буровых работ.
В морском наклонно направленном бурении, как и на суше, используют забойные двигатели: турбо- и электробуры, винтовые двигатели. Для ускорения и обеспечения качества строительства наклонно направленных скважин применяют методики расчета траекторий скважин с использованием промежуточных компьютерных программ на месте работ без применения стационарных ЭВМ. Это позволило снизить стоимость буровых работ. Одним из основных критериев методики расчета является прокладка траектории новой скважины в пределах цилиндрического «коридора» диаметром около 15 м, не пересекающегося с ранее пробуренными скважинами.
В морском бурении начато широкое использование систем измерения параметров в процессе бурения. Эти системы содержат три основные подсистемы: заборные датчики и блок нормализации параметров; средства передачи информации с забоя на поверхность; поверхностное оборудование для приема, расшифровки и воспроизведения на дисплее переданной информации. Приборы выполнены в одном блоке для измерения угла наклона и азимута скважины, ориентирования на забое при неподвижной бурильной колонне, снятия гамма-каротажных и электрокаротажных диаграмм, определения нагрузки на долото, вращающего момента, а также температуры и давления в затрубном пространстве.
Приборный блок при необходимости комплектуют и другими устройствами. Применение этих систем измерения сокращает время бурения и
995
повышает качество проводки наклонно направленных скважин, что особенно важно в морском бурении при относительно высокой стоимости эксплуатации буровой установки.
Âпрактике работ используют в основном две системы: систему, в которой передача сигналов осуществляется методом импульсной телеметрии
âбуровом растворе, и систему, в которой сигналы передаются по электромагнитному каналу (приборы ÇÈÑ-4, ÇÖÒ-1 è äð.).
Âморском наклонно направленном бурении высокие техникоэкономические показатели обеспечивают благодаря применению забойных
двигателей в сочетании с буровыми долотами режущего типа, оснащенных алмазно-твердосплавными пластинами, и использованию соответствующих буровых растворов.
Геологические особенности морского бурения:
относительно меньшее значение горного давления в породах вследствие того, что часть пород более высокой плотности заменяет морская вода плотностью 1,03 г/см3, в особенности в глубоководных акваториях. Это учи- тывают при ликвидации проявлений скважины во избежание гидроразрыва;
меньшая, чем на суше, глубина залегания газоносных пластов. Одной из технических особенностей бурения является то, что в связи с принятыми конструкциями скважин площадь поперечного сечения затрубного пространства больше, чем у скважин на суше, и при малых и средних притоках газа давление в затрубном пространстве повышается сравнительно незначительно.
Бурение под кондуктор при наличии водоотделяющей колонны может привести к гидроразрыву пласта ниже башмака направления. Во избежание осложнения в направлении рекомендуется предусматривать отверстие для выпуска шлама и промывать скважину при бурении под кондуктор морской водой или применять обратную промывку с использованием газлифтного выноса шлама.
Для предохранения спущенных промежуточных обсадных колонн от изнашивания в процессе производства СПО в предполагаемых местах устанавливают временные сменные втулки.
В морском бурении конструкции скважин требуют использования долот больших размеров (590, 630, 720 мм), раздвижных шарошечных расширителей размерами 394/630 и 590/720 мм. Многоколонная конструкция скважин требует применения больших диаметров труб, проходных диаметров отверстий роторов, наддолотных стабилизаторов-центраторов, высокопрочных обсадных труб, специального спускоподъемного инструмента, устройств для ликвидации прихватов и других специальных инструментов и устройств.
Большое значение имеет выбор компоновок низа бурильной колонны в целях придания жесткости.
Коренным образом отличается организация буровых работ в море от работ на суше. Из-за погодных условий не всегда предоставляется возможность доставить необходимые грузы для обеспечения нормальной работы буровой бригады.
Организация в море складских помещений характеризуется их высокой стоимостью. На основе опыта работ в море определяют оптимальную вместимость складских помещений платформы и разрабатывают график материально-технического снабжения буровых работ в данном районе.
996
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ МСП
На первом этапе развития конструкций первое металлическое свайное основание было разработано Н.С. Тимофеевым, металлические сваи которого погружали методом забуривания. После бурения шурфов под сваи и установки и цементирования свай в морском дне пролетное строение собирали и сваривали на месте строительства. В 1940 г. Б.А. Рагинский предложил крупноблочную конструкцию верхнего строения морского основания, которую устанавливали и монтировали на зацементированных сваях. Применение крупноблочных элементов заводского изготовления резко сократило время строительства.
В процессе разработки морских месторождений потребовалось надежное сообщение между отдельными объектами, расположенными на морских стационарных основаниях. Доставка грузов на судах при волнении свыше 4 баллов и ветре более 5 баллов была затруднена. Кроме этого, несудоходность акватории в местах разработки (например, район Нефтяных камней) обусловила создание эстакад как средства сообщения между объектами существующего промысла.
Следующим шагом в развитии конструкций было создание металличе- ских стационарных оснований ЛАМ конструкции Л.А. Межлумова, металлических оснований МОС конструкции Л.А. Межлумова, С.А. Оруджева и Ю.А. Саттарова. В 1976 г. на месторождении им. 28 апреля построено стационарное металлическое основание на глубине моря 84 м.
В зарубежной практике освоение морских нефтяных месторождений также было начато с применением стационарных оснований на деревянных сваях. Характерной особенностью американской практики строительства стационарных морских оснований было использование железобетонных и бетонных конструкций в виде кессонов, массивов, опускных колодцев и свай. Например, основание Коллинса представляет собой цилиндри- ческую бетонную колонну-массив диаметром 5,8 м, погруженную в грунт на требуемую глубину. Применяли гигантские массивы на кессонах с размером в плане 12Ч20 м, по периметру которых забивали ряд шпунтовых свай. Все пространство, окруженное шпунтовым рядом, засыпали песком. Ввиду высокой стоимости эти конструкции не получили широкого распространения. На Марокарибском озере на глубинах до 30 м устанавливали железобетонные стойки диаметром 1,5 м с толщиной стенок 0,15 м и общей длиной 0,55–0,60 м, на которых строили основание. На меньшей глубине применяли сваи 0,6Ч0,6 м, которые забивали в грунт с помощью паровых копров.
Металлические стационарные морские основания для бурения скважин и добычи нефти за рубежом начали свое развитие с простейших конструкций на глубину 6 м до сложных конструкций на глубины до 305 м и более.
Вторым этапом в развитии конструкций морских гидротехнических сооружений для бурения скважин и добычи нефти было создание морских стационарных платформ, состоящих из опорной части, массивного моноблока и съемного многопалубного верхнего строения. Особенность этих конструкций – применение массивных блоков (модулей) заводского изготовления, комплектуемых определенным технологическим оборудованием и размещаемых на разных по высоте палубах многопалубного верхнего
997
строения стационарной платформы. Это обеспечило одновременное проведение буровых работ и добычу нефти.
Наиболее ускоренное развитие конструкций МСП произошло при освоении нефтяных и газовых месторождений Северного моря. Наряду с массивными стационарными металлическими платформами, закрепляемыми к морскому дну сваями, в Северном море широко применяют массивные железобетонные платформы гравитационного типа. Используют также конструкции комбинированные: низ конструкции изготовляют из железобетона, а верх – из металла.
Для глубоководных акваторий имеется ряд разработок платформ с натяжными опорами, проекты которых осуществляются в настоящее время.
В последние годы наметилась тенденция применения плавучих систем освоения морских нефтяных и газовых месторождений. Такие системы используют при разработке малодебитных месторождений, а также на первом этапе для освоения месторождений с большими извлекаемыми запасами.
Выполнен ряд проектов по совершенствованию жестких металличе- ских конструкций и по исследованиям и разработке проектов упругих конструкций платформ на большие глубины (от 300 до 1050 м). В проектах использован эффект взаимной компенсации волновых нагрузок при резонансных частотах. Разработан ряд конструкций платформ для работы в ледовых условиях.
НАЗНАЧЕНИЕ И ТИПЫ МСП, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Морская стационарная платформа – уникальное гидротехниче- ское сооружение, предназначенное для установки на ней бурового, нефтепромыслового и вспомогательного оборудования, обеспечивающего бурение скважин, добычу нефти и газа, их подготовку, а также оборудования и систем для производства других работ, связанных с разработкой морских нефтяных и газовых месторождений (оборудование для закачки воды в пласт, капитального ремонта скважин, средства автоматизации морского промысла, оборудование и средства автоматизации по транспорту нефти, средства связи с береговыми объектами и т.п.).
При разработке морских месторождений в основном два фактора определяют направление работ в области проектирования и строительства гидротехнических объектов в море. Такими факторами являются ограниче- ния, накладываемые условиями окружающей среды, и высокая стоимость морских операций. Эти факторы обусловливают все решения в проектировании и конструировании МСП, выборе оборудования, способов строительства и организации работ в данной акватории моря. Таким образом, МСП являются индивидуальными конструкциями, предназначенными для конкретного района работ.
В последние годы, в связи с расширением работ по освоению морских нефтяных месторождений в разных районах Мирового океана, предложен и применен ряд новых типов и конструкций МСП. Эти типы и конструкции МСП различают по следующим признакам: способу опирания и крепления к морскому дну, типу конструкции, материалу и другим признакам.
По способу опирания и крепления к морскому дну МСП подразделяют на свайные, гравитационные, свайно-гравитационные, маятниковые и на-
998
тяжные, а также плавающего типа; по типу конструкции – на сквозные, сплошные и комбинированные; по материалу конструкции – на металли- ческие, железобетонные и комбинированные. Сквозные конструкции выполняют решетчатыми. Элементы решетки занимают относительно небольшую площадь по сравнению с площадью граней пространственной фермы. Сплошные конструкции (например, бетонные) непроницаемы по всей площади внешнего контура сооружения.
Реализация и разработка большого числа проектов конструкций МСП затруднили их изучение и определение технико-экономических возможностей, и главное – определение направления развития проектирования и производства МСП.
Для облегчения работ в этом направлении отечественными и зарубежными специалистами предложены варианты классификации МСП.
Ю.А. Эстрин и А.И. Левченко приводят вариант классификации морских нефтегазопромысловых сооружений. Основными признаками классификации приняты: размещение оборудования (подводное, надводное, комбинированное), способ монтажа, характер деформации опор, тип конструкции, сопротивление внешним воздействиям, статическая и динамиче- ская жесткости, характер крепления, материал, способ транспортирования и монтажа опорной части.
В.М. Бусловым и Д.И. Керзоном проанализированы отличительные признаки зарубежных конструкций глубоководных МСП и проведена их классификация. На данном уровне развития проектного дела авторы рекомендуют провести условно границу между глубоководными и обычными конструкциями МСП, приняв глубину моря 300 м, больше которой все конструкции следует считать глубоководными (рис. 25.38).
На первом уровне классификации проведено деление МСП на жесткие и упругие. По мнению авторов, такое деление объективно, так как оно характеризует конструкцию платформы (размеры, конфигурацию). Авторы указывают период собственных колебаний, который для жестких составляет 4–6 с, для упругих превышает 20 с, а в отдельных случаях достигает 138 с.
На втором уровне классификации жесткие конструкции классифицированы по способу обеспечения их устойчивости под воздействием внешних нагрузок на гравитационные, гравитационно-свайные и свайные. В первом случае сооружение не сдвигается относительно морского дна благодаря собственному весу, во втором – благодаря собственному весу и системе свай. Свайное сооружение не смещается вследствие крепления его сваями.
Третий уровень классификации жестких МСП характеризует материал конструкции: бетон, сталь или сталь-бетон.
Упругие конструкции на втором уровне по способу крепления разделены на башни с оттяжками, плавучие башни и гибкие башни.
Башни с оттяжками сохраняют свою устойчивость благодаря системе оттяжек, понтонов плавучести и противовесов. Плавучие башни подобны качающемуся маятнику, они возвращаются в состояние равновесия с помощью понтонов плавучести, расположенных в верхней части конструкции. Гибкие башни отклоняются от вертикали под действием волн, но при этом они, подобно сжатой пружине, стремятся возвратиться в состояние равновесия. Из-за небольшого числа проектов упругих сооружений авторы не считают целесообразным классифицировать их на третьем уровне.
999
Рис. 25.38. Классификация глубоководных МСП
На последнем уровне классификации имеется 10 групп конструкций, каждая из которых обозначается начальными буквами английских слов: например RGS – риджит гревити стил (жесткая гравитационная стальная), RGC (жесткая гравитационная бетонная) и т.д.
Из рассмотренных 40 конструкций глубоководных МСП (глубина моря более 300 м) 76 % составляют жесткие, в том числе 45 % – стальные ферменные со свайным креплением, 26 % – гравитационные и 5 % – гравита- ционно-свайные. Среди упругих МСП 13 % – плавучие башни, 8 % – башни с оттяжками и 3 % – гибкие башни. Отмечено увеличение доли проектов стальных опор в зависимости от глубины моря. При глубинах моря 305–365 м стальные опоры составляют 13 %, а при глубинах от 365 до 520 м – 50 %. Из выполненных проектов 79 % – стальные опоры, 15 % – бетонные и 6 % – сталь-бетон.
Наибольшее число проектов (57 %) разработано для вод глубиной 305–365 м, 30 % – для глубин 365–400 м и 13 % – для глубин более 460 м.
По мнению авторов, 18 проектов отличаются высокой степенью новизны. Имеются проекты, в которых предусматривается горизонтальная сборка отдельных секций опорной части МСП на плаву путем вращения собираемой конструкции вокруг ее продольной оси и в наклонном положении. Изготовление цельносварной опорной части, ее транспортирование на супербаржах и буксировка опорной части МСП «Хармони» предусмат-
риваются на барже размерами 274Ч67Ч15 м.
Среди строящихся башен МСП пока крупнейшей является башня «Баллуинкл». Она будет установлена в Мексиканском заливе на глубине 411 м. Общая масса платформы 78 тыс. т, размер фундамента 121Ч146 м, стоимость составит около 500 млн долл, МСП рассчитана на 60 скважин.
1000
25.11. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ БУРЕНИИ НА МОРЕ
К настоящему времени во многих странах и на международном уровне накоплен богатый опыт решения природоохранных проблем, связанных с освоением морских нефтегазовых месторождений. Этот опыт закреплен в законодательной и нормативно-правовой базе многих государств
èв ряде международных конвенций. Наиболее детальные нормы, правила
èтребования зафиксированы в Конвенции по защите морской среды Се- веро-Восточной Атлантики (ОСПАРКОМ, 1992).
Основные общепризнанные подходы и принципы обращения с отходами нефтегазодобывающей отрасли на шельфе включают (С.А. Па-
òèí//Ãàç. ïðîì-ñòü. – 2000. – ¹ 3):
введение системы запретов на сброс в море неочищенных или опасных отходов, а также системы разрешений на сброс в случаях и при условии, когда последствия таких сбросов носят локальный, кратковременный и обратимый характер и не нарушают способность морской среды к само- очищению;
дифференцированный (региональный, субрегиональный и локальный) подход к введению правил обращения с отходами с учетом экологической, биопромысловой или иной ценности данного региона (субрегиона) и основных природных (океанологических, геоморфологических и др.) параметров среды в районе буровых и нефтепромысловых работ;
широкое использование технологических и эколого-токсикологических регламентов (стандартов, норм), отражающих важные в экологическом плане характеристики и свойства отходов и определяющих возможность их сброса, запрета либо иного регулирующего решения.
К числу широко распространенных и апробированных во многих странах и на международном уровне конкретных мер обращения с отходами морской нефтегазодобычи относят:
разрешение сброса в открытые морские воды очищенных (в основном от нефти) пластовых вод и отходов, полученных при буровых работах с использованием промывочных жидкостей на водной основе;
ограничение (или запрет) буровых работ и (или) сброса их отходов в мелководной прибрежной зоне (до 4 миль от берега), при экстремальной ледовой обстановке, а также в районах повышенной экологической, рыбохозяйственной и другой ценности;
запрещение использования базовых рецептур буровых растворов на нефтяной основе и (или) сброса соответствующих отходов за исключением особых ситуаций, сопряженных с обстоятельствами технического и технологического характера, а также соображений безопасности персонала;
введение норм допустимого содержания нефти при сбросе в море шламов (до 10 г/кг) и пластовых вод (в пределах 10–100 мг/кг);
введение ограничений на токсически свойства отработанных буровых растворов и использование стандартных процедур биотестирования для оценки их токсичности перед сбросом.
Характерными особенностями современного регулирования морской нефтегазодобычи во многих странах и на международном уровне являются дифференцированное применение и корректировка (пересмотр) соответствующих стандартов, норм и правил обращения с отходами в зависимости
1001
от конкретной ситуации и с учетом новейших достижений техники, технологии и практики обращения с отходами.
В принципе существуют четыре основных варианта обращения с отходами буровых и промысловых работ при освоении морских нефтегазовых месторождений: 1) первичная очистка и сброс в море непосредственно на месте работ; 2) закачивание в скважины для захоронения в подземных геологических структурах; 3) накопление и транспортирование на берег для последующей обработки или захоронения; 4) накопление, транспортирование и сброс в море в других районах, например на больших глубинах. Выбор того или иного варианта диктуется соображениями экологического, технического (технологического) и экономического характера. Главным обстоятельством при принятии подобных решений в конечном счете является вопрос о характере и масштабах экологических последствий реализации каждого из возможных вариантов.
В соответствии с многолетней мировой практикой, буровые промывочные жидкости на водной основе (суспензии глины) и сопутствующие им шламы относят к категории нетоксичных веществ. Их удаление в открытом море не приводит к каким-либо необратимым экологическим последствиям, а наблюдаемые кратковременные эффекты носят локальный характер и аналогичны тем изменениям, которые происходят при природных повышениях мутности воды. Именно поэтому общепринятая практика обращения с такими отходами сводится к их сепарации (разделению жидкой и твердой фаз) и сбросу в открытом море непосредственно в районе буровых работ. Аналогичным образом поступают обычно с пластовыми водами после их очистки от остатков нефти. Что касается отходов, получаемых при использовании нефтесодержащих буровых растворов, то в большинстве стран их сбросы в морскую среду запрещены.
Первичная обработка буровых растворов на водной основе и шламов перед их сбросом в море достаточно проста и обычно включает операции разделения фаз, дегазации и промывки. Буровые растворы на нефтяной основе и шламы, предназначенные для транспортирования на берег, иногда подвергают операциям первичной обработки и очистки, включая промывку органическими растворителями для удаления остаточной нефти, дистилляцию при повышенной температуре с разделением твердого осадка и нефти, центрифугирование, обезвоживание и термическую обработку (сушка, сжигание, спекание) для удаления органической фазы и детоксикации отходов.
1002