Освоение шельфовых месторождений

Вследствие этого при отливе якорные тросы провисают, и установка может сместиться по горизонтали от оси скважины; при приливе тросы сильно натягиваются и могут срывать якоря.

ППБУ на натяжных опорах свободны от отмеченных недостатков и занимают ведущее место среди всех известных типов ППБУ. Основными элементами основания на натяжных опорах являются понтоны с переменной плавучестью, опоры под платформу, фундамент, устанавливаемый на дне в точке бурения, и растяжки, соединяющие понтоны с фундаментом, который выполняет роль придонного якоря и удерживает понтоны в подводном положении.

В качестве растяжек, исходя из удобства транспортирования, монтажа и демонтажа установки, используют герметично закрытые по концам трубы, обладающие положительной плавучестью. Конструкции фундамента, выполняющего роль придонного якоря, могут быть различными: погруженные в грунт сваи больших диаметров, массивные плиты или пустотелые емкости.

Технологические схемы монтажа ППБУ с натяжными опорами существенно зависят от конструкции фундамента, но даже при одинаковой его конструкции могут быть различными. Если фундамент выполнен в виде массивной пустотелой емкости, разделенной на отдельные секции, то его первым буксируют к точке заложения скважины. Затем сюда же доставляют предварительно изготовленные трубчатые растяжки, длины которых определены исходя из глубины моря в точке бурения и проектной величины погружения понтонов основания под уровень моря. Нижние концы растяжек соединяют скобами с фундаментом, часть пустотелых отсеков фундамента заполняют водой, и он опускается под уровень моря, увлекая за собой трубчатые растяжки, которые вследствие положительной плавучести занимают вертикальное положение.

В соответствии с расчетом по избыточной плавучести растяжек и свободных от воды секций фундамента погружение последнего прекращается на расстоянии от дна, примерно равном проектной величине погружения понтонов основания под уровень моря. При этом верхние концы растяжек возвышаются над поверхностью моря на уровне мест их крепления к понтонам. Теперь к месту монтажа буксируют основание с платформой, закрепляют верхние концы растяжек на понтонах и заполняют водой оставшиеся пустотелые секции фундамента. При этом фундамент опускается на дно, увлекая понтоны основания на необходимую глубину под уровень моря.

Устойчивость ППБУ описываемого типа зависит от силы натяжения трубчатых растяжек, называемых натяжными опорами, и практически не зависит от количества и диаметра опор основания, поддерживающих платформу.

Поэтому диаметр опор такого основания определяют из условия их прочности, а не устойчивости и непотопляемости установки, т.е. используют небольшое количество опор сравнительно малых размеров любого профиля (рис. 10). Платформа состоит из следующих основных узлов: собственно платформы, вклющающей колонны 1 и понтоны 9, на которой установлено буровое 2, 3 и промысловое оборудование, оборудование для подготовки и откачки нефти и вспомогательное оборудование 4, 5, 6, жилые помещения 8, вертолетная площадка 7.

Платформа удерживается в рабочем положении натяжными элементами 13 (трубами) которые крепятся к морскому дну якорными устройствами свайного типа 10, 11.

Подводная устьевая система состоит из опорной плиты 12, на которой размещено устьевое оборудование для извлечения нефти, соединенное системой стояков с платформой. При необходимости, которая может возникнуть в процессе монтажно-демонтажных работ, силу натяжения растяжек регулируют балластировкой понтонов основания, заполняя часть их полых секций водой.

Сила натяжения растяжек почти не зависит от изменения уровня воды вследствие приливов и отливов, и положение ППБУ ни относительно дна акватории, ни относительно придонного устья скважины не меняется и не осложняет процессов бурения.

По зарубежным оценкам, ППБУ с натяжными опорами в настоящее время устанавливают на глубинах моря до 800 м, а в будущем смогут устанавливать на глубинах до 2000 м. При этом стоимость ППБУ незначительно зависит от глубины моря (возрастает на 10--15 % с увеличением глубины моря от 150 до 600 м). К достоинствам ППБУ на натяжных опорах можно отнести легкость транспортировки и монтажа. Раздельная транспортировка основания, растяжек и фундамента позволяет использовать для монтажа даже относительно короткие периоды хорошей погоды.



Рис.10- Платформа, установленная на месторождении Хаттон в Северном море.

Основание с буровой платформой может отсоединяться от натяжных опор без подъема фундамента, т.е. без потери скважины, и затем снова соединяться с опорами, что дает возможность безопасно использовать эту ППБУ на акваториях, где существует риск появления ледовых полей или айсбергов.

Используются также ППБУ других конструкции, такие как Медуза" (Россия) и - "Скат-600" (Великобритания).

Основными требованиями при разработке конструкции ППБУ являются:

§ обеспечение наибольшей безопасности и устойчивости ППБУ;

§ минимальное перемещение ППБУ при бурении;

§ обеспечение мобильности и маневренности при передвижении;

§ быстрая установка на точку бурения;

§ достаточное количество технологических и других запасов;

§ удобное расположение оборудования, наличие достаточного количества помещений для хранения указанных запасов и механизация погрузочно-разгрузочных работ;

§ простота и технологичность при строительстве, и удобство при эксплуатации;

§ минимальный расход материалов и снижение трудоемкости;

§ учет конкретных районов применения ППБУ.

Естественно, в перечисленных требованиях есть противоречивость, и осуществить их в одной конструкции невозможно. Поэтому при проектировании учитывают конкретные условия предполагаемого района применения ППБУ (глубина бурения, глубина воды, волнение, ветер, ледовой покров и т.п.).

Контрольные вопросы:

1. Для чего и на какие глубины предназначены ППБУ?

2. Конструкция ППБУ.

3. Отличительная особенность в конструкции ППБУ от СПБУ.

4. С помощью чего удерживаются ППБУ ?

5. Что можно отнести к достоинствам ППБУ на натяжных опорах?

Морские буровые установки. Буровые суда

Удаление районов буровых работ от береговых баз, сложность и малая скорость буксировки, а также небольшая автономность снижают эффективность использования полупогружных буровых установок. Поэтому для поискового и разведочного бурения в отдаленных районах применяют буровые суда. (рис.11). Основным режимом эксплуатации буровых судов является бурение скважины (85--90% от всего времени эксплуатации судна). Поэтому форма корпуса и соотношение главных размерений определяются требованиями остойчивости и обеспечения стоянки с возможно малыми перемещениями. Вместе с тем форма корпуса должна соответствовать скорости передвижения судна 10--14 узлов и более. Характерная особенность для буровых судов -- малое отношение ширины к осадке, равное 3--4.

Рис. 11- Заякоренное буровое судно.

Причем наблюдается тенденция уменьшения этого отношения (у судов «Пеликан», «Сайпем II» и др.), что можно объяснить расширением районов работы и требованиями повышения мореходности. Выбор главных размерений судна зависит от требуемой грузоподъемности, которая определяется расчетной глубиной бурения скважин и автономностью судна.

В практике бурения разведочных скважин на море широко применяют однокорпусные и многокорпусные самоходные и несамоходные суда. С середины 50-х до конца 70-х годов для бурения использовались только суда с якорной и закольной системами стабилизации, их удельный вес в парке плавучих буровых установок составлял 20--24 %. Область применения для бурения судов с якорной системой стабилизации ограничена глубинами моря до 300 м.

Новые перспективы в освоении морских месторождений открылись в 1970 г. благодаря созданию системы динамического позиционирования, использование которой позволило установить ряд рекордов по глубине разведываемых акваторий. С этого времени произошел относительно быстрый рост мирового парка судов для бурения на больших глубинах моря.

Примерами зарубежных судов с динамической системой стабилизации являются "Пеликан" (до глубины моря 350 м), "Седко-445" (до 1070 м), "Дисковерер Севен Сиз" (до 2440 м), "Пелерин" (до 1000 м первое и до 3000 м второе поколения), "Гломар Челенджер" (до 6000 м, фактически покорена глубина моря 7044 м), "Седко-471" (до 8235 м).

Самоходные буровые суда бывают однокорпусными и двухкорпусными (катамараны). В отечественных производственных организациях используются преимущественно однокорпусные. Обусловлено это меньшими капитальными затратами на их изготовление, так как они создавались на базе готовых проектов корпусов рыболовецких судов.

Однокорпусные буровые суда типа "Диорит", "Диабаз", "Чароит", "Кимберлит", эксплуатировавшиеся в производственных экспедициях ВМНПО "Союзморинжгеология", оснащены якорной системой стабилизации, буровыми станками шпиндельного типа и технологическим оборудованием для проведения инженерно-геологических изысканий при глубине воды от 15 до 100 м.

Опыт бурения с этих судов выявил ряд их конструктивных недостатков, основными из которых являются ненадежная система стабилизации на скважине, малые размеры буровой площадки и ограниченное число посадочных мест из-за использования серийных корпусов рыболовецких судов, невозможность передачи на забой необходимой осевой нагрузки при бурении станками шпиндельного типа без компенсаторов вертикальных перемещений бурового снаряда, невозможность проведения комплекса скважинных геотехнических исследований и отбора монолитов вдавливанием из-за использования бурильной колонны геолого-разведочного сортамента диаметром 0,050 -- 0,064 м. Единственный вид скважинных исследований, которые можно производить с этих судов, -- это прессиометрия.

Технологический комплекс каждого судна состоит из буровой установки, системы для проведения скважинных геотехнологических исследований (статическое зондирование и пробоотбор) и донной пенетрационной установки. Использование бурового кондуктора (водоотделяющей колонны) на этих судах не предусмотрено. Привод основных буровых механизмов гидравлический, спускоподъемные операции механизированы.

Специализированных судов для бурения разведочных скважин на глубинах морей свыше 300 м в России в настоящее время нет.

Более перспективным типом судов для бурения разведочных скважин являются катамараны. По сравнению с однокорпусными судами такого же водоизмещения они имеют ряд преимуществ: более высокую остойчивость (амплитуда бортовой качки катамарана в 2--3 раза меньше, чем у одно-корпусных судов), что позволяет работать в лучших условиях при сильном волнении моря (коэффициент рабочего времени двухкорпусных судов больше, чем однокорпусных, минимум на 25 %); более удобную для работы по форме и значительно большую (на 50 %) полезную площадь палубы (поскольку ис- пользуется межкорпусное пространство), что дает возможность разместить на палубе необходимое количество тяжелого бурового оборудования; малую осадку и высокую маневренность (каждый корпус снабжен ходовым винтом), что способствует использованию их в условиях мелководного шельфа. Стоимость постройки однокорпусного судна со сравнимой площадью рабочей палубы на 20 -- 30 % выше стоимости судна-катамарана.

Рис. 12- Буровое судно "Катамаран".

Американская фирма "Ридинг энд Бэтес" построила буровое судно "Катамаран", состоящее из двух барж, скрепленных девятью балочными фермами (рис.12). Длина судна 79,25 м, ширина 38,1 м. С него можно бурить скважины глубиной до 6000 м при любой глубине моря. На судне установлены: буровая вышка высотой 43,25 м с грузоподъемной силой 4500 кН; ротор; двухбарабанная лебедка с приводом от двух дизелей; два буровых насоса с приводом от двух других дизелей; цементировочный агрегат; резервуары для глинистого раствора; восемь якорных лебедок с электроприводом от двух дизель-генераторов переменного тока мощностью по 350 кВт; жилые помещения для 110 человек.

Из буровых судов-катамаранов значительно меньших геометрических и энергетических параметров следует отметить отечественные катамараны "Геолог-1" и "Геолог Приморья", техническая характеристика которых приведена ниже.

"Геолог-1" "Геолог Приморья"

Водоизмещение, т 330 791

Длина, м. 24 35,1

Ширина, м. 14 18,2

Осадка без груза, м. 1,5 3,26

Высота надводного борта, м 1,7 4,47

Мощность дизель-генераторов, кВт:

главных.. 2x106,7 2x225

вспомогательных. 2x50 2x50

Скорость хода, узлы. 8 9

Мореходность, баллы. 6 8

Условия работы:

удаление от берега, км. До 3 До 360

минимальная глубина моря, м.. 2 5

волнение моря, баллы. 3 4

Минимальная глубина моря, на которой возможно бурение с катамарана, определяется величиной его осадки, максимальная -- длиной якорных тросов. Возможные глубины бурения скважин зависят от типа установленных на катамаранах буровых установок.

Катамаран "Геолог-1" (рис.13) построен специально для инженерно-геологических изысканий в прибрежных акваториях Черного моря.

Рис. 13- Схема размещения основного технологического оборудования для инженерно-геологических исследований на судне "Геолог-1": 1, 2, 3, 4 -- лебедка, копер, штанги пенетрационные, пульт управления и блок регистрации ПСПК-69 соответственно; 5 -- установка буровая УГБ-50М; 6, 7, 8 -- приемник, излучатель, блоки возбуждения и регистрации станции сейсмопрофилирования "Грунт" соответственно; 9 -- гидробак с гидросистемой и балластом ПСПК-69; 10, 11 и 12 -- корпус, насадка направляющая движителя и свайное устройство судна соответственно

На катамаране смонтированы: установка УГБ-50М с электроприводом для бурения скважин глубиной до 30 м по породам ударным, колонковым и шнековым способами; подводная пенетрационно-каротажная станция ПСПК-69 для исследования физико-механических свойств мягких грунтов и установления литологического строения морского дна; сейсмоакустическая станция "Грунт" для непрерывного профилирования с целью получения сведений о литологическом строении морского дна по всей зоне между опорными скважинами. В точке исследования "Геолог-1" закрепляется четырьмя якорями, а на глубинах моря до 7 м -- дополнительно двумя закольными сваями длиной по 8 м.

Несамоходные плавучие буровые установки создают, используя в качестве основания, не предназначенные для бурения несамоходные суда (баржи, плашкоуты, шаланды), деревянные плоты или специально изготовленные для бурения металлические понтоны, катамараны и тримараны.

Из несамоходных судов чаще всего используют баржи. Из всего многообразия типов барж не все пригодны для производства буровых работ на море. Наиболее удобна сухогрузная баржа с открывающимися в днище люками, благодаря чему буровой станок можно установить в центре баржи. Перед производством работ баржу загружают балластом для придания ей большей остойчивости.

Иногда для бурения применяют две однотипные баржи, спаренные поперечными брусьями. Образуется катамаран с зазором между баржами, в котором размещается устье скважины. Спаривание барж позволяет применять тяжелые буровые установки и вести бурение в неблагоприятных гидродинамических условиях моря.

Буровые плоты наиболее доступны в изготовлении. Тяжелые плоты глубоко погружены в воду. Это повышает их остойчивость, но увеличивает осадку и не исключает захлестывание оборудования даже небольшой волной. Со временем плоты теряют свою плавучесть, и срок службы их сравнительно небольшой.

Буровые металлические понтоны по водоизмещению делят на легкие площадью 30--40 м² и тяжелые площадью 60--70 м². Остойчивость понтонов невысокая, и используют их преимущественно на закрытых акваториях при волнении моря до 2 баллов.

В России при бурении на шельфе дальневосточных морей широкое применение получили катамараны типа "Амур" и тримараны типа "Приморец", представляющие собой суда маломерного флота с ограничением плавания по волновому состоянию моря до 5 баллов.

Первые несамоходные. Вторые могут передвигаться самостоятельно со скоростью до 4 узлов в тихую погоду на небольшие расстояния в пределах разведываемой бухты. Однако их тоже относят к несамоходным, так как условия работы в подавляющем большинстве случаев вынуждают использовать для их буксировки вспомогательные суда.

Указанные катамараны и тримараны разработаны СКВ АО "Дальморгеология" для бурения ударно-забивным и вращательным способами разведочных скважин конкретных параметров и имеют следующие технические характеристики:

Катамаран Тримаран

"Амур" "Приморец"

Длина, м. 13,6 18,60

Ширина, м. 9,0 11,80

Высота борта, м. 1,5 1,85

Осадка, м. 0,8 0,95

Водоизмещение, т. 40 65

Число и масса (кг) якорей. 4x150 4x250

Грузоподъемная сила буровой вышки, кН 200 300

Параметры скважины, м:

глубина по воде. 25 50

глубина по породам. 25 50

Максимальный диаметр поколение обсадных труб. 0,146/0,166 0,219/0,243

Рис. 14- Плавучие буровые установки АО "Дальморгеология": а - ПБУ "Амур": 1 - якорная лебедка, 2 - рубка, 3 - буровая лебедка, 4 -- буровая вышка; б -- ПБУ "Приморец": 1 -- надстройка, 2 -- буровая вышка, 3 -- буровая лебедка, 4 -- талевая лебедка, 5 -- вибратор, 6 -- вращатель

Тримаран "Приморец" -- ПБУ с тремя корпусами серийных судов, соединенными плоским мостом из стального проката (рис.14, б). Ходовой двигатель и винторулевое устройство размещены в среднем корпусе, смещенном в корму относительно боковых. Дизель-генератор и промывочный насос расположены в двух параллельных боковых корпусах тримарана. На палубе в кормовой части установки находится надстройка бытовых и служебных помещений, в носовой -- размещено буровое оборудование, содержащее Л-образную буровую вышку, лебедку для ударно-забивного бурения, талевую оснастку и лебедку для подъема труб, вращатель и вибратор.

В палубе ПБУ "Амур" и "Приморец" имеются П-образные вырезы для отхода установки от скважины без извлечения обсадных труб на время шторма, плохой видимости или ремонта и последующего подхода к скважине для продолжения бурения. Непотопляемость и устойчивость этих установок сохраняются при затоплении любого одного отсека.

Катамаран "Амур" -- ПБУ с двумя параллельными корпусами серийных краболовных ботов, соединенными в верхней части плоским мостом из стального проката, образующим общую палубу (рис.14, а). Энергосиловое и вспомогательное оборудование установки расположено в корпусах катамарана, что увеличило рабочую площадку. На палубе установлены А-образная буровая вышка, лебедка для ударно-забивного бурения, вибратор, обсадные трубы, рабочий инструмент, рубка, четыре якорные лебедки.

Контрольные вопросы:

1. Для чего и на какие глубины предназначены БС?

2. Конструкция бурового судна.

3. Отличительная особенность в конструкции ППБУ от БС.

4. С помощью чего удерживаются БС ?

5. Что можно отнести к преимуществам БС?

Системы удержания плавучих буровых средств (ПБС)

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

Обычно горизонтальное перемещение бурового плавучего средства не превышает 5-6 % глубины моря.

Радиус максимального отклонения R=0.06H,

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

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

§ При глубинах моря до 200м - с помощью якорных цепей или тросов, либо комбинированной системы (якорных цепей и тросов);

§ На глубинах моря более 200м - с помощью динамической системы стабилизации (динамического позицирования).

Якорные системы удержания

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

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 ПБС.

На рис. 15 показаны шесть наиболее распространенных в мировой практике вариантов заякоривания при воздействии нагрузок с любой стороны; n- число якорных канатов.

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.

Рис. 15- Типовых вариантов систем заякоривания: а,б,в - симметричные системы соответственно с n-9,8,10; г,д,е - системы с якорными канатами (n =8), расположенными соответственно под углом 45-90⁰ друг к другу, порд углом 30-70⁰ к оси платформы и под углом 30-60⁰ к продольной оси судна

Для заякоривания применяют два типа плоскозвенных цепей с распоркой: цепь со сваренным встык звеньями и замковую цепь. В большинстве случаев для заякоривания применяют металлические канаты диаметром 57-76 мм (иногда 90мм). Преимущества металлических канатов: масса каната в морской воде ниже стоимости цепи. Недостаток металлического каната заключается в том, что вследствие малой массы требуется большое развертывание троса до необходимой величины тангенциальной кривой провисания, а также в случае выхода каната из строя его следует заменять по всей длине.

Якорные системы оснащают комплексом 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 управляют с пульта на основе информации, получаемой от датчиков, устанавливаемых на тросах.

Система динамической стабилизации.

На глубинах морей более 200 м якорные системы стабилизации не обеспечивают требуемые допускаемые отклонения ПБС о вертикальной оси бурящейся скважины, становятся массивными, и их применение неэффективно. По этим причинам 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:

1. Цепь обратной связи с датчикам, определяющими координаты продольного и поперечного перемещения по осям х, у и угол поворота ц ПБС относительно принятых неподвижных координат;

2. блок сравнения, который определяет отклонения Дх, Ду и Дц действующего положения ПБС от его начального расчетного положения х₀, у_0, ц₀ ;

3. пульты управления, имеющие прямые и обратные связи с двигателями и гребными винтами, рассчитывающие и подающее командного пункта на двигатели и гребные винты команды для возвращения ПБС в начальное положение.;

4. подруливающие устройства (двигателей и гребных винтов), обеспечивающие перемещение судна на величину Дх, Ду и Дц и возвращение егов начальное положение.

На автоматизированном пункте управления универсальная ЭВМ по цепи обратной связи получает данные от внешних датчиков о положении ПБС в определенный момент. При этом угол поворота определяют гидрокомпасом, а координаты х, у вычисляются системой акустического измерения АМS. Эти данные имеют высокую точность, их используют в системе динамической стабилизации.

В системе динамической стабилизации имеются две ЭВМ: одна работает, а вторая в резерве. Система автоматической стабилизации включается в работу и контролируется оператором с главного пульта управления.

Контрольные вопросы:

1. Какие системы удержания вы знаете?

2. Из чего состоит якорная система?

3. Из чего состоит система динамической стабилизации?.

4. Чем отличаются эти две системы удержания ПБС ?

Особенности бурения морских скважин. Подводное устьевое оборудование. Морской стояк

Бурение скважин на море труднее и дороже, чем на суше. Обусловлено это наличием над придонным устьем скважины водного пространства, необходимостью применять специальные морские основания для размещения на них бурового оборудования и выполнения с них комплекса работ, связанных с проводкой скважины, сложными гидрологическими и метеорологическими условиями работы на акваториях (ветры и волнения, приливы, отливы и течения, туманы, морось, снег и горизонтальная видимость, ледовый режим, температура воздуха и воды) и т.д.

Ветры, волнения и течения водного пространства, находящегося над придонным устьем скважины, вызывают качку плавучей буровой установки, перемещение оборудования и инструментов по ее палубе, дрейф и снос установки в направлении ветра или течения. Качка оказывает неблагоприятное физиологическое воздействие на людей, работающих на буровой установке. Волнение моря вредно и при бурении со стационарных (неподвижных) установок, так как волны, обрушивающиеся на основание буровой, могут повредить его или полностью разрушить.

Рыхлые породы морского дна обычно сильно обводнены. При бурении в таких породах для обеспечения сохранности керна и устойчивости стенок скважин приходится использовать специальные технические средства и осуществлять технологические мероприятия, требующие дополнительных материальных затрат и удовлетворяющие жестким требованиям охраны окружающей среды от загрязнения. Специфические гидрологические и метеорологические условия моря, ограничивают возможности и снижают эффективность применения способов, технических средств и технологий бурения, используемых на суше. Поэтому проблема повышения эффективности бурения скважин на море до сих пор является одной из самых важных в процессе вовлечения в производство минеральных ресурсов подводных месторождений. Для бурения и последующей эксплуатации таких скважин экономически оправданным является создание дорогостоящих массивных стационарных, полустационарных и погружных конструкций оснований, которые позволяют размещать на них традиционную буровую технику и использовать хорошо отработанные на суше технологии бурения, добычи, сбора и подготовки нефти и газа к транспортированию.

Бурение разведочных скважин на море требует принципиально новых конструкций бурового оборудования и технологий, которые гарантировали бы проходку скважин с соблюдением требований безопасности, экологичности и обеспечивали бы высокое качество работ при наименьших затратах. Для создания таких технологий и техники необходимо обобщить и оценить имеющийся опыт применения современных технических средств и технологий бурения на море, научно обосновать рациональные пути их дальнейшего развития.

Условия бурения на море

На процесс бурения скважин на море влияют естественные, технические и технологические факторы (рис.16). Наибольшее влияние оказывают естественные факторы, определяющие организацию работ, конструктивное исполнение техники, ее стоимость, геологическую информативность бурения и т.п. К ним относятся гидрометеорологические, геоморфологические и горно-геологические условия.

Гидрометеорологические условия характеризуются волнением моря, его ледовым и температурным режимами, колебаниями уровня воды (приливы --отливы, сгоны -- нагоны) и скоростью ее течения, видимостью (туманы, низкая облачность, метели, осадки).

Для большинства морей, омывающих берега России (Японское, Охотское, Берингово, Белое, Баренцево, Татарский пролив), характерна следующая средняя повторяемость высоты волн, %: до 1,25 м (3 балла) - 57; 1,25 -- 2,0 м (4 балла) - 16; 2,0--3,0 м (5 баллов) - 12,7; 3,0--5,0 (6 баллов) -10. Средняя повторяемость высоты волн до 3,0 м в Балтийском, Каспийском и Черном морях составляет 93 %, 3,0 -- 5,0 м - 5 %.

Для бурения на акваториях опасны отрицательные температуры воздуха, вызывающие обледенение бурового основания и оборудования и требующие больших затрат времени и труда на приведение в готовность силового оборудования после отстоя. Ограничивает время бурения на море также снижение видимости, которое в безледовый период чаще отмечается в ночные и утренние часы. Геоморфологические условия определяются очертаниями и строением берегов, топографией и почвой дна, удаленностью точек заложения скважин от суши и обустроенных портов и т.п. Для шельфов почти всех морей характерны малые уклоны дна. Изобаты с отметкой 5 м находятся на расстоянии 300--1500 м от берега, а с отметкой 200 м -- 20 --60 км. Однако имеются желоба, долины, впадины, банки. Почва дна даже на незначительных площадях неоднородна. Песок, глина, ил чередуются со скоплениями ракушки, гравия, гальки, валунов, а иногда и с выходами скальных пород в виде рифов и отдельных камней. На первой стадии освоения морских месторождений твердых полезных ископаемых основным объектом геологического изучения являются участки в прибрежных районах с глубинами акваторий до 50 м. Это объясняется меньшей стоимостью разведки и разработки месторождений на меньших глубинах и достаточно большой площадью шельфа с глубинами до 50 м.



Схема

Рис. 16.- Факторы, влияющие на эффективность бурения скважин на море

Требования к бурению разведочных скважин на море

Наибольшее распространение на море получили бурильные трубы нефтяного сортамента диаметром 0,127 м. Соответственно диаметр скважины не может быть меньше 0,132 м.

Установленные геологические разрезы и глубины разведываемых акваторий, геолого-методические и эксплуатационно-технические требования к бурению скважин рассмотренных целевых назначений определяют следующие их параметры:

Максимальная глубина скважины, м:

по воде/по породам . 300/300

Диаметр скважины в рыхлых отложениях, м:

максимальный 0,325/0,351

минимальный 0,146/0,166

Диаметр скважины в коренных породах, м: ;

максимальный 0,131

минимальный. 0,059

Основная зона шельфа, разведываемая геологами, составляет полосу шириной от сотен метров до 25 км. Удаленность точек заложения скважин от берега при бурении с ледового припая зависит от ширины припайной полосы и для арктических морей достигает 5 км.

Горно-геологические условия характеризуются в основном мощностью и физико-механическими свойствами горных пород, пересекаемых скважиной. Отложения шельфа обычно представлены рыхлыми породами с включением валунов. Основными составляющими донных отложений являются илы, пески, глины и галька. В различных соотношениях могут образовываться отложения песчано-галечные, суглинки, супеси, песчано-илистые и т.д. Для шельфа дальневосточных морей породы донных отложений представлены следующими видами, %: илы -- 8, пески -- 40, глины -- 18, галька -- 16, прочие -- 18. Валуны встречаются в пределах 4 --6 % в разрезе пробуренных скважин и 10--12 % скважин от общего их количества.

Рациональные способы бурения разведочных скважин на море

Рациональным является такой способ бурения скважины, который обеспечивает достаточно качественное выполнение поставленной задачи при минимальных трудовых и материальных затратах. Выбор такого способа бурения базируется на сравнительной оценке его эффективности, определяемой многими факторами, каждый из которых в зависимости от геолого-методических требований, назначения и условий бурения может иметь решающее значение. При выборе рационального способа бурения оценивать следует, прежде всего, и главным образом по фактору, отражающему целевое назначение скважины. При выявлении двух и более способов бурения, обеспечивающих пусть даже различное, но достаточное качество выполнения поставленной задачи, следует продолжить их оценку по другим факторам. Если сравниваемые способы не обеспечивают качественного решения геологической или технической задачи, ради которой осуществляется бурение, то оценивать их, например, по производительности и экономической эффективности не имеет практического смысла.

Факторы, влияющие на процесс и эффективность бурения на море, специфические (см. рис.16). Они ограничивают или вовсе исключают возможность применения некоторых способов и технических средств, признанных эффективными для бурения скважин того же назначения на суше. Исходя из этого эффективность способов бурения разведочных скважин на море предложено оценивать по четырем показателям:

§ геологической информативности;

§ эксплуатационно-технологическим возможностям;

§ технической эффективности;

§ экономической эффективности.

Геологическая информативность определяется конкретными задачами бурения разведочных скважин. При разведке месторождений полезных ископаемых геологическую информативность способов бурения оценивают по качеству отбираемого керна. Керн должен обеспечивать получение геологического разреза и фактических параметров месторождения: литологического и гранулометрического состава разбуриваемых отложений, их обводненности, границ продуктивного пласта, крупности находящегося в нем металла (при разведке россыпей), содержания полезного компонента, содержания тонкодисперсного материала и глинистых примазок (при разведке стройматериалов) и т.п. Для точного определения этих параметров необходимо предотвратить обогащение или обеднение отбираемых проб керна по каждому интервалу опробования.

Геологическую информативность способов бурения при инженерно-геологических изысканиях оценивают по возможности определения физико-механических свойств грунтов, находящихся в естественном, природном залегании. Достигают этого путем выбуривания проб грунтов (монолитов) и исследования их свойств в специальных лабораториях или определением свойств грунтов непосредственно в стволе скважины. Последний способ перспективнее, так как может обеспечить более быстрое и качественное получение результатов исследований.

Таким образом, эксплуатационно-технологические возможности способа бурения определяются качеством выполнения поставленной задачи, его технической и экономической эффективностью.

Критериями оценки технической эффективности являются: мгновенная, средняя, рейсовая, техническая, парковая, цикловая скорости бурения; производительность за смену, сезон; время выполнения отдельных операций, проходки всей скважины или отдельного ее интервала; износ оборудования, обсадных труб и инструмента; универсальность; металлоемкость; энергоемкость; мощность; транспортабельность бурового оборудования и др.

Все виды скоростей и производительность бурения определяются затратами времени на выполнение того или иного процесса или операции. При выборе способа бурения для условий моря фактор времени является одним из важнейших критериев.

Критерии экономической эффективности включают в себя показатели, характеризующие затраты в рублях. Важнейшие из этих критериев -- стоимость 1 м бурения, стоимость сооружения всей скважины или отдельного ее интервала, в большой степени, зависящие от технической эффективности. К ним же могут быть отнесены критерии, характеризующие затраты на содержание вспомогательных плавсредств, расход различных материалов, которые быстро изнашиваются при использовании их в сложных гидрологических и агрессивных условиях моря (например, обсадных и бурильных труб, тросовой оснастки буровых и якорных лебедок и т.д.).

Ударный способ бурения

Ударный способ бурения в зависимости от способа отбора керна подразделяют на: ударный сплошным забоем, клюющий кольцевым забоем и ударно-забивной или просто забивной кольцевым забоем.

Ударное бурение сплошным забоем заключается в разрушении пород забоя долотами, удалении продуктов разрушения желонками и получении образцов пород в виде шлама. Ударное бурение сплошным забоем на море переходят только при необходимости разрушения встречающихся валунов и крепких пород. Клюющий способ бурения заключается в том, что буровой снаряд, включающий жестко соединенные между собой керноприемный стакан и утяжеленную трубу, сбрасывают на забой с некоторой высоты; стакан углубляется в породу, затем снаряд поднимают на поверхность для отбора керна из стакана. Величина углубления стакана в породы в рейсе зависит от энергии удара снаряда о забой. При бурении этим способом на море достичь значений энергии удара, достаточных для погружения стакана в породы на глубину хотя бы 0,1--0,2 м, трудно, так как буровой снаряд движется в скважине, заполненной водой, и испытывает большие гидравлические сопротивления движению. Поэтому на море этот способ бурения не применяют.

Основной разновидностью ударного бурения в рыхлых породах на море является забивной способ, обеспечивающий получение образцов пород в виде керна. Отбор керна при этом осуществляется нанесением ударов по трубчатому керноприемнику, снабженному упроченным кольцевым башмаком, который выполняет роль породоразрушающего инструмента. Выход керна при отборе его из обсадной колонны забивными керноприемниками примерно такой же, как и при отборе, его вдавливаемыми грунтоносами. Таким образом, наибольший выход керна рыхлых пород на море имеет место при вдавливающем способе бурения со скоростью погружения обсадных труб и грунтоносов в породы менее 0,02 м/с и всего на 3--4 % меньше при забивном способе со скоростью погружения обсадных труб и забивных керноприемных снарядов в породы более 0,16 м/с.

Однако ударно-забивной способ позволяет бурить разведочные скважины любых необходимых диаметров в рыхлых, крепких и перемежающейся крепости породах. Бурение вдавливанием экономически оправдано только диаметром до 0,108 м и только в рыхлых отложениях без включения гальки и валунов и поэтому не вполне отвечает обобщенным ГМТ, предъявляемым к бурению разведочных скважин. При бурении многих видов разведочных скважин требуется внедрение в коренные породы (структурные, разведочные на россыпи, уголь и т.д.). Выбуривание керна из таких пород возможно только вращательным способом. Это единственный способ производительного бурения, обеспечивающий получение качественного керна в твердых и крепких породах. Во многих условиях вращательный способ является незаменимым при инженерно-геологических изысканиях, так как позволяет получать колонки керна мягких и твердых пород без существенного искажения их природных физико-механических свойств.

Рис.17-Последовательность выполнения операций в рейсе при погружении колонны обсадных труб в породы и отборе керна из них новыми конструкциями забивного снаряда и забивного керноприемника: а - погружение в породы обсадной колонны; б - сбрасывание керноприемного стакана на забой скважины; в - спуск в скважину ударной штанги и погружение стакана в породы; г - извлечение штанги из скважины и настройка ловителя на захват стакана; д - спуск ударной штанги с ловителем в скважину, захват стакана и подъем их на поверхность; 1 - обсадная колонна труб; 2 - забивной снаряд; 3 - стакан керноприемный; 4 - ударная штанга; 5 - заблокированный ловитель.

Особенности и проблемы бурения на море

Эффективность применения на море способов бурения, признанных рациональными для выполнения геологоразведочных задач, ниже, чем на суше. Обусловлено это рядом причин:

§ качкой и дрейфом ПБУ;

§ сильной обводненностью и неустойчивостью рыхлых пород разрезов;

§ требованиями недопущения загрязнения окружающей среды;

§ трудностью организации замкнутой циркуляции промывочных растворов;

§ нахождением придонного устья скважины вне видимости бурильщика и обусловленными этим трудностями;

§ повышенным износом бурового оборудования и инструментов из-за работы в агрессивной среде;

§ особенностями способов и схем бурения и т.д.

Традиционная схема ударно-забивного бурения требует выполнения большого количества трудоемких и опасных для жизни людей операций.

Станки с ударными кривошипно-шатунными механизмами на плавучих буровых установках не применяют, так как они не обеспечивают изменения навески снарядов синхронно с качкой установки. Погружают трубы и керноприемники в породы при помощи лебедок, причем обсадную колонну погружают ударами по ее наголовнику снарядом, выполненным в виде монолитного груза с направляющей штангой, скользящей внутри колонны. После погружения колонны на каждые 1--2 м с нее снимают забивной снаряд и рейсами по 0,2--0,5 м при помощи забивных стаканов и желонок из колонны выбирают керн. Затем на колонну, возвышающуюся на несколько метров над палубой установки, снова устанавливают забивной снаряд, что в условиях качки ПБУ трудно и небезопасно.

Из-за опасности раскачивания подвешенного на тросе забивного снаряда максимальное значение его массы ограничивают 600 кг, независимо от диаметра и длины погружаемых в породы обсадных колонн. Недостаток массы снаряда не позволяет эффективно погружать в породы колонны труб диаметром 0,168/0,188 м, длиной более 20 м. В то же время при бурении на море зачастую для перекрытия слоя воды применяют колонны труб диаметром 0,325/0,351 м, длиной до 200--300 м, которые одновременно используются в качестве обсадных и требуют погружения в породы.

Важной проблемой является снижение потерь энергии удара в погружаемой колонне. На море к потерям на продольные деформации колонны добавляются потери на ее радиальные деформации, обусловленные тем, что в интервале слоя воды колонна не защищена от изгиба. Длина отдельных труб колонны при бурении на море обычно не превышает 2 м, так как они массивные (толщина стенки 0,008 м и более), а в условиях качки ПБУ трудно наращивать длинные трубы больших диаметров с треугольной резьбой, имеющей угол наклона менее 2°. Поэтому потери энергии удара в колонне длиной, например, 100 м с 50 муфтовыми соединениями достигают 90 % (без учета потерь на радиальные деформации).

Требуют совершенствования при ударно-забивном бурении технические средства и технологии отбора керна.

Экспериментально установлено, что при бурении на море по традиционным схемам забивного способа трудно обеспечить высокий выход керна, так как:

? часть керна отжимается в забой уже при погружении обсадной колонны труб в породы из-за гидродинамического воздействия на них находящейся в колонне воды и проявления свайного эффекта и поступившие в колонну породы по тем же причинам уплотнены;

? керноприемник, забиваемый затем в поступившие в колонну и ограниченные ее стенками породы, дополнительно уплотняет и отжимает их в забой;

? в каждом рейсе после извлечения керноприемника на стенках колонны остается уплотненное кольцо пород, которые в последующем рейсе при работе ударной штангой перемешиваются с водой и вместе с ней изливаются из скважины при извлечении керноприемника.

При отборе из колонны керна сильнообводненных пород отмечаются случаи их дополнительного поступления с забоя вследствие уменьшения над ними горного и гидростатического давления.

Трудности возникают также при забивном бурении в породах с включением галечников и валунов. Здесь при погружении колонны, поступающие в нее галечники и валуны расклиниваются и распределяются по всему ее сечению. Последующее погружение в них керноприемника затруднительно, так как галька и валуны не входят в керноприемник из-за расклинивания или если их размеры превышают его диаметр. Смещение гальки и валунов керноприемником в стороны ограничено стенками колонны.

При морском бурении скважина зачастую до уровня моря заполнена водой, которая создает сопротивление движению ударных инструментов, и энергии удара их недостаточно для эффективного разрушения пород. Поэтому при бурении на море в суглинках с включениями 20 % гравия и гальки на погружение обсадных труб на глубину 10--12 м требуется 15-20 мин, а на отбор пород из труб, поступивших в них из этого интервала, -- 3-3,5 ч.

Из-за подводных течений, дрейфа ПБУ, расположения забивных снарядов и механизмов на колонне на большом расстоянии от дна моря трудно обеспечить ее вертикальность при погружении в породы.

Вращательное бурение

Бурение вращателями роторными и перемещаемыми в вертикальных направляющих вышки. В условиях качки ПБУ наиболее сложно вращательное бурение станками шпиндельного типа. Существующие у них системы принудительных подач, подвески и разгрузки инструментов для условий моря непригодны, так как качка и дрейф ПБУ при жесткой связи ее со станком и последнего с бурильной колонной приводят к изгибам и поломкам труб вследствие смещения оси кронблока от оси скважины, периодическим отрывам бурового снаряда от забоя, утрате и разрушению керна, невозможности поддерживать необходимые режимы бурения. С целью повышения эффективности бурения с ПБУ вращательным способом отечественными и зарубежными специалистами предложен ряд конструктивно-технологических решений.

В АО "Дальморгеология" для бурения с плавсредств разработаны и применяются в производстве два типа вращателей: ВМБ-5 на базе ротора от буровой установки УРБ-3 и перемещаемый в вертикальных направляющих вращатель от бурового комплекса КГК-100. При отсутствии дрейфа, боковой и продольной качки ПБУ базовые варианты этих вращателей позволяют почти беспрепятственно перемещаться в вертикальном направлении плавсредству вместе с ротором и направляющими относительно бурового снаряда.

Опыт бурения вращателями описанных конструкций показал, что при волнении моря более 2 баллов на забой не передается заданная осевая нагрузка, так как ведущая ВМБ-5 заклинивается в роторе, а подвижной вращатель КГК-100 -- в направляющих. Так как при бурении этими вращателями бурильная колонна обычно подвешена на тросе лебедки, жестко соединенной с плавсредством, его качка приводит к периодическим отрывам бурового снаряда от забоя, разрушает керн и не позволяет поддерживать необходимую осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент.

Такие же трудности отмечаются при бурении в сложных гидрологических условиях моря с применением силового вертлюга, используемого для вращения бурильной колонны. Эта схема принципиально схожа со схемой бурения вращателем от КГК-100.

Общий недостаток вращателей, устанавливаемых на вращаемой обсадной колонне, -- большие потери времени и труда на приведение в каждом рейсе вращателя в рабочее положение и на разворот извлекаемых из скважины обсадных труб, резьбовые соединения которых при вращательном бурении сильно затягиваются.

Подводное устьевое оборудование

В практике бурения скважин с плавучих буровых средств (БС, ППБУ) широко применяют комплексы полдводного устьевого оборудования (ПУО), устанавливаемые на морском дне. Такое расположение позволяет наибольшие смещения плавсредства от центра скважины, при этом установленное на морском дне оборудование меньше подвержено механическим повреждениям.

Комплекс ПУО предназначен:

§ для обеспечения при бурении скважины гибкой замкнутой технологической связи между перемещающимся от воздействия волн и течений БС или ППБУ и неподвижным подводным устьем, установленным на морском дне;

§ для направления в скважину бурильного инструмента, обеспечения замкнутой циркуляции бурового раствора, управления скважиной при бурении и др.;

§ для надежного закрытия бурящейся скважины в целях предупреждения возможного выброса из скважины при аварийных ситуациях или при отсоединении буровой установки в случае больших волнений моря.

Существует несколько конструкции ПУО, обеспечивающих бурение скважин на разных глубинах моря - от 50 до 1800 м и более.

Рис. 18- Одноблочный подводный устьевой комплекс.

Большая глубина установки ПУО предъявляет высокие требования к его свойствам: оборудование должно быть прочным, вибростойким, способным выдерживать большие внешние давления, быть герметичным и надежно управляемым на расстоянии. Конструкция узлов комплекса должна обеспечивать точность стыковки должно быть высоким, обеспечивающим нормальную работу и управление ПУО.

Особое внимание уделяют расположению механизмов связи - надежным устройствам, установленным на БС или ППБУ, которые подвергаются действию волн, течения и ветра.

Недостатки размещения ПУО на дне моря - сложность управления, эксплуатации и ремонта.

Многолетний опыт бурения с плавучих буровых средств определил в основном две типовые конструкции скважин с подводным устьем.

В первой конструкции (для глубин скважин примерно 5000-6500 м) применяют фундаментальную колонну (направление) диаметром 762 мм, кондуктор -508 мм, первую промежуточную колонну - 340 мм, вторую промежуточную колонну - 178 мм. Диаметр эксплуатационной колонны обеспечивает спуск и установку двухколонных НКТ для одновременно - раздельной эксплуатации пластов. Благодаря такому сочетанию диаметров с большими зазорами между колоннами обеспечивается надежное крепление скважин.

Вторую конструкцию преимущественно применяют в условиях бурения на меньшие глубины при более простой конструкции скважин. В этой конструкции используют фундаментальную колонну диаметром 762 мм, кондуктор -406 мм, промежуточную колонну -273 мм, эксплуатационную колонну- 178 мм.

В практике буровых работ на море с БС и ППБУ применяют одно- или двухблочную конструкцию ПУО.

Некоторые одноблочные конструкции преимущественно используют на больших глубинах вод, в несложных двух- и трехколонных конструкциях скважин и на небольших глубинах бурения.

Двухблочные конструкции применяют преимущественно на небольших глубинах вод, в сложных четырех- и пятиколонных конструкциях скважин и на больших глубинах бурения.

Показанный на рисунке 18 одноблочный подводный устьевой комплекс состоит из следующих узлов:

1- пульт бурильщика; 2-пульт управления штуцерным манифольдом; 3-аккумуляторная установка; 4- гидравлическая силовая установка; 5-дистанционный пульт управления;6-шланговые барабаны 7-гиравлический спайдер;8- верхнее соединения морского стояка;9-телескопический компенсатор; 10-соединение ; 11- угловой компенсатор; 12- нижний узел морского стояка; 13-направляющие; 14- подводные задвижки; 15-цанговая муфта; 16- опорная плита;17-акустический датчик; 18- плашечные превенторы; 19-штуцерный манифольд; 20-морской стояк.

Преимущества одноблочной конструкции ПУО- сокращение времени на установку и монтаж комплекса, так установленный одноблочный комплекс ПУО используется в течение всего времени бурения скважины.

На рисунке 18 приведена одноблочная конструкция ПУО, обеспечивающая бурение многоколонных глубоких скважин (фирма «Камерон», США).

Особенность конструкции - наличие эластомерного элемента, состоящего из сферических, стальных пластин и эластической набивки. Элемент может выдерживать большие сжимающие нагрузки и срезающие усилия. Компенсатор может отклоняться в любом направлении вокруг центра вращения при изгибе морского стояка.

Рис.19- Морской стояк: 1-верхняя секция с отклонителем потока и шаровым компенсатором; 2- телескопический компенсатор; 3-натяжные канаты; 4- промежуточная секция;5-нижняя секция с шаровым и гидравлическим соединителем

...