Типи бурових установок для буріння свердловин на морі

Загалом застосовують чотири типи бурових установок:

СПБУ — самопідйомні бурові установки;

НЗБУ — напівзанурені бурові установки;

морські стаціонарні платформи;

бурові судна.

Самопідйомна бурова установка (рис. 2.2) являє собою плавучий понтон 1 з вирізом, над яким розташована бурова вишка. Понтон має трьох-, чотирьох- або багатокутну форму. На ній розміщуються бурове і допоміжне устаткування, багатоповерхова рубка з каютами для екіпажу і робітників, електростанція і склади. По кутах платформи встановлені багатометрові колони-опори 2.

У точці буріння за допомогою гідравлічних домкратів колони опускаються, досягають дна, спираються на грунт і заглиблюються в нього, а платформа піднімається над поверхнею води. Після закінчення буріння в одному місці платформу переводять в інше.

Види самопідйомних бурових установок:

“Сиваш” (рис. 2.3) – здійснює буріння при глибинах моря від 10 до 70 м (при заглибленні опор у грунт на глибину 10 м) і глибині буріння свердловини 5000 м;

“Таврія” – глибина моря 5 – 100 м, глибина буріння до 6500 м(осадка при водотоннажності порожній – 5 м, заглиблення опор у грунт – до 15 м).

Також у практиці застосовується буріння за допомогою СПБУ експлуатаційних свердловин на блок-кондукторах з подальшим включенням останніх до складу технологічної платформи.

Рисунок 2.2 – Самопідйомна бурова установка в транспортному положенні:

1 – плавучий понтон; 2 – підйомна опора; 3 – бурова вишка; 4 - поворотний (вантажний) кран; 4 – житловий відсік; 6 – вертолітний майданчик; 7 – підвищений портал; 8 – головна палуба

Рисунок 2.3 – Самопідйомна плавуча бурова установка “Сиваш”

Напівзанурювальні бурові установки (НЗБУ) (рис. 2.4) являють собою конструкцію плаваючого типу, переважно несамохідні. В районі встановлення для буріння їх закріплюють на якорях чи утримують на місці за допомогою системи динамічного позиціювання (СДП). НЗБУ встановлюють там, де через велику глибину моря або через великі хвилі не можна встановити СПБУ.

Рисунок 4 – Напівзанурювальна бурова установка:

1 – занурений понтон; 2 – стабілізаційна колона, 3 – верхній корпус, 4 – бурова установка; 5 – вантажний кран; 6 – вертолітний майданчик

Найоптимальніша глибина встановлення – 70-250 м, проте тепер уже розроблені НЗБУ, які встановлюють на глибині до 500 м. Глибина буріння свердловин до 10000 м. Осідання в порожньому стані 5-6 м, у робочому – до 20 м. Працюють при силі вітру до 50 м/с. Тепер НЗБУ почали використовуватись як судна, що вкладають трубопроводи, а також як експлуатаційні платформи для видобування газу.

На Чорному і Азовському морях НЗБУ в даний час не застосовують з огляду на високу вартість робіт та відсутність родовищ на глибинах, оптимальних для їх використання. На рис. 2.5 показано основні конструктивні параметри НЗБУ 6500/350 “Север”.

Рисунок 2.5 – Напівзанурювальна бурова установка “Север”

Оптимальним видом застосування бурових суден є віддалені від берегових баз райони, а також райони з великою глибиною. Встановлюють їх на якорях, а найбільш досконалі з них коректують своє положення за рахунок динамічного позиціювання.

Рекорд глибини морського буріння належить японському буровому судну «Тікю», з якого 27 квітня 2012 року була досягнута глибина 7740 метрів під рівнем моря. Звичайно система динамічного позиціювання суден забезпечує відхилення судна від точки буріння на відстані, що не перевищує 6% ГЛИБИНИ. ЕОМ вираховують позицію судна й керують основними гребними гвинтами.

Здебільшого бурові судна використовують на шельфах північних морів для пошукового і розвідувального буріння, а також на Балтійському морі. На рис. 2.6 показані бурове судно і схема динамічного позиціювання.

Рисунок 2.6 – Схема динамічного позиціювання бурового судна

2.4 Конструкції морських стаціонарних платформ (МСП)

Відомо, що на даний час у всьому світі для видобування газу та нафти на морських шельфах дістали широке розповсюдження конструкції стаціонарних платформ, що являють собою складні інженерні споруди. Крім специфічних корисних, на платформи діють вітрові та снігові навантаження, динамічні навантаження від морських хвиль і льоду в зимовий період. Часто такі платформи будують у сейсмічних районах, тоді їхня робота під навантаженням ще більше ускладнюється. Такі платформи мають дуже високу вартість, тому постійно стоїть питання щодо їх здешевлення. Аварії на цих платформах можуть призвести до екологічних катастроф та значних матеріальних і людських втрат, тому вимоги до надійності морських платформ є дуже високими.

Морські гідротехнічні споруди ‑ відносно нова галузь інженерного мистецтва, яка пов’язана з конструюванням та розрахунком морських платформ різного призначення. Ця галузь відрізняється від інших наявністю ряду специфічних проблем, пов’язаних із транспортуванням конструкції до місця її експлуатації, встановленням її на морське дно та забезпеченням здатності протистояти важким умовам навколишнього середовища протягом усього періоду експлуатації. Виникнення нової технології визначається розвитком нафтовидобувної промисловості, її потребами в стаціонарних платформах для освоєння значних покладів нафти на морському шельфі.

Морські споруди (рис. 2.7) багато в чому аналогічні проектуванню наземних споруд, але мають і специфіку, пов’язану з тим, що морські споруди виготовляються в одному місці, а встановлюються для експлуатації в іншому. Можна назвати основні етапи процесу при проектуванні морської гідротехнічної споруди:

ü з’ясування призначення споруди;

ü умови навколишнього середовища та їх оцінка;

ü характеристика місця встановлення споруди;

ü попереднє проектування та вибір способу встановлення споруди на місці експлуатації;

ü оцінка матеріальних затрат, труднощів, що виникають при виготовленні та встановленні споруди;

ü установлення розмірів прийнятої конструкції та її деталей;

ü кінцеве оцінювання здатності запроектованої споруди витримувати навантаження, які виникають у процесі його транспортування і встановлення на місці експлуатації.

При будівництві морських стаціонарних платформ у якості стояків успішно застосовують сталезалізобетонні конструкції, що являють собою комплексні елементи, які складаються із бетону, прокатних сталевих профілів і стрижневої арматури, об’єднаних для спільної раціональної роботи. Сталезалізобетонні конструкції дуже різноманітні. Особливий різновид сталезалізобетону являють собою трубобетонні конструкції, що складаються із сталевих труб, заповнених бетоном. Серед інших переваг цих конструкцій вирішальним є те, що бетонне ядро знаходиться в об’ємному напруженому стані, завдяки чому значно зростає несуча спроможність конструкції, а внутрішня порожнина труби захищена від корозії.

Морські стаціонарні платформи – унікальні гідротехнічні споруди, призначені для встановлення на них бурового, нафтопромислового і допоміжного обладнання, яке забезпечує буріння свердловин, видобуток нафти та газу, їх підготовку, а також обладнання й системи для проведення інших робіт, пов'язаних із розробленням морських нафтових і газових родовищ (обладнання для закачування води в пласт, капітального ремонту свердловин, засоби автоматизації морського промислу, обладнання й засоби автоматизації для транспортування нафти, засоби зв’язку з береговими об’єктами (рис. 6.1) та ін.

Є 2 фактори розроблення морських родовищ, які визначають напрям робіт у галузі проектування і будівництва гідротехнічних об’єктів у морі. Перший фактор – це велика вартість робіт. Другий фактор ‑ це обмеження, які накладаються умовами навколишнього середовища.

Рис. 2.7 - Конструкція сучасної бурової установки

Ці фактори відіграють головну роль при виборі рішень, при проектуванні і конструюванні МСП, виборі обладнання, способів будівництва та організації робіт в акваторії моря. Таким чином, МСП є індивідуальними конструкціями, призначеними для конкретного району робіт.

Усі типи і конструкції МСП розрізняють за наступними ознаками: способом опирання й кріплення до морського дна, типом конструкції, за матеріалами та іншими ознаками.

За способом опирання і кріплення їх до морського дна МСП бувають: пальові, гравітаційні, гравітаційно–пальові, маятникові та натяжні, а також плаваючого типу; за типом конструкції: наскрізні, суцільні і комбіновані; за матеріалом: металеві, залізобетонні та комбіновані.

Наскрізні конструкції, звичайно, виготовляються решітчастими. Елементи решіток займають відносно невелику площу порівняно з площею граней просторової ферми.

Суцільні конструкції (бетонні) є непроникними на всій площі зовнішнього контуру споруди.

Основними ознаками класифікації є: розміщення обладнання ( підводне, надводне, комбіноване), спосіб монтажу, характер деформації опор, тип конструкції, опір зовнішнім діям, статична і динамічна жорсткість, характер кріплення, матеріал, спосіб транспортування, монтаж опорних частин.

На рисунку 2.8 наведена класифікація глибоководних МСП. На першому рівні класифікації подано ділення МСП на жорсткі і пружні. Такий поділ відображає конструкцію платформи (розміри й конфігурацію) і вказує період власних коливань, який у жорстких коливаннях складає 4–6 с., у пружних коливаннях – 20 с., а деколи –138 с.

На другому рівні класифікації жорсткі конструкції класифікуються за способом забезпечення їх стійкості під дією зовнішніх навантажень на гравітаційні, пальові і гравітаційно-пальові основи. У першому випадку споруда не зміщується відносно морського дна завдяки власній вазі, а у дру-

гому – за рахунок кріплення до дна палями. Гравітаційно-пальові споруди не зміщуються завдяки власній вазі і системі закріплення паль. Третій рівень класифікації жорстких МСП характеризує матеріал конструкції: бетон, сталь або бетоносталь. Пружні конструкції на другому етапі за способом кріплення розділені на башти з відтяжками, плавучі башти і гнучкі башти.

Башти з відтяжками зберігають свою стійкість за рахунок системи відтяжок, понтонів плавучості й системи противаг.

Плавучі башти подібні до маятника, що хитається та повертається в стан рівноваги за допомогою понтонів плавучості, розміщених у верхній частині конструкції.

Гнучкі башти відхиляються від вертикалі під дією хвиль, але при цьому подібні до стиснутої пружини, тому знову повертаються в стан рівноваги.

Глибоководні конструкції МСП можна розподілити приблизно так:

76%–жорсткі (з них 45% сталеві з пальовим кріпленням, 26%–гравітаційні і 5%– гравітаційно-пальові).

Серед пружних МСП 13%–плавучі башти; 8%–башти з відтяжками; 3%–башти гнучкі.

Рис. 2.8. Класифікація глибоководних МСП

Операції зі складання і встановлення споруди (рис. 2.9) характеризують лише частину численних факторів, які повинні бути враховані у процесі проектування. Наприклад, вага опорної основи, якщо вона становить єдине ціле, не може перевищувати вантажопідйомність кранового обладнання, крім того, вага і розміри опорної основи не повинні перевищувати вантажопідйомності баржі, на якій воно буксирується.

Опорна основа має бути розрахована на навантаження, які виникають при перенесенні її з берега на баржу. У свою чергу вона повинна бути розрахована і на навантаження, які виникають при спусканні баржі на воду. Після спускання на воду опорна основа повинна мати достатню плавучість. Разом із тим вона повинна бути сконструйована так, щоб за допомогою плавучого крана і шляхом баластування водою окремих відсіків бурове обладнання могло бути приведене у вертикальне положення і встановлене на дно. Розрахункова глибина забивання паль, які занурюються крізь колони верхньої основи для фіксації її на місці і для сприйняття ваги верхньої будівлі, має відповідати робочим характеристикам. Нарешті, вага верхньої будови або основних її модулів не повинна перевищувати вантажопідйомність плавучого крана, який використовується для монтажу верхньої будівлі.

Послідовність робіт, наведена на рисунку 2.9, зі складання споруд із дуже громіздкою опорною основою повинна бути змінена. В цьому випадкові опорну основу поділяють на два або декілька модулів, кожен з яких доставляють на місце експлуатації окремо, а потім їх складають. Окремі модулі основи можуть бути з’єднані між собою до її встановлення на морське дно, або їх можна встановлювати один на другий і з’єднувати між собою в остаточному вертикальному положенні.

Інша послідовність установлення опорної основи застосовується для великих споруд. Вона полягає у наданні йому власної плавучості, якої достатньо для буксирування на плаву, що дозволяє уникнути необхідності спускання з баржі. Звичайно це досягається збільшенням розмірів колон. Після спускання на воду зі складального берегового майданчика опорну основу буксирують на місце встановлення і ставлять на дно у вертикальному положенні шляхом баластування відсіків колон.

Рис. 2.9.1. Послідовність операцій при встановленні основи на дно методом підйому

Рис. 2.9.2. Послідовність операцій при встановленні основи на дно методом „регульованої плавучості”

На противагу цьому для легких опорних основ, які призначені для відносно мілких акваторій, можна не передбачати операцію спускання з баржі на воду, а підіймати їх з баржі і встановлювати на дно у проектне положення плавучим краном.

Опорна конструкція вісьмох колон є стандартною для споруд, призначених для глибин близько 110 м. Незначна модифікація конструкції стає необхідною, якщо споруда розташовується на слабких осадових породах. Вона полягає у тому, що для підвищення несучої здатності основи застосовуються додаткові „обрамляючі” палі, розміщені по периметру опорної основи. Вони занурюються крізь короткі напрямляючі циліндри (кондуктори), прикріплені до опорної основи, з поверхні води за допомогою підбабка (передавальної штанги). Зв’язок „обрамляючих” паль з опорною основою досягається нагнітанням бетонного (цементного) розчину в простір між цими палями і напрямляючими циліндрами.

Типова конструкція опорної основи бурової платформи, модифікованої, зображена на рис. 2.10. Ці споруди розташовуються у морях, океанах на глибині близько 90 м. Верхня будова має розміри 18 × 36 м і масу близько 900 т. Маса опорної основи близько 1800 т. Вісім трубчастих паль 1, забитих крізь колони опорної основи, мають зовнішній діаметр 1,22 м і товщину стінки близько 25 мм. На додаток до них забиті чотири обрамляючи палі 2, всі палі забиті у грунт з ухилом 1: 7 до вертикалі на глибину від 50 до 90 м. Такі споруди розраховані на сумарні горизонтальні навантаження від вітру, хвиль і течії, що дорівнює 13,5 МПа і відповідає максимальним штормовим умовам. Оскільки хвильові навантаження максимальні біля поверхні води, то рівнодіюча навантажень прикладена майже до самого верху споруди. Тому споруда розрахована й на перекидальний момент 1000 МН∙м. Ці навантаження і момент у п’ять – сім разів більші від тих, що діють при максимальному вітрі на 25-поверхову, тобто 90-метрової висоти будівлю.

Для споруд, призначених для використання на глибинах більше ніж 110 м, можуть бути розглянуті дві модифікації восьмиколонної опорної основи. У першій із них збільшена кількість колон, так що разом з „обрамляючими” палями вони можуть сприймати додаткові навантаження від верхньої будови і протистояти горизонтальним навантаженням і перекидальному моменту, що зросли. В іншому конструктивному рішенні прийнято до уваги ту обставину, що чим вища опорна основа і ширша його база, тим меншу участь у сприйнятті пере кидального моменту беруть середні палі. Тому на противагу попередньому рішенню, в основній восьмиколонній конструкції можливо виключити всі середні палі і розташувати всі палі по чотирьох кутах споруди.

Опорні основи типу ферми, описані вище, звичайно використовуються на м’яких ґрунтах, де глибоко забиті палі втримують усю споруду від зсуву і сприймають вагу верхньої будови. Для районів із твердими ґрунтами, що ускладнюють занурення паль, запропонована інша конструкція опорної основи, яка утримується від зсуву завдяки власній вазі.

Рис. 2.10. Опорна основа з „обрамляючими” палями бурової платформи:

а) – загальний вигляд споруди; б) – опорна основа

Значні за розмірами чарунки фундаментного блока основи створюють при їх баластуванні навантаження, необхідні для забезпечення стійкості споруди, і розподіляють вагу споруди по площині, достатньо великій за умовами міцності. Такі конструкції звичайно відносять до гравітаційних.

Найбільш розповсюдженим видом гравітаційних конструкцій є залізобетонна конструкція з крупними циліндричними фундаментними чарунками, які оточують декілька не зв’язаних одна з одною колон, котрі підтримують верхню будову з обладнанням.

Гравітаційно-пальові установки МСП не зрушуються з місця, завдяки не тільки власній конструкції, але й за рахунок додаткового закріплення палями опорної частини їх до морського дна. Ці споруди бувають різних конструкцій як за конфігурацією споруди, так і за сполученням матеріалів, що використовуються.

Гравітаційно-пальові основи при глибині моря понад 300 м у більшості випадків мають форму триноги. Конструкція опорної частини складається із центральної колони великого діаметра ≈ 15 м, яка підтримується трьома похилими опорами діаметром ≈ 8м. Товщина стінки всіх колон ≈ 160 мм.

Гравітаційно-пальова МСП установлюється на 4 донних фундаментах, закріплених палями і зв’язаних між собою А–подібною сталевою рамою.

Маса центральної ферми складає 10 тисяч тонн, а її опор ‑ 4,5-5 тисяч тонн. На палубі передбачається встановлення технологічного обладнання масою 24 тисячі тонн і 16 напрямляючих колон діаметром 712 мм. Маса основних конструкцій становить 31 тисячу тонн, паль ‑ 20 тисяч тонн. Відстань від основної центральної ферми до основи опор дорівнює 110 м.

Опори прикріплюються до центральної ферми на глибині від 40 до 79 м нижче від рівня моря.

Конструкції можуть застосовуватися при глибинах моря від 150 до 460 м.

При проектуванні МСП статичну міцність конструкції розраховують від дії максимальних навантажень, які повторюються один раз у сто років, а також здійснюють перевірний розрахунок на динамічні і циклічні навантаження. В цьому випадку при проектуванні глибоководних МСП традиційним методом втомна та динамічна міцність досягаються посиленням опорної башти за рахунок збільшення розмірів її елементів або розширенням її поперечного перерізу з метою збільшення періоду власних коливань і зниження осьових навантажень в елементах.

Однак зі збільшенням глибини вказані прийоми досягнення динамічної міцності МСП призводять до значного збільшення маси МСП і відповідно їх вартості.

На відміну від жорстких конструкцій МСП період основних власних коливань пружних башт перевищує період коливань морських хвиль. При цьому більша частина хвильового навантаження на башту поглинається за рахунок інерції конструкції і не передається стрижням ферми.

Пружною платформою (рис. 2.11) називають відносно тонку сталеву просторову ферму зі стрижнів із досить рівномірною за висотою відстанню між горизонтальними поясами. Навантаження від навколишнього середовища і гравітаційні сили, які діють на пружні МСП, передаються на палі, відтяжки й понтони. Перерозподіляючи ці навантаження на перераховані вузли конструкції, можна досягти оптимального варіанта вирішення проекту конструкції. Наприклад, вагу палуби можна передати на палі або компенсувати підіймальною силою понтонів. Понтони, крім цього, компенсують горизонтальні сили, забезпечують стійкість платформи, зменшують або повністю знімають навантаження на відтяжки. Інерція основи збільшує період бокових коливань, зменшує їх амплітуду й відповідно знижує динамічні навантаження на відтяжки та палі.

Рис. 2.11. Схеми пружних платформ:

1– башта з відтяжками, 2– плавуча башта, 3– башта з відтяжками і жорсткою основою, 4– гнучка башта, 5– пружна пальова башта, 6– пружна пальова башта з жорсткою основою

Різниця у варіантах пружних платформ полягає в способах, якими досягається заданий період коливань, і визначається хвильовими навантаженнями й перерозподілом їх між основними елементами конструкцій (рис. 2.12).

При дослідженні особлива увага приділяється спрощеним моделям конструкцій пружних платформ і їх характеристикам. На моделі перервні лінії означають поперечну дію осьових пружин, а спіралі – пружин кручення.

Ведення робіт із видобутку нафти й газу, буріння експлуатаційних і нагнітальних свердловин протягом року викликає необхідність створення гідротехнічних споруд, які були б надійними в роботі при всіх сезонних змінах умов навколишнього середовища й особливо в льодовій обстановці.

Конструкції стаціонарних споруд для розроблення морських родовищ в Арктиці визначаються в основному величиною дії на них горизонтальних сил льоду, що рухається. Якщо середній тиск вітру на конструкцію приймають 2 кПа, хвиль – від 96 до 144 кПа, то навантаження від льоду складає – 2,88 МПа і більше.

Рис. 2.12. Пружні платформи

Морські стаціонарні платформи за призначенням виконуються у трьох варіантах:

1) споруди, що встановлюються на морське дно і забезпечені
масивною опорною частиною (фундаментом, на який діє льодове навантаження);

2) плавучі платформи, тиск льоду в яких сприймають корпус платформи і натяжні пристрої або якірна система;

3) споруди острівного типу, стійкість котрих забезпечується насипом піску або гравію.

Із споруд, що встановлюють на морське дно, поширені конструкції гравітаційного типу. В основному вони бувають: великого діаметра в основі і малого перерізу опорної колони на рівні моря, повнопрофільні споруди та споруди з відгородженим кільцем.

На сьогодні досить глибоко вивчене функціонування окремих елементів трубобетонних конструкцій при їх роботі на стиск і на згин, але практично зовсім не досліджені особливості роботи цих елементів у складі каркаса морських платформ. А це питання є дуже актуальним, тому що в морських платформах, крім власне несучих конструкцій, дуже відповідальними та вразливими є сполучення окремих елементів. Саме питання дослідження особливостей роботи сталезалізобетонних конструкцій у споруді морської платформи є дуже актуальним для розв’язання важливої народногосподарської проблеми проектування і будівництва надійних несучих конструкцій стаціонарних морських платформ для видобування газу й нафти на основі застосування прогресивних сталезалізобетонних конструкцій.