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.

Н а 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.

Морской стояк (рис 19).

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

В процессе буровых работ морской стояк эксплуатируется в сложных условиях. Практикой работ установлено, что такие условия эксплуатации приводят к повреждению его отдельных узлов. Причинами повреждений морского стояка могут быть длительный период воздействия на узлы суровых морских условий, использование буровых растворов большей плотности, нарушение рекомендации, недостаточное натяжение нижней секции морского стояка и слабый контроль за изменением угла поворота шарового соединения при отклонения стояка от вертикали, использование недостаточно надежных узлов соединений, не соответствующих условиям работы в данном районе, а также недостаточный опыт работы при эксплуатации стояков и отсутствие соответствующей теоретической базы для их расчета.

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
^ Лекция № 9. Классификация морских стационарных платформ.

Морская стационарная платформа — уникальное гидротехни­ческое 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 главных фактора определяют направление работ в области проектирования и строительства гидротехнических объектов в море. Такими факторами являются ограничения, накладываемые условиями окружающей среды, и высокая стоимость морских операций. Эти факторы в основном 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 широким разворотом работ по освоению морских нефтяных месторождений в различных райо­нах Мирового океана, предложен и осуществлен ряд новых типов и конструкций МСП. Эти типы и конструкции МСП различают по следующим признакам: способу опирания и крепления к мор­скому дну; типу конструкции; по материалу и другим приз­накам.

Рис. 20-Классификация глубоководных МСП
По способу опирания и крепления к морскому дну МСП бывают свайные, гравитационные, свайно-гравитационные, ма­ятниковые и натяжные, а также плавающего типа, по типу конструкции сквозные, сплошные и комбинированные, по ма­териалу конструкции — металлические, железо-бетонные и комби­нированные. Сквозные конструкции выполняются 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.

На рис. 20 приведена классификация глубоководных МСП.

^ На первом уровне классификациипроведено деление МСП на жесткие и упругие. По мнению авторов, такое деление явля­ется объективным, так как оно отражает конструкцию платфор­мы (размеры, конфигурацию) и указывает период собственных колебаний, который у жестких составляет 4—6 с и 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, свайные и гравитационно-свайные. В первом случае сооружение не сдви­гается относительно морского дна благодаря собственной массе и во втором— оно не смещается из-за крепления его сваями. Гравитационно-свайные сооружения не сдвигаются благодаря собственной массе и системе свай.

Третий уровень классификации жестких МСП характеризует материал конструкции: бетон, сталь или бетонсталь.

Упругие конструкции на втором уровне по способу крепле­ния разделены на башни с оттяжками, плавучие башни и гибкие башни. (рис.21).

Башни с оттяжками сохраняют свою устойчивость системой 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.

Рис.21 Схемы МСП, применяемые на Каспийском море: а — четырехблочная МСП; 1 — опорный блок; 2 -верхнее строение; 3 — подвышенные конструкции; 4 — буровая вышка; 5 — причально-посадочное уст­ройство; 6 — водоотделяющая колонна (обсадная); 7 — свайный фундамент; б" — двухблочная МСП; 1— опорный блок; 2 — верхнее строение; 3 — при­чально-посадочное устройство; 4 — буровая вышка; 5 — водоотделяющая колонна; 6 — свайный фунда­мент; в— моноблочная МСП; 1 — опорный блок; 2 — верхнее строение, модули; 3 — буровая вышка; 4 — водоотделяющая колонна; 5 — свайный фунда­мент; 6 — причально-посадочное устройство

На последнем уровне классификации имеется 10 групп кон­струкций, каждая из которых обозначается начальными буквами слов английского языка, например RGS — риджит гревити стил (жесткая гравитационная стальная), RGC (жесткая гравитаци­онная бетонная) и т. д.

Из рассмотренных в работе 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% гравитационно-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% — стальбетод.

Наибольшее число проектов 57% разработано для вод глу­биной 305—365 м. 30% —для глубин 365—460 м и 13% — на глубины больше 460 м.

Жесткие МСП

Морские стационарные платформы, закрепляемые сваями МСП пирамидального типа

МСП, закрепляемые сваями, представляют собой гидротехни­ческое металлическое стационарное сооружение, состоящее из опорной части, которая крепится к морскому дну сваями, и верхнего строения, оснащенного комплексом технологического оборудования и вспомогательных средств и устанавливаемого на опорную часть МСП.

Опорная часть может быть выполнена из одного или несколь­ких блоков в форме пирамиды или прямоугольного параллеле­пипеда. Стержни решетки блока изготовляют в основном из металлических трубчатых элементов. Количество блоков опор определяется надежностью и безопасностью работы в данном конкретном районе, технико-экономическими обоснованиями и наличием грузоподъемных и транспортных средств на заводе — изготовителе опорной части МСП.

На рис. 21 а, б, в даны схемы МСП, применяемые на Кас­пийском море. Ниже приведены краткие технические данные морской стационарной платформы для одновременного бурения скважин двумя буровыми установками на месторождении им. 28 апреля на глубине 100 м. Платформа состоит из двух опор­ных блоков, установленных на расстоянии 31 м друг от друга, и трехпалубного верхнего строения, которое включает 14 моду­лей, в том числе: два подвышечных, шесть модулей нижней палубы с эксплуатационным оборудованием 450 т каждый, шесть модулей верхней палубы с буровым оборудованием до 600 т каждый.

На платформе размещен комплекс технологического и вспо­мога-тельного оборудования, систем, инструмента и материалов, обеспечивающих бурение скважин двумя буровыми установ­ками.

Платформа оснащена блочными жилыми и бытовыми помеще­ниями, вертолетной площадкой, погрузочно-разгрузочными кра­нами и др.

С платформы предусмотрено бурение 12 скважин.

Размер в плане, мм: Масса, тыс. т:

производственной площад- платформы .............. 12,1

ки ......................................... 71 Х50 опорного блока ....... 2,04

опорного блока .......................... 16 X 49

Опорные блоки крепятся к морскому грунту сваями. На опорные блоки устанавливается верхнее трехпалубное строе­ние с модулями, оснащенными соответствующими технологи­ческим и вспомогательным оборудованием и системами.

Как известно, затраты на обустройство морских нефтегазовых ме­сторождении составляют свыше 50 % всех капиталовложений. Дос­таточно сказать, что стоимость отдельных нефтегазопромысловых платформ достигает 1—2 млрд долл.

Например, эксплуатирующая­ся в настоящее время глубоководная гравитационная платформа для месторождения Тролль в Северном море оценивается в сумму свыше 1 млрд долл. Затраты на прокладку современного глубоко­водного магистрального трубопровода составляют 2—3 млн долл. за километр. Каждый новый этап в освоении шельфа вызывает к жизни новые технические решения, соответствующие возникающей проблеме. Разработан целый спектр технических средств освоения шельфа, выбор которых определяется совокупностью технологических, гео­лого-, гидрометеорологических, экономических, политических и других условий.

Рис. 22 Современные глубоководные платформы, используемые для разработки шельфовых нефтегазовых месторождений

. Так, например, для выполнения работ по развед­ке, бурению скважин и добыче нефти и газа используются раз­личные типы технических средств, изображенных на рис.22.

Среди инженерных компаний, успешно работающих в области со­здания новой техники и морских нефтегазовых сооружений, при­оритетные позиции занимают «Браун энд Рут», «Мак-Дермот», «Квернер», «Аккер» и др.

Советский опыт в этой области накоплен организациями Азер­байджана, где институт Гипроморнефтегаз спроектировал, а Ба­кинский завод глубоководных оснований изготовил и установил более десяти металлических платформ на глубинах около 100 м. Институтом ВНИПИШельф разработаны платформы высотой около 30 метров для газовых месторождений Крыма. Морские трубопроводы диаметром до 500 — 700 мм проложены на Кас­пийском и Черном морях и на Дальнем Востоке через Татарский пролив.

Гравитационные морские стационарные платформы (ГМСП)

Гравитационные МСП отличаются от металлических свайных МСП как по конструкции, материалу, так и по технологии из­готовления, способу их транспортировки и установки в море.

Общая устойчивость ГМСП при воздействии внешних нагру­зок от волн и ветра обеспечивается их собственной массой и массой балласта, поэтому не требуется их крепление сваями к морскому дну. ГМСП применяют в акваториях морей, где проч­ность основания морского грунта обеспечивает надежную устой­чивость сооружения.

Рис. 23-Схема платформы типа «Кондип»:

^ 1 — емкость с топливом; 2 -- стенки ячейки; 3 — верхняя крышка; 4 — опора хозяйственного оборудования; 5 — верхнее строение; 6 — буровая опорная колонна; 7 — хранилище нефти; 8 — нижняя крыш­ка; 9 — балласт; 10 — стальная юбка; 11 — штифт

ГМСП — очень массивные объекты, состоящие из двух час­тей: верхнего строения и опорной части. Опорная часть состоит из одной или нескольких колонн, изготовляемых из железобетонa. Колонны цилиндрической или конической формы опираются на многоячеистую монолитную базу (рис.23)

База относительно неболь­шой высоты по сравнению с колоннами, состоит из ячеек-пон­тонов, жестко связанных между собой, и заканчивается в ниж­ней части юбками с развитой общей опорной площадью на мор­ское дно. Размеры опорной многоблочной плиты бывают в длину 180 м и по ширине до 135 м.

Преимущество ГМСП — непродолжительное время установки их в море, примерно 24 ч вместо 7—12 мес, необходимых для установки и закрепления сваями металлических свайных плат­форм. Собственная плавучесть и наличие системы балластировки позволяют буксировать ГМСП на большие расстояния и устанав­ливать их в рабочее положение на месте эксплуатации в море без применения дорогостоящих грузоподъемных и транспортных средств. Преимуществом их также является возможность повторного использования на новом месторождении, повышенные огнестойкость и виброустойчивость, высокая сопротивляемость морской коррозии, незначительная деформация под воздействием нагрузок и более высокая защита от загрязнения моря.

ГМСП применяют в различных акваториях Мирового океана. Особенно широко они используются в Северном море.

К недостаткам гравитационных платформ относится необходимость тщательной подготовки места их установки. Особое внимание следует уделять на опасность аварий, которые могут возникнуть при разжижении грунта, его поверхностной и внутренней эрозии, местных размывах.

Осн.: 2. [78-87], 5. [ 443-446],

Доп.:7. [964-970 ], [985-987 ]

Контрольные вопросы:

1. В чем назначение платформ ?

2. Какие виды платформ вы знаете?

3. Расскажите про преимущества ГМСП.

4.Для каких условий применяют ГМСП?

5. Назовите недостатки ГМСП.

^