Месторождения нефти и газа находятся не только на суше, но и под водой. Если месторожение находится недалеко от берега, можно построить наклонные разведочные скважины прямо с суши. Для месторождений, которые находятся далеко от берега (на шельфе), используют морские буровые установки.
Морские буровые установки — это нефтегазопромысловые сооружения, предназначенные для бурения скважин и добычи углеводородного сырья, залегающего под дном акватории.
По своему назначению морские буровые установки разделяются на установки, предназначенные для разведочного бурения скважин, и установки для добычи нефти и газа.
Первая морская установка для добычи нефти — это Луизианская платформа 1947 года. Она имела стальное каркасное основание, которое называется "jacket" или "несущая структура". Такой тип конструкции буровой установки до сих пор остается самым распространенным в мире. Это — 95% всех морских буровых платформ.
В СССР первая нефтяная скважина в открытом море (в 40 км от берега) была пробурена в 1949 году в Каспийском море. Для освоения крупнейшего в то время в мире нефтяного месторождения на мелководье были забиты стальные сваи и на металлических эстакадах были построены более двухсот стационарных платформ и поселок нефтяников Нефтяные камни, вошедший в книгу рекордов Гиннеса.
Сейчас в морском бурении задействовано более 8000 буровых установок. Из морских месторождений в настоящее время добывается более 30% объема добычи нефти и газа.
Типы морских буровых установок
Выделяют два класса морских буровых установок:
— плавучие буровые установки (ПБУ), представляющие собой судно, снабженное буровой установкой;
— морские стационарные платформы (МСП), состоящие из верхнего строения и опорного основания, зафиксированные на все время использования на грунте и являющиеся объектом обустройства морских месторождений нефти и газа. Применение стационарных платформ ограничено глубинами 300-400 м. Полустационарные установки могут работать и на больших глубинах.
Основные виды МСП — это платформы гравитационного типа, мачтовые и свайные.
Гравитационная МСП — это сооружение, устойчивость на грунте которого обеспечивается в основном за счет собственного веса и веса принимаемого балласта.
Буровые платформы гравитационного типа наиболее устойчивы, так как имеют мощное бетонное основание, опирающееся о морское дно. В основание встроены колонны для бурения скважин, резервуары для хранения добытого сырья и трубопроводы. Поверх основания располагается буровая вышка. На таких платформах могут жить десятки и даже сотни рабочих.
МСП мачтовая — морская глубоководная стационарная платформа, устойчивость которой обеспечивается либо оттяжками, либо соответствующим объемом плавучести.
МСП свайная — морская стационарная платформа свайного типа — сооружение, устойчивость на грунте которого обеспечивается в основном за счет забитых в грунт свай.
Мелководная платформа на колоннах — платформа на колоннах, высота которых сопоставима с характерным размером поперечного сечения.
Глубоководная платформа на колоннах — платформа на колоннах, высотой существенно превосходящих характерный размер поперечного сечения. Она состоит из следующих элементов: колонн, нижнего опорного основания, соприкасающегося с дном акватории, и верхней несущей конструкции.
Еще один вид МСП — это конструкционный остров (кессон), мелководная платформа на сплошном металлическом основании.
Из-за статичности конструкции применение стационарных платформ оправдано для месторождений с доказанными объемами полезных ископаемых.
Для иных случаев созданы ПБУ, способные самостоятельно или с помощью буксиров менять районы бурения.
Погружная ПБУ — это ПБУ, опирающаяся в рабочем состоянии на грунт.
Самоподъемные ПБУ представляют собой понтоны, в центре которых размещают буровые установки, а по краям — опорные колонны.
Доступ к полной версии этого документа ограничен
Ознакомиться с документом вы можете, заказав бесплатную демонстрацию систем «Кодекс» и «Техэксперт».
Буровая баржа — вид морской буровой установки используемой на первом этапе разработки месторождения, для бурения скважин в основном на мелководных и защищенных участках.
Область применения — внутриконтинентальные место-рождения устья рек, озера, болота, каналы и на небольшой глубине (как правило от 2 до 5 метров).
Буровые баржи, обычно – несамоходные, и поэтому не в состоянии проводить работы в ситуации открытого моря.
Самоподъемная плавучая буровая установка (Jack-up drilling rig)
Этот тип морских буровых установок по способу перемещения, видам работ, форме корпуса и структуре производственной платформы напоминает буровую баржу, и иногда является модернизированной буровой баржей.
В конструкцию включены три, четыре или пять опор с башмаками, опускаемых и задавливаемых в дно на время осуществления буровых работ.
При этом также может производится заякоривание буровой установки, но стояние на опорах является более безопасным режимом эксплуатации, так как в этом случае корпус не касается поверхности воды.
Глубина воды на которой может работать самоподъемная буровая платформа ограниче-на, как правило длиной опор и не превышает 150 метров.
Буровое судно (Drillship)
Буровые суда – самоходные и поэтому не требуют буксировки на место проведения работ. Они проектируются специально для осуществления бурения скважин на большой глубине, хоть и обладают не такой устойчивостью как полупогружные морские буровые установки.
Состав оборудования включает в себя полный набор, необходимый для крупного океанского судна. С помощью GPS устройств реализуется активное управление буровым судном. Это позволяет проводить буровые операции непосредственно с корабля, но только в тех пределах, где его перемещения не мешают процессу бурения. На нижнем корпусе судна располагаются электрические двигатели, которые обеспечивают движение корабля в любом направлении.
Благодаря якорной системе, судно, оборудованное производственной, отгрузочной и хранилищной площадками, может вращаться вокруг вертикальной оси, в результате при воздействии ветра, его влиянию будет подвержена минимальная площадь. Буровая шахта (англ. moonpool) проходит через весь корпус судна, расширяясь к низу; буровые линии уходят от нее в глубину. На палубе располагается силовые установки и техническое оборудование. Нефть, добытая, а затем очищенная, хранится в резервуарах корпуса, впоследствии же ее загружают в челночные грузовые танкер ы.
Погружная буровая установка (Submersible rig)
Не очень распространенный тип буровых установок, особенность конструкции заключается в способности погружаться в воду, может использоваться на небольших глубинах.
Погружная установка представляет из себя платформу с двумя, помещенными друг на друга, корпусами.
В верхнем корпусе располагаются жилые помещения для экипажа, как и на обычной буровой платформе. Нижняя часть – заполняется воздухом (чем обеспечивает плавучесть) при перемещении, а после прихода на место назначения, воздух выпускается из нижнего корпуса, и буровая платформа погружается на дно.
Преимуществом погружных установок является высокая мобильность, однако при этом глубина выполнения буровых работ – невелика и не превышает 25 метров. На сегодняшний день эксплуатируются 6 установок этого типа.
Полупогружная буровая установка (Semisubmersible rig)
Наиболее распространенный тип морских буровых установок, сочетает в себе преимущества погружных конструкций и способность проводить буровые работы на глубине более 1500 метров. 
Конструкция полупогружной установки включает опоры, которые обеспечивают плавучесть платформы и обеспечивают большой вес для сохранения вертикального положения. В процессе передвижения полупогружная морская буровая установка происходит закачивание и выкачивание воздуха из нижнего корпуса (когда выпускается воздух полупогружная установка притапливается лишь частично, не достигая при этом морского дна и остается на плаву).
В процессе буровых работ осуществляется заполнение нижнего корпуса водой, в результате чего достигается необходимая устойчивость. Укрепление тяжелыми 10-тонными якорями, дает гарантии безопасности при эксплуатации платформы в бурных морских водах. При необходимости удерживать установку на одном месте также применяется активное рулевое управление.
При больших глубинах вод применяют более сложные технологии бурения. При глубине до 40 метров применяют стационарные буровые платформы, если глубина достигает 80 метров, используют плавучие буровые установки (ПБУ) с опорами. При глубинах моря от 80 до 300 м бурят с ПБУ, которые стабилизируются якорной системой, удерживающей судно над устьем скважины при любых силе и направлении ветра и морского течения. При глубинах моря более 250-300 метров, когда якорная система стабилизации ПБУ неприемлема, применяют динамическую систему стабилизации ПБУ.
Система динамической стабилизации ПБУ не обеспечивает неподвижность ПБУ, но ограничивает его дрейф от скважины в радиусе, при котором изгиб бурильной колонны не вызывает появления опасных напряжений для ее прочности. При больших глубинах используют уже буровые суда. Рекорд бурения в глубоких водах был установлен компанией Transocean и ChevronTexaco на судне Discoverer Deel Seas в 2004 году, когда было начато бурение в Мексиканском заливе при глубине моря 3053 метра.
Северные моря отличаются сложными условиями, поэтому там чаще используются стационарные буровые платформы, удерживающиеся под водой благодаря тяжелым основаниям. К основания крепятся плавающие столбы, в которых можно хранить добытые ресурсы или оборудование. Эту конструкцию буксируют к месту использования и затапливают, а потом надстраивают остальную часть.
На современных платформах можно перемещать буровые установки для бурения максимального количества скважин с минимальными затратами. Задача инженеров при проектировании состоит в размещении максимального количества высокотехнологичного оборудования на минимальной площади. Для того, чтобы избежать влияния различных природных условий, таких как морозы, льды или волны, буровое оборудование можно устанавливать прямо на дне.
Рис. 1. Технологии, применяемы при бурении на разных глубинах
Рассмотрим подробнее технологии бурения скважин на акваториях и типы буровых установок.
Выделяют следующие способы бурения скважин на акваториях:
1. с морских стационарных платформ;
2. гравитационных морских стационарных платформ;
3. самоподъемных буровых установок;
4. полупогружных буровых установок;
5. буровых судов.
Морская стационарная платформа стоит на дне, и верхняя ее часть находится над уровнем воды (рис. 2). После завершения работ морская стационарная платформа остается на месте сооружения. Поэтому в ее конструкции предусмотрена водоотделяющая колонна, которая изолирует скважину от воды и соединяет устье с МСП. Устьевое оборудование монтируется также на МСП. Сооружение буксируют к месту постройки будущей скважины 4-5 буксиров. В хорошую погоду средняя скорость буксировки составляет 1,5-2,0 уз/час.
Рис. 2. Схемы МСП:
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
Гравитационная морская буровая платформа строится в глубоководных заливах и буксируется до точки эксплуатации. Она предназначена так же и для добычи и хранения нефти и отправки ее танкерами до мест переработки, как и для бурения скважин. На дне платформа удерживается благодаря большой собственной массе, поэтому никакие дополнительные устройства не нужны.
Когда месторождение разработано, все скважины консервируют, устройства отсоединяют от устья скважины, платформу отрывают от морского дна и буксирую до новой точки эксплуатации. Это — огромный плюс в сравнении с МСП, остающейся на месте разработке месторождения навсегда.
Самоподъемная плавучая буровая установка отличается достаточным запасом плавучести, что позволяет ее транспортировку вместе с буровым оборудованием, инструментом и необходимым запасом расходных материалов. На дно СПБУ устанавливают с помощью специальных механизмов и опор(рис. 3). Корпус же поднимают выше уровня воды так, чтобы исключить влияние волн. Способы монтажа превенторных устройств и соединения устья скважины с площадкой аналогичны МСП. Обсадные колонны, подвешенные под столом ротора, обеспечивают более надежную эксплуатацию. После того, как бурение и освоение разведочной скважины завершено, устанавливают ликвидационные мосты и обрезают все обсадные колонны ниже уровня дна моря.
Полупогружная плавучая буровая установка доставляется на место бурения буксирными судами и удерживается якорной системой в течение всего периода бурения и испытания скважины. На месте понтоны, соединенные с корпусом стабилизирующими колоннами, заполняются необходимым количеством воды для затопления установки на расчетную глубину (рис. 4). Таким образом, снижается влияние волн на установку. Отсутствие жестокого крепления ко дну и, как следствие, подверженность качке делают использование водоотделяющей колонны невозможным. Поэтому для связывания устья с ППБУ используют телескопическое соединение с герметизирующим узлом и герметичные шарнирные соединения.
Когда скважина построена и готова к эксплуатации, ППБУ снимают с якорей и буксируют на новое место.
Буровое судно — наиболее мобильная буровая установка, позволяющая проводить бурение в наиболее глубоководных местах(рис. 5). БС включает в себя все необходимое буровое и вспомогательное оборудование и необходимый запас расходных материалов.
На точку бурение судно идет своим ходом, развивая скорость до 13 узлов в час. Для удержания над точкой бурения используют динамическую систему позиционирования. Она состоит из пяти подруливающих винтов и двух ходовых, постоянно находящихся в работе.
Рис. 3. Общая схема СПБУ
Превенторное оборудование крепится к морскому дну, когда БС уже зафиксировано на точке бурения. Оно соединено с устьем скважины с помощью водоотделяющей колонны, двух шарнирных соединений и телескопического соединения для компенсации смещений судна в процессе бурения.
Рис. 4 Общая схема ППБУ
Различные буровые установки возникли из-за разных условий и необходимости использования разных технологий на разных глубинах акваторий. Так, к примеру, плавучие установки полупогружного типа используются для бурения на глубинах до 300 м, в то время как самоподъемные буровые установки — только до 120 м.
При глубинах до 1500 метров используют буровые суда, отличающиеся большей маневренностью и скоростью перемещения, а главное, большей автономностью. Запас необходимых расходных материалов позволяет проводить бурение скважин без догрузки. А высокая скорость обеспечивает возможность быстрой перебазировки.
Однако в отличие от ППБУ БС больше подвержены качке, что несколько ограничивает их работоспособность. Допустимые значения вертикальной качки для БС — 3,6 м, а ППБУ — 5 м. И, так как благодаря частичному погружению нижних понтонов вертикальная качка ППБУ составляет лишь 20-30% от высоты волны, бурение с ППБУ возможно осуществлять при значительно большем волнении моря, чем при бурении с БС.
Рис. 5. Буровое судно
Новейшие разработки в области подводной добычи нефти представляют собой подводные эксплуатационные комплексы, имеющие нормальные атмосферные условия для работы операторов. Все необходимые материалы и оборудование доставляются судами снабжения.