Подводная платформа для бурения и добычи жидких и газообразных полезных ископаемых

 

Использование: в освоении подводных месторождений жидких и газообразных полезных ископаемых, а более конкретно относится к техническим средствам добычи углеводородов в суровых природных условиях. в том числе при наличии мощного ледового покрова, миграции айсбергов и т.п. Сущность изобретения: морская мобильная платформа имеет модульную конструкцию и состоит из трех основных частей: донного блока, опорной колонны и верхнего строения. Все эти три основных элемента платформы имеют собственную плавучесть, собираются между собой. Железобетонный или стальной донный блок, оснащенный капсулами устьевого оборудования, имеет в плане форму правильного многоугольника или круга и снабжен балластными цистернами для затопления, узлами стыковки с капсулами устьевого оборудования и разъемным креплением для универсального шарнира опорной колонны, расположенным в центре блока. Опорная колонна в верхней части имеет форму круглого цилиндра, в ней размещается транспортно-коммуникационный модуль, а на ее наружной поверхности размещены части механизма вращения и вертикального перемещения верхнего строения относительно колонны. Верхнее строение платформы с размещенными в нем буровыми модулями, расположенными строго над капсулами устьевого оборудования, представляет собой ячеистую пространственную конструкцию, имеющую в плане круговую форму, с внутренним проемом в центре для прохода опорной колонны. Технологические и жилые модули, также расположенные в верхнем строении, образуют с помощью унифицированных стыковочных узлов единое пространство необходимой конфигурации. Изобретение решает задачу по увеличению единичной мощности морской платформы, повышению ее мобильности и безопасности, удешевления процессов развертывания и свертывания промысла. 1 ил.

Изобретение относится к освоению подводных месторождений жидких и газообразных ископаемых, в частности углеводородов, в суровых природных условиях, в том числе при наличии мощного ледового покрова, миграции айсбергов и т.п.

В настоящее время и в обозримом будущем углеводородам отводится ведущая роль в структуре потребления энергоносителей. На территории Российского шельфа разведано достаточно много различных по величине месторождений, где общий объем залежей исчисляется сотнями миллионов м³ нефти и газа.

Мировая практика морского промысла показывает, что освоение крупных и мелких месторождений требует различного подхода. Главное отличие состоит в том, что для освоения мелких и средних месторождений необходимы сравнительно дешевые и мобильные платформы. Известно большое количество разработок и проектов, в которых предложены разнообразные способы повышения эффективности морских оснований, в том числе универсальность, позволяющая выполнять как бурение, так и добычу. Появление универсальных платформ связано с повышением спроса на мировом рынке на платформы такого типа в последние годы, хотя разработки такого плана известны давно. Кроме того, разрабатываются и реализуются проекты переоборудования буровых платформ в эксплуатационные, а также обустройства месторождений по сетевому принципу с использованием платформы в качестве узла переработки продукции подводных скважин, расположенных на некотором удалении от платформы и связанных с ней локальными трубопроводами и сетями управления. В последнее время все большее значение приобретают проблемы сокращения затрат на свертывание промысла и перебазирование морских установок, особенно для малорентабельных месторождений.

Развитие конструкций платформ происходит по пути взаимного обмена полезными признаками, свойственными различным морским основаниям, в том числе и таким, которые не применялись ранее в качестве средств для размещения технологического оборудования промысла. Сравнительно новым направлением развития морских оснований являются одноколонные гравитационные платформы с податливым, например, шарнирным закреплением опорной колонны, такие как проекты компаний "CG Doris" "Exxon" (460 m), "Taylor Woodrow Ingineering" проект "Аколопрод" (250 m), EMH проект "Статфьерд" (145 m).

Одноколонные платформы рентабельны в широком диапазоне глубин моря от 80 до 500 и более метров. По некоторым оценкам наибольшая возможная глубина применения одноколонных платформ может составлять 2000 м, что позволяет развивать морской промысел за пределами шельфа на материковом склоне. Достоинством одноколонных платформ является то, что они достаточно экономны, устойчивы и допускают большую нагрузку на рабочую палубу, кроме того, эти платформы почти не чувствительны к волнению моря.

Освоение месторождений полярных морей значительно осложняется наличием льдов и различных льдообразований, масса которых может в несколько раз превосходить массу морского основания. Ледостойкость представляет одну из основных проблем при освоении полярного шельфа. Дрейф льдов, их движение вместе с приливно отливными и другими потоками представляет для морских оснований особую угрозу. Скорость движения льдов и торосов может достигать нескольких метров в секунду. Очевидно, что шарнирная одноколонная платформа будет не в состоянии обеспечить требуемые параметры по углам отклонения от вертикали в условиях мощного воздействия льда, что может привести к невозможности функционирования технологического оборудования или к аварии платформы. Поэтому проекты одноколонных ледостойких платформ предполагают жесткое ее закрепление. Одной из первых платформ такого типа была колонна, установленная в 1966 г. в заливе Кука на Аляске. Важнейшей функцией колонны является защита буровых колонн и эксплуатационных коммуникаций от воздействия льдов. Очевидны проблемы обеспечения прочности колонны, особенно в районах, где высока вероятность появления крупных торосов и айсбергов при значительной глубине в районе установки платформы. Для одноколонных платформ увеличение числа скважин, разрабатываемых с одной платформы, приводит к росту диаметра колонны и соответственно к увеличению опрокидывающих сил.

Большие массо-габаритные характеристики гравитационных платформ играют положительную роль для обеспечения устойчивости против опрокидывающего действия мощных льдообразований, однако делают практически невозможным перебазирование и утилизацию таких платформ. В то же время известно, что затраты на утилизацию технических средств промысла по исчерпании месторождения соизмеримы с затратами на первоначальное развертывание.

Таким образом, со многих точек зрения желательны платформы, сочетающие в себе технические решения, обеспечивающие при высокой стабильности и единичной мощности достаточную мобильность и возможность повторного использования на новых местах.

С середины 60-х начала 70-х гг. зарубежными компаниями разрабатываются вопросы подводной технологии добычи. Известно, что стоимость 1 т конструкций стационарной платформы, приходящихся на 1 т технологического оборудования составляет 4300 долл. полупогружной установки 5000 долл. С учетом приведенных цифр естественно предположить, что масса и соответственно стоимость 1 т конструкций ледостойких платформ, приходящаяся на 1 т технологического оборудования, значительно выше. Таким образом очевидны выгоды от использования подводной технологии в ледовых районах. Существует зарубежный опыт эксплуатации экспериментальной подводной скважины на месторождении "Закум" в Персидском заливе. Там проходили апробации основные элементы подводной технологии добычи нефти. Анализ этого опыта показал, что для развития подводной технологии нет принципиальных трудностей. Подводная технология рентабельна уже на глубине 30 м. В настоящее время практически нет принципиальных трудностей для развития технологии для существенно больших глубин. В настоящее время в мире насчитывается около ста скважин. Ведутся разработки специальных технических средств, в том числе роботов для обслуживания подводных добычных установок.

Идеи и проекты подводных платформ для эксплуатационного бурения и добычи нефти известны. Например, канадский проект в котором предусматривается расположение всего технологического обору- дования (в том числе бурового) непосредственно на дне. Особенностью проекта является то, что в буровом модуле платформы поддерживается давление воздушной или газовой среды, равное забортному. Это является серьезным ограничением при больших глубинах.

Известен проект, по которому платформа может быть выполнена в виде подводного резервуара, который устанавливают на заданных расстояниях от дна и поверхности моря. Его удлиненный цилиндрический корпус размещен в балластной емкости, выполненной в виде полого кольца. Резервуар разделен палубами на несколько отсеков, в нижнем из которых смонтировано оборудование устья скважины и превенторы, в среднем эксплуатационное оборудование, в верхнем буровое. Буровая палуба может поворачиваться, что позволяет проходить под резервуаром несколько скважин. Резервуар связан с поверхностью моря коммуникационной трубой. Основным недостатком проекта является то, что использование платформы в качестве универсальной при подводном расположении всего оборудования не рационально, так как после завершения буровых работ соответствующее технологическое оборудование будет бездействовать до окончания промысла. Кроме того, ограничения на минимальное расстояние между соседними скважинами (при кустовом способе бурения) и реальные технологические возможности под диаметру резервуара предопределяют ограничения числа скважин в кусте. Можно полагать, что технически реальное количество скважин для этой платформы может быть не более 10.

Попыткой создания платформы, сочетающей в себе качества стационарной и мобильной платформы, является конструкция, позволяющая упростить переход от стадии промыслового бурения к эксплуатации скважин. Платформа представляет собой трубчатое металлическое свайное основание, в верхней части которого на заданной глубине размещается посадочная площадка с анкерными узлами для закрепления буровой или эксплуатационной платформы, размещаемой на балластируемом кессоне. По проекту высота подводной части основания может быть до 240 м от подошвы. Высота кессона 12-50 м. Устья скважин размещаются на уровне подводной посадочной площадки. Проект предусматривает несколько вариантов, в том числе возможность подводного обустройства эксплуатируемых скважин. В этом случае подводное добычное оборудование располагается на посадочной площадке.

Положительной стороной проекта и его вариантов является возможность использования одной буксируемой платформы на многих позициях там, где есть предварительно установленные стационарные основания. В то же время известно, что сооружение на каждом новом месте стационарного основания требует значительных затрат времени и средств, что снижает эффект от использования подвижного буксируемого верхнего строения. Если полагать, что на этапе бурения скважин эта платформа используется в надводном варианте, то на этапе добычи при использовании подводной технологии мощное стационарное опорное сооружение будет иметь необоснованно высокие характеристики и соответственно стоимость.

Изобретение направлено на решение технической задачи и достижение технического результата, заключающегося в увеличении единичной мощности морской платформы, повышение ее мобильности и безопасности, удешевление процессов развертывания и свертывания промысла.

Для этого в подводной платформе для бурения и добычи жидких и газообразных полезных ископаемых, состоящий из неподвижной опорной конструкции, имеющей посадочную площадку, и стыкуемого с ней съемного верхнего строения с размещенным на нем буровым или добычным оборудованием, опорная конструкция платформы состоит из донного блока гравитационного типа и сочлененной с ним через захватное устройство опорной колонны, расположенной в центре блока и снабженной в нижней ее части податливым элементом, при этом донный блок оснащен капсулами устьевого оборудования, размещенными симметрично по кругу относительно центра донного блока, унифицированными стыковочными узлами для крепления и герметизации капсул и технологических модулей, а верхняя часть колонны, выполненная в виде кругового цилиндра с размещенным в ней выдвижным модулем, содержит на наружной поверхности элементы механизма вращения и вертикального перемещения верхнего строения, причем оно представляет собой рамную конструкцию, заключенную в проницаемый обтекатель, имеет внутренний проем для опорной колонны и содержит унифицированные модули с буровым оборудованием, расположенные по кругу соосно с капсулами устьевого оборудования данного блока, жилые модули, привод механизма движения верхнего строения, унифицированные узлы для стыковки модулей и лифты, снабженные направляющими устройствами и унифицированными стыковочными узлами, при этом донный блок, опорная колонна и верхнее строение оснащены собственными балластными цистернами.

Предлагаемая конструкция позволяет совместить процессы бурения и добычи, гибко изменяя направление работ на промысле. Она обеспечивает возможность ускорить начало отгрузки сырой нефти потребителю путем совмещения времени эксплуатационного бурения и добычи и начинать отгрузку, не дожидаясь полного завершения буровых работ на платформе, и тем самым сократить сроки окупаемости затрат на развитие промысла. Конструкция платформы исключает возможность столкновений с льдами и айсбергами, обеспечивает непрерывность производственного процесса.

Компоновка платформы допускает изготовление ее основных элементов в разных местах, в частности данный блок может быть изготовлен из местного и привозного сырья в непосредственной близости от района установки.

Общее компоновочное решение и расположение платформы в пространстве дает возможность снизить весогабаритные характеристики конструкций. Предлагаемая платформа позволяет существенно увеличить, например, по сравнению с одноколонными платформами число скважин в кусте. Оно может составить в случае необходимости 40-50, что приведет к существенному снижению себестоимости одной скважины.

Важным результатом предлагаемого технического решения является снижение затрат на обслуживание устьевого оборудования скважин за счет облегчения доступа к нему. Одним из основных технических результатов использования предлагаемой конструкции является то, что она позволяет практически полностью исключить комплекс проблем обеспечения ледостойкости и динамических волновых нагрузок и существенно понизить требования к конструкционным материалам за счет смягчения требований к конструктивно-технологической и циклической прочности. Конструкция платформы в зависимости от задач и условий промысла допускает различные модификации компоновки.

Достижение этого технического результата обеспечивается наличием следующих основных признаков конструкции: подповерхностное расположение верхнего строения платформы на жесткой шарнирной опертой балластируемой колонне; модульное построение всей платформы в целом; модульная компоновка технологического оборудования; взаимозаменяемость технологических модулей и унифицированные элементы стыковки модулей между собой и их закрепления на несущих конструкциях платформы; вращение верхнего строения платформы относительно опорной колонны при наличии возможности вертикальных перемещений по колонне; выдвижное транспортно-коммуникационное устройство; разъемное крепление шарнирной опоры колонны к донному блоку; балластируемый донный блок с унифицированными стыковыми узлами; унифицированные прочные донные капсулы устьевого оборудования скважин.

На чертеже представлена возможная компоновочная схема основных элементов платформы.

Платформа включает в себя балластируемый донный блок 1 с захватным устройством 2 для фиксации опорной колонны в момент ее установки на донном блоке и унифицированными капсулами устьевого оборудования 5; опорную колону 3 с податливым элементом 4, выдвижным модулем 7, цилиндрической частью 8 и расположенными на ней элементами механизма вращения и вертикального перемещения верхнего строения 10; верхнее строение, заключенное в проницаемый обтекатель 9 и содержащее унифицированные модули с буровым оборудованием 11, жилые модули 12, привод 13 механизма движения верхнего строения; лифты 15 с натяжными элементами для направляющих лифтов 16. Жилые модули, лифты, технологические модули, капсулы устьевого оборудования и выдвижной модуль имеют унифицированные узлы 14 для стыковки. Технологические модули и капсулы устьевого оборудования имеют унифицированные стыковочные узлы 6 для крепления и герметизации. Донный блок, опорная колонна и верхнее строение оснащены балластными цистернами 17.

Кроме того, платформа включает в себя необходимые системы регулирования плавучести донного блока, опорной колонны и верхнего строения, а также необходимые системы связи, оценки ледовой и оперативной обстановки и т.д.

Основные моменты функционирования платформы состоят в следующем: буксируют к месту установки донный блок, опорную колонну и верхнее строение; затапливают донный блок и фиксируют его в нужном положении; приводят (за счет соответствующей балластировки) опорную колонну в вертикальное положение; фиксируют универсальный шарнир в захватном устройстве; совмещают оси опорной колонны и проема верхнего строения и погружают его до заданной глубины; доставляют и устанавливают в ячейках верхнего строения необходимые технологические модули; проводят одновременное бурение нескольких скважин, например 8; извлекают модули с буровым оборудованием (по завершении бурения отдельных скважин); производят установку добычных модулей на донном блоке; подключают добычные модули к продуктопроводу; по завершении бурения всех скважин первой очереди производят поворот вечернего строения для продолжения буровых работ на следующих 8-ми скважинах и так далее; после завершения всех буровых работ и обустройства всех скважин добычными модулями на донном блоке верхнее строение вместе с лифтами и опорной колонной расстыковывают в необходимой последовательности, и буксируют к новому месту промысла; доставляют и фиксируют в захватном устройстве донного блока обитаемый командно-эксплуатационный модуль, объединяемый с пространством добычных модулей с помощью унифицированных узлов и служащий либо для сменного персонала добычного комплекса, либо для периодической инспекции добычного оборудования. Далее происходит эксплуатация платформы.

Для осуществления предлагаемой конструкции платформы необходимы устройства и системы или их аналогии, достаточно апробированные на подводных лодках. Современный уровень развития подводного кораблестроения вполне достаточен для реализации платформы предлагаемой конструкции. Все необходимые НИОКР, конструирование и расчеты могут быть выполнены предприятиями, инструментами и КБ ДСП Промышленности РФ.

Формула изобретения

ПОДВОДНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ БУРЕНИЯ И ДОБЫЧИ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, состоящая из неподвижной опорной конструкции, имеющей посадочную площадку, и состыкованного с ней съемного верхнего строения с размещенным на нем оборудованием для бурения и добычи полезных ископаемых, отличающаяся тем, что опорная конструкция выполнена в виде донного блока гравитационного типа, соединенного через захватное устройство с опорной колонной, расположенной в центре блока, в нижней части которой размещен податливый элемент, при этом донный блок оснащен капсулами устьевого оборудования, размещенными симметрично по кругу относительно центра донного блока, унифицированными стыковочными узлами для крепления и герметизации капсул и технологических модулей, а верхняя часть колонны выполнена в виде кругового цилиндра с размещенным в нем выдвижным модулем и оснащена элементами механизма вращения и вертикального перемещения верхнего строения, размещенными на наружной поверхности цилиндра, при этом верхнее строение выполнено в виде рамной конструкции, заключенной в проницаемый обтекатель, имеет внутренний проем для опорной колонны и унифицированные модули с буровым оборудованием, расположенные по кругу соосно с капсулами устьевого оборудования донного блока, жилые модули, привод механизма вращения и вертикального перемещения верхнего строения, унифицированные узлы для стыковки модулей и лифты с направляющими устройствами и унифицированными стыковочными узлами, при этом донный блок, опорная колонна и верхнее строение оснащены собственными балластными цистернами.