Универсальное подводное сооружение “Апельсин” для

Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина
Кафедра автоматизации проектирования сооружений нефтяной и газовой промышленности
Освоение углеводородных ресурсов
Северного Ледовитого океана с использованием
универсального подводного сооружения “Апельсин”
Assimilation of the Arctic Ocean hydrocarbon resources using
a universal underwater construction called “Orange”
д.т.н. проф. Гусейнов Ч.С.
prof. Ch. S. Guseynov
д.т.н. проф. Иванец В.К.
prof. V. K. Ivanets
Москва - 2012
2Ближайшая и неотложная перспектива освоения северных морей
В ближайшие десятилетия, несомненно, резко
возрастёт интерес
к углеводородным ресурсам
Северного Ледовитого океана.
До сих пор не существует чёткого размежевания этих
«вод». На отдельные сектора СЛО будут претендовать
не только соседствующие с этим океаном страны, но и
многие другие развитые страны.
Россия практически ещё не готова осваивать эти очень
труднодоступные ресурсы преимущественно из-за
отсутствия необходимых
подводных плавучих
технических средств, способных вести, прежде всего,
буровые, а затем и эксплуатационные работы в
подводных условиях наличия мощного, постоянно
подвижного панциря многолетних, так называемых,
паковых льдов.
3.Проблемы освоения перспективных нефтегазоносных акваторий
В настоящее время есть только неапробированные проектные предложения по созданию
подводных буровых судов, размещаемых непосредственно на морском дне, что существенно
ограничивает возможность их использования на глубинах, превышающих 100-200 м, хотя эти
глубины уже достаточно успешно освоены традиционным путём – с помощью создания
мощных ледостойких платформ.
Разведка и поисковое бурение таких акваторий осуществляется лишь в довольно короткие
навигационные периоды, за которые, тем не менее, уже удалось открыть множество
нефтегазовых месторождений путём использования традиционных плавучих буровых судов.
Хотя технология бурения за
эти годы неузнаваемо изменилась и
усовершенствовалась, основные способы бурения, включая технологию
дегазации бурового раствора, и факельное сжигание (преимущественно)
газовой части пластовой продукции остались неизменными, что явно
задерживает создание полностью подводной технологии бурения.
Следует отметить, в
области
морского
бурения скважин и
их освоения (в особенности, на скважинах с подводным
заканчиванием) появилось
множество
технических средств,
часть
которых
нашла применение и
на суше.
Значительная часть Ледовитого океана не только
существенно превосходит эти глубины, но и
покрыта
подвижным ледовым панцирем, что
делает практически невозможным использовать
наработанные приёмы и технологии, исключая
геофизические
методы
исследования
глубоководных недр, и то лишь с надёжной
поддержкой мощных ледокольных судов (хотя и это
довольно проблематично).
4.Возможный путь решения проблемы подводной добычи
В связи с непреодолимыми ледовыми условиями искать разрешение ситуации
следует в создании подводных плавучих средств, позволяющих вести поиски
нефтегазовых месторождений, бурение скважин и их эксплуатацию полностью под
водой, значительно ниже плавучих ледовых полей.
Глубины СЛО значительно превышают разумные технически доступные глубины,
т.е. превышают глубины в 300 м, поэтому нам не следует создавать подводные
технические суда нефтегазопромыслового флота, рассчитанные на большие
глубины, т.е. на суда, которые могли бы погружаться на морское дно.
Следует ориентироваться на создание необходимых плавучих подводных
технических средств на глубины 100-150 м, в которых гарантированно не будут
иметь место ледовые воздействия.
Преимущества, которые наряду с повышением надёжности выполнения
функциональных задач данных технических средств позволят выполнять их
круглый год независимо от сезонов, такие:
 суда технического флота на этих глубинах будут находиться в значительно
более благотворных условиях, нежели на поверхности океана;
 почти постоянная круглогодичная температура;
 исключена качка в силу отсутствия ветроволновых воздействий.
Действительно, многие технические задачи, такие как энергообеспечение,
регенерация воздуха, водоподготовка и другие, надёжно и успешно претворены
в жизнь на большом количестве подводных, преимущественно атомных, лодок
постоянно курсирующих по разным маршрутам подводных просторов,
находясь под водой непрерывно по несколько месяцев.
В отличие от прежней (в 90-е годы) конверсии, когда высочайшие технологии
оборонного комплекса подменялись производством простейших бытовых
изделий, бывших в те годы дефицитным товаром, предстоящая конверсия
предполагает использовать не менее высокий творческий потенциал
оборонного комплекса на создание сложных подводных технических средств,
рассчитанных на применение подводной добычи углеводородов.
5.Новое техническое решение для подводной добычи
Техническим результатом универсального подводного сооружения (УПС)
"Апельсин" является:
• ускорение ввода месторождения за счёт круглогодичного её
использования;
• повышение безопасности и качества проводимых работ, как в процессе
бурения, так и при эксплуатации скважин за счёт исключительно
стабильных условий пребывания УПС "Апельсин" на глубинах от 70 до
120 м.;
• снижение металлоёмкости герметичных оболочек модулей, которые в
надводном пространстве потребовали бы значительных затрат,
связанных с повышением прочности, прежде всего от ледовых
воздействий, а также снижение энергозатрат, связанных с борьбой с
ледовыми надвижками.
Заявленное изобретение работает погружённым на глубину в диапазоне
от 70 до 120 м. Указанный интервал глубин наиболее приемлем для
постоянного пребывания заявленного сооружения, в связи с тем, что
начиная с глубин 70-80 м практически не наблюдаются присутствия
ледовых образований и возможных воздействий на подводное
сооружение, а увеличение глубины свыше 120 м приводит к
существенному утолщению оболочки подводного сооружения, чтобы
обеспечить сопротивление от действия гидростатического давления воды.
Заявленный диапазон глубин весьма близок для большинства подводных
лодок, что позволяет использовать привычную при их изготовлении
толщину оболочки.
Поскольку данное подводное техническое средство предназначается для
выполнения задач нефтегазовой добычи, оно характеризуется: малой
подвижностью (его самоходность практически не нужна); устойчивостью
к длительному пребыванию под водой; достаточной обтекаемостью для
удержания на одном и том же заданном месте и регулируемой
плавучестью. Таким требованиям, отвечает сферическая форма, довольно
сильно сплюснутая по вертикали.
6.Конструктивные особенности нового технического решения
Специфика морской нефтегазодобычи обычно характеризуется тем, что бурение скважин
осуществляется одним судном, а общая эксплуатация многих скважин – другим техническим
средством; эти суда обладают одним общим объектом – скважинами, окончания которых (т.е. устья с
арматурой) могут быть расположены как на донном темплейте, так и на плавучем темплейте.
Расстояния устьев скважин между собой в этом темплейте, который мы назовем устьевым модулем,
практически в целом ничем не отличающимся от обычной стационарной платформы, должны быть
не менее 2,5-3,0 м. Такой модуль, представленный на верхнем рисунке, в виде внутренней
окружности с расставленными в ней устьями скважин, может быть, подобно другим модулям с
нормобарическим давлением, и как обычные на стационарной платформе скважины, обслуживаться
персоналом (надёжность эксплуатации подобных скважин давно апробирована многолетней
практикой) в отличие от устьев скважин, установленных на морском дне и управляемых
гидравлическим путём.
Эти скважины (как и пробуренные с традиционной полупогружной установки) будут
связаны с морским дном так называемыми водоотделяющими колоннами,
непосредственно соединёнными с направлениями (как частями конструкции
скважин).
Устьевой модуль, как и все другие должен обладать собственной плавучестью,
регулируемой с целью пребывания на одной и той же глубине. Конструктивно
устьевой модуль должен заменить традиционную буровую вышку с присущим ей
оборудованием (как ротор, верхний силовой вертлюг и т.п.), а остальное буровое
оборудование должно размещаться в секторах/модулях бурового предназначения.
7.Конструктивные особенности нового технического решения
4
В отличие от традиционных подлодок буровым и эксплуатационным судам можно придать
сферическую (или близко к ней) форму и создавать/собирать их секторально, в
соответствии с модульным принципом, с центром заполненным устьями скважин.
2
2
10
Б
Б
Поскольку буровые и эксплуатационные суда должны располагать автономным
энергетическим, инженерно-техническим (включающим водоснабжение, отопление и
регенерацию воздуха) и собственно технологическими службами, которые функционируют
в отдельных отсеках, естественно, вытекает их круговое последовательное размещение по
секторам, что имеет сходство с апельсином, состоящим из долек, т.е. функциональных
секторов 2.
УПС "Апельсин" состоит из основания в виде опорно-несущей плиты/палубы 1 и
технологических модулей в виде секторов. Основание 1 представляет собой специальное
техническое устройство круговой формы, обладающее собственной регулируемой
плавучестью, в центре которого размещены скважины 3 в так называемом устьевом
модуле 4, имеющим форму усечённого конуса, конфигурация которого близка к буровой
вышке.
Вокруг этого кругового модуля 4 размещены в секторах 2 все функциональные модули,
включая и жилой модуль, который предназначается для обслуживающего судно персонала.
Вокруг устьевого модуля 4 установлены коридоры:
внутренний 5 и внешний 6; внутренний 5 – для
сообщения между всеми модулями, а внешний 6 – для
сообщения со швартующимися пассажирскими и
вспомогательными
судами, причём внешний и
внутренний коридоры связаны между собой взаимно
перпендикулярными переходами 7. Между этими
коридорами установлена круговая балластируемая
ёмкость 8, секционированная по периметру отдельными
танками с целью регулирования поддержания всего
сооружения в горизонтальном положении. Под внешним
коридором установлены взаимно перпендикулярно
расположенные электрические движители 9 с целью
удержания всего подводного сооружения на заданной
точке (система динамического позиционирования).
вид А-А
1
7
5
4
3
6
6
6
А
А
8
8
5
9
9
8.Возможности конструкции нового технического решения
При выходе из строя любого модуля 2 предусмотрена его замена на аналогичный путём вертикального подъёма; с этой целью все модули
наделены собственной регулируемой плавучестью; кроме того, модульный принцип компоновки УПС позволяет производить замену любого
из секторальных модулей в случае необходимости (например, серьёзной поломки или завершения своей функциональной задачи).
Устьевой модуль 4 рассчитан на определённое количество скважин, размещаемых на
расстоянии между собой (в осях) в 3 м и имеет габариты: в основании диаметром 15-20 м и
высотой не менее 25 м (а, возможно, до 50 м, если исходить из размеров традиционной
буровой «свечи» в 36 м) при диаметре в верхней части модуля 12-17 м, при этом в верхней
части размещается специальная система кран-балок, на которой устанавливается верхний
силовой привод с возможностью его передвижения в двух взаимно перпендикулярных
направлениях, чтобы обеспечить бурение всех скважин, размещаемых рядами или по
концентрическим окружностям в модуле.
Герметичность соединения модулей при их стыковке обеспечивается за счет
использования труб эластичного исполнения. Для этого на внешней стороне стыкуемых
стенок по всему периметру изготавливают ложе/пазы/выемки, в которых в качестве
прокладки укладываются трубы эластичного исполнения с закреплением по длине
ложа/пазов/выемки. Эти трубы рассчитаны на внутреннее давление в 2 МПа для глубины
пребывания УПС в 70-120 м. Принцип герметизации заключается в том, что при стыковке
модулей 2 на опорно-несущую плиту 1 в трубе эластичного исполнения, уложенной в
пазах создаётся расчётное давление, т.е. труба «раздувается», создавая требуемую
герметичность стыкуемых модулей.
9.Возможности конструкции нового технического решения
После завершения буровых операций по строительству заданного числа скважин на месторождении его отдельные функциональные (в данном
случае - буровые) модули 2, выполнившие свои задачи, "отделяются" от основания, соединённого теперь с морским дном определённым
числом водоотделяющих колонн, путём вертикального подъёма с помощью дебалластирования, а затем буксируются в порт приписки для
проведения соответствующего технического осмотра и дальнейшего использования на подобных объектах.
На освободившиеся места на опорно-несущей плите/палубе опускают путём балластирования привезённые на точку с помощью подводных
буксиров технологические (добычные) модули, которые предназначаются для разработки месторождения.
Компоновка модулей 2 вкруговую по секторальному принципу, наиболее близко
напоминающую собой «апельсин», позволяет извлекать из УПС функциональные
модули, которые выполнили свои задачи и могут быть использованы на других
месторождениях, а взамен их в освободившиеся сектора устанавливать новые, т.е. после
окончания строительства скважин буровые модули заменяют технологическими: сбора и
подготовки пластовой продукции, насосные и компрессорные станции. А такие модули,
как энергетический, водоподготовки, кондиционирования воздуха, жилой остаются на
месте при условии, что их рабочие показатели смогут отвечать новым требованиям.
Следует отметить, что конструкция круговой опорно-несущей плиты/палубы позволяет
при необходимости использовать модули разной площади (в зависимости от габаритов
размещаемого оборудования) при условии конгруэнтности контуров внутренних стенок
модулей; это наглядно показано позицией 10, где внешняя стенка одного из модулей
выходит за пределы контуров общих габаритов всего подводного сооружения.
7
5
6
Внешний коридор 6 служит для приёма и
вывода персонала из судна во внешнюю
среду, через специальные самоходные
капсулы
(СК),
которые
будут
пришвартовываться/шлюзоваться к судну.
Объём СК и габариты рассчитаны на
перевозку персонала, так и достаточно
лёгких негабаритных подъёмных грузов
(несомненно,
в
капсуле
следует
предусмотреть специальный шлюз для
приёма габаритных грузов, как например,
обсадные и бурильные трубы, цемент,
глинопорошок, различные химреагенты и
др.).
10.Преимущества технического решения и задачи, требующие
решения
Подводное пребывание судна имеет положительные аспекты, а именно:
 под водой более комфортные для человека температурные условия по сравнению с суровой и часто
изменяющимися арктическими гидрометеоусловиями;
 отсутствие волновых, ветровых и тем более ледовых воздействий позволяет значительно снизить
затраты на противодействие им, не создавая различных устройств, и в конечном итоге уменьшить
корпусную материалоёмкость;
 обеспечение динамического позиционирования судна с меньшими энергетическими затратами (по
существу необходимо лишь обеспечить противостояние существенно длительным по времени и
направлениям подводным течениям);
 суда нефтегазопромыслового флота могут пренебречь быстрым ходом и маневренностью, что
характерно для современных подводных судов, преимущественно имеющих военную направленность,
и имеющих такие конструктивные особенности как удлинённость и обтекаемость.
В пределах одной презентации, невозможно перечислить все проблемы, которые возникнут в процессе
создания абсолютно новой для нас подводной технологии бурения, которая не всегда может использовать
всё то, что было создано за многие годы в традиционной «сухопутной» технологии бурения.
 В подводной технологии бурения придётся создавать новую систему дегазации бурового раствора, с
учётом чёткой ограниченности объёмов подводного пространства;
 та же ограниченность «живого» пространства в подлодке вынудит нас искать иную технологию
факельного сжигания/утилизации.
 Также существуют задачи адаптации водоподготовки различного предназначения;
 фиксации подводного судна (наряду с системой динамического позиционирования по горизонтали
необходимо создать систему позиционирования по вертикали, которая потребуется для подводных
буровых судов особенно на начальной стадии строительства первой эксплуатационной/разведочной
скважины);
 задача утилизации буровых и других отходов.