Лекция № 4. Морские буровые установки. Самоподъемные буровые установки (СПБУ). Типы опорных колонн.

Плавучие буровые средства классифицируют по способу их установки над скважиной в процессе бурения, разделяя на два основных класса:

1. Опирающиеся при бурении на морское дно (относят плавучие БУ самоподъемного (СПБУ) и погружного (ПУ) типов);

2. Находящиеся при бурении и освоении в плавучем состоянии (полупогружные буровые установки (ППБУ) и буровые суда (БС)).

Самоподъемные плавучие буровые установки (СПБУ) применяют преимущественно в разведочном бурении на морских нефтяных и газовых месторождениях в акваториях с глубинами вод 30—120 м. (рис. 4).

Существует ряд конструкций и типов СПБУ. Их различают по конструкции корпуса, числу и конструкции опорных колонн и подъемных устройств. Ha определение числа опорных колонн влияет ряд факторов: глубина моря, гидрометеорологические условия, способ задавливания опорных колонн в грунт и извле­чение их из грунта, морское дно, общая масса поднимаемого корпуса, технологичность и трудоемкость изготовления и др. На больших глубинах возрастают волновые нагрузки на каждую колонну.

В целях обеспечения прочности на изгиб большой длины колонн требуется увеличение ее поперечного сечения.

Рис. 4 -Общая схема СПБУ

Поэтому на глубинах более 60 м в установках применяют не более четы­рех опор со значительным преобладанием установок с тремя опорами и начиная с глубины 90 м используют установки толь­ко с тремя опорами.

Установки с цилиндрическими опорами применяют на глуби­нах до 45 м (примерно 65—70%) и в диапазоне глубин 45—75м — установки с цилиндрическими и ферменными опорами, а на глубинах свыше 75м используют установки только с фер­менными опорами. Конструкции ферменных опор проектируют прямоугольной, квадратной и треугольной формы. Наиболее удачная конструкция — опора треугольного сечения. Последняя удачно вписывается в треугольную форму корпуса и имеет относительно меньшее число элементов, подверженных воздей­ствию волн. Нижние концы опор заканчиваются башмаками или общей опорной плитой, связывающей опорные колонны между собой.

Механизмы подъемных устройств применяют механические или гидравлические. В мировой практике предпочтение отдается механическим механизмам подъема. Обусловливается это прос­тотой конструкции (они менее сложны в эксплуатации) и дру­гими факторами. Механические устройства подъема, состоящие из зубчатой рейки, встроенной в конструкцию опор, установлены на корпусе шестеренчатого механизма, шестерня которого нахо­дится постоянно в зацеплении с рейкой. Привод механизма осу­ществляется от электродвигателя с редуктором или гидродви­гателя. Имеются подъемные устройства, состоящие из пары ве­дущих колес, находящихся в зацеплении с двойной зубчатой рейкой. Число пар ведущих колес может быть от двух до шести и более в зависимости от грузоподъемности подъемной системы СПБУ.

Отличительная особенность этих устройств — непрерывный подъем корпуса, при этом исключаются паузы в процессе подъ­ема платформы СПБУ. Подъем и спуск опор могут осущест­вляться одновременно и раздельно.

Перегон СПБУ на новую точку

Перегон СПБУ на новую точку бурения — весьма ответст­венная операция. Большинство СПБУ являются несамоходными, и для их буксировки применяют специальные буксирные суда. Различают два вида буксировки СПБУ: короткий перегон (пере­ход) с точки на точку в пределах разведываемой структуры и длительный перегон — буксировка СПБУ на дальние расстояния из одного разведанного района в другой, намечаемый к разведке, или на базу профилактического ремонта и осмотра. (Рис. 5). Коротким обычно считают такой переход, для которого требуется время не более времени гарантированного прогноза погоды (продолжи­тельность примерно до 12 ч). Перегон СПБУ более 12 ч произ­водят при благоприятном прогнозе погодных условий (ветер, волнение и пр.). Допустимые величины ветра и волнения опре­деляются проектом СПБУ.

На СПБУ при движении действуют следующие внешние силы (сопротивления):

1.Буксировочное со­противление, т. е. сопротивление находящейся в покое жидкости;

2. Сопротивление встречного ветра:

3. Сопротивление, вызванное взаимодействием волн с СПБУ.

Экспериментальными исследованиями установлено, что букси­ровочное сопротивление составляет 80% общего сопротивления воды и 20% приходится на волновое сопротивление. Незначи­тельную величину составляет сопротивление трения. Буксировоч­ное сопротивление также зависит от скорости буксировки. Воз­действие на конструкцию буксировочных и волновых сопро­тивлений исследуют на моделях в специальных бассейнах, а сопротивления ветра — обдувкой моделей в аэродинамической трубе. Буксировочное сопротивление СПБУ вследствие малой об­текаемости ее корпуса и большой парусности велико. Опасны случаи, когда СПБУ идет против ветра. Поэтому для буксировки применяют мощные буксирные суда.

Перед буксировкой выполняют ряд мероприятий по обеспе­чению надежности и безопасности перегона установки, в част­ности подвижный портал и все грузы закрепляются, все палуб­ные отверстия и отверстия, ведущие в подпалубные помещения, должны быть задраены. На СПБУ оставляют минимальный со­став команды, который выполняет работы по буксировке и уста­новке на точку СПБУ.

До начала буксировки разрабатывают проект перегона, в котором в зависимости от расстояния, района плавания, досто­верности и долгосрочности метеопрогноза указываются скорость буксировки, число и мощность буксиров, схема их расположения и другие мероприятия по осуществлению безопасного перехода. Производятся расчеты на прочность и остойчивость установки с целью определения надежности буксировки. Особое внимание обращают на длину опорных ног. При необходимости, в целях снижения парусности, верхние секции ног снимают. В соответствии с Правилами Регистра СНГ разрывное усилие буксирного троса определяют (в кН) по формуле

, (1)

где — площадь лобового сопротивления погруженной части СПБУ, м ;

— скорость буксировки, указанная в свидетельстве, узлы.

В мировой практике для транспортирования СПБУ приме­няют специальные транспортные суда. Например, СПБУ «Го­рилла 11» массой 18 тыс. т и высотой опорных колонн 154 м транспортировали из Сингапура до Роттердама на судне «Майнти сервант 3» грузоподъемностью 25. тыс. т. с размером палубы 180 140 м.

Установка СПБУ на точке бурения

До установки СПБУ на точке бурения проводят инженерные изыскания грунта морского дна. Порядок и объем инженерных изысканий определяются в соответствии с программами изыска­тельских организаций и регламентируются действующими инст­рукциями, методиками и другой нормативно-технической доку­ментацией проектных организаций и органов надзора. Опреде­ляются глубины воды, течения, лунные и штормовые приливы, величины 10—50 и 100-летних штормовых волн в данном месте установки. Одновременно определяют глубины воды с помощью батиметрической съемки мелкой координатной сетки на площади 1 км² с центром в точке установки СПБУ. Промерные линии располагают на расстоянии друг от друга не более чем 100 м.

Керн отбирают на глубинах, превышающих глубину предпо­лагаемого проникновения опор в грунт, а мелководную сейсми­ческую съемку проводят на 50% глубже предполагаемого заглуб­ления опор. Если предполагается, что в месте установки опор могут быть заглубленные трубопроводы или другие предметы, то рекомендуется проведение магнитометрического обзора или дру­гого метода с целью обнаружения металла. Если обнаружатся упомянутые преграды, то фактическое место установки коррек­тируется с целью обеспечения достаточной защиты и соответст­вующего расстояния от опасного предмета или преграды. После положительных результатов обследования на точке, признанной пригодной для установки СПБУ, устанавливают заякорен­ный буй.

До подхода СПБУ к точке установки подготавливают якоря, якорные цепи и рейдовые бочки в соответствии с комплектом «А» (два комплекта). Крановое судно с подготовленными комп­лектами подходит к месту, обозначенному буями, после чего яко­ря устанавливают так, чтобы СПБУ расположилась в определен­ном направлении по отношению к преобладающему в данном районе направлению ветра. Во избежание сноса вертолета на препятствия (при вертолетном обслуживании) диаметральная плоскость СПБУ устанавливается под углом 45° к преобладаю­щему направлению ветра.

После установки рейдовых бочек СПБУ подводят на возмож­но близкое к ним расстояние и удерживают двумя буксирами. Затем разматывают с лебедок СПБУ с помощью вспомогатель­ного судна швартовые тросы и закрепляют их на рейдовых бочках. После этого буксирным судном, соединенным с носовой частью СПБУ, дают натяжение тросам и наматывают на лебедки СПБУ швартовые тросы, фиксируя СПБУ в заданном месте. Затем приступают к спуску опорных колонн. Чтобы сократить время при подходе СПБУ к месту установки, опорные колонны предварительно опускают на глубину, исключающую касание колонн о морское дно при волнении. Во время спуска опорных колонн при достижении морского дна и вдавливании их в грунт осадка СПБУ начинает уменьшаться за счет действия веса СПБУ на опорные колонны. При этом крен (или дифферент) платформы, возникающий за счет неровностей и прочности грунта морского дня, допускается не более 1 —1,5°. При заглублении опорных колонн в грунт и нахождении СПБУ в воде на колонны передается горизонтальная нагрузка от волн, действующих на корпус.

В положении, когда вес опорных колонн полностью восприни­мается грунтом, а корпус СПБУ находится на плаву, к этим нагрузкам добавляется нагрузка от ударов захватов о нижние и верхние кромки окон опорных колонн, возникающая от верти­кальной качки СПБУ, которая возрастает при увеличении волне­ния. Поэтому это положение СПБУ необходимо пройти по воз­можности быстро.

Корпус установки поднимают одновременно всеми подъем­никами, устраняя при этом возникающие крен или дифферент. При подъеме корпуса задавливание колонн в грунт ведут в несколько этапов. Первый этап — когда давление в цилиндрах достигнет 25% от давления, соответствующего номинальной на­грузке на колонну, . Затем два диагонально расположен­ных подъемника колонн останавливают, а двумя подъемни­ками корпуса поднимают корпус до тех пор, пока давление в остановленных подъемниках не упадет до нуля, а в работающих поднимется до 45% от . После этого аналогично задавливают вторую пару опор. Давление в опорных колоннах выравнивают, и подъем корпуса продолжают до тех пор, пока давление в рабо­чих полостях гидроцилиндров не достигнет 40% от . После этого производят второй раз задавливание колонн, пока в гидро­цилиндрах задавливаемых колонн давление не достигнет 75% от . Затем давление опять выравнивают, и подъем корпуса продолжают. Следующее задавливание осуществляют при дости­жении давления 70% от и т. д.

Подъем производят до тех пор, пока корпус не выйдет из воды и не прекратятся удары волн о днище корпуса. После достижения максимального давления в цилиндрах подъемники останавливают и выдерживают 20—30 мин. Если же при этом давление в подъемниках не изменится, то задавливание опор считают законченным. Затем выравнивают давление в цилиндрах подъемников, поднимают корпус на заданную высоту над уров­нем моря, окончательно выравнивают его и закрепляют сто­порящими устройствами, разгружая этим гидросистему подъема. Подъем закончен, и СПБУ установлена в рабочее положение.

Особенности эксплуатации СПБУ

В процессе всего срока эксплуатации СПБУ должна обеспе­чивать безопасность производства работ при строительстве неф­тяных и газовых скважин. Эта безопасность обеспечивается жи­вучестью установки, т. е. ее способностью противостоять аварий­ным повреждениям, возникновению распространению пожаров, взрывов, сохраняя при этом в достаточной мере мореходные ка­чества установки на плаву и эксплуатационные качества ее в рабочем положении при строительстве скважин.

Опасными явлениями при бурении могут быть: образо­вание грифона вблизи работы СПБУ, нефтегазопроявления из бурящейся скважины, просадка опорных колонн в грунт, ле­доход.

Образование грифона представляет большую опасность для СПБУ. При появлении грифона за ним организовывается кругло­суточное наблюдение, и в случае продвижения грифона к опор­ным колоннам работу на СПБУ прекращают и вызывают спа­сательные суда и подготавливают установку к снятию с точки бурения. Корпус приспускают и оставляют над водой на высоте 0,5—2 м (в зависимости от погодных условий). При необходи­мости корпус переводят в положение «на плаву». Колонны под­нимают, и установка дрейфует до подхода судов. Решение о снятии СПБУ принимает начальник установки. При угрожающем положении начальник принимает решение о срочной эвакуации людей с установки спасательными судами или вертолетами. При неуправляемом нефтегазоводопроявлении, если все принятые меры не дали положительных результатов, начальник принимает решение об эвакуации людей с СПБУ.

При появлении крена или дифферента СПБУ бурение пре­кращают и подъемниками производят выравнивание корпуса с последующим задавливанием колонн в грунт. Весьма опасен момент, когда при просадке одной из опорных колонн СПБУ продолжает стоять на трех колоннах. В этом случае при шторме вся нагрузка будет восприниматься тремя колоннами, что может привести к аварии. Поэтому надо систематически контролировать положение СПБУ (не реже одного раза в неделю к после шторма несущую способность грунта под колоннами). Для этого корпус СПБУ приподнимается на 10—20 мм так, чтобы нагрузка пере­давалась на цилиндры гидроподъемника, а не через разгрузоч­ные стопорные винты. При равномерной нагрузке давление во всех четырех рабочих полостях цилиндров одинаковое. Если это условие не соблюдается, то колонны задавливают повторно.

Рис. 6 -СПБУ с ферменными опорами

При наличии льда нагрузки на СПБУ от его воздействия устраняют систематическим обкалыванием льда ледоколами вокруг СПБУ. Опасно также обледенение опорных колонн вследствие резкого возрастания на них волновых нагрузок.

Для эвакуации людей на СПБУ имеется расписание тревог. Устанавливается оповещение по системе авральной сигнализации и радиотрансляции, назначаются ответственные лица по прове­дению каждой операции по эвакуации.

Как указывалось ранее, весьма опасными операциями являются снятие СПБУ с оконченной бурением сква­жины, перегон и монтаж на новую точку установки. По статис­тическим данным, значительная часть аварий происходит в упо­мянутых случаях. В остальном технология и техника строитель­ства скважин существенно не отличаются от строительства скважин на суше.

Технологическое оборудование СПБУ

Опыт производства буровых работ в морских акваториях определил требования, предъявляемые к плавучим буровым уста­новкам, и в частности к СПБУ, которые в основном, в связи со спецификой работ в море, заключаются в:

· высокой производительности буровой установки при строи­тельстве скважины;

· быстром перемещении СПБУ с оконченной бурением скважи­ны на новую точку;

· обеспечении ее мореходности при переходе на незначительные и большие расстояния;

· повышенной опасности работ и, следовательно, обеспечении безопасности производства этих работ;

автономности, т. е. обеспечении достаточными запасами мате­риалов для нормального бурения, а также продуктами, нормаль­ными жилищными условиями обслуживающего персонала и др.

В мировой практике на основании многолетнего опыта класси­фикационными обществами и организациями разработан ряд правил и других, руководящих и нормативных документов, регла­ментирующих применение общесудового и технологического обо­рудования и систем, обеспечивающих их безопасность и надеж­ность в работе.

Комплекс технологического оборудования включает:

§ буровое оборудование для бурения скважины;

§ оборудование по приготовлению, подаче, утяжелению, реге­нерации и хранению бурового раствора и очистке раствора от выбуренной породы;

§ оборудование для приема и хранения порошкообразных мате­риалов для приготовления бурового и цементного растворов;

§ оборудование приготовления и нагнетания в скважину цементного раствора при креплении скважины;

§ оборудование для производства электрометрических и каро­тажных работ в скважине;

§ подводное устьевое (противовыбросовое) оборудование;

§ оборудование для освоения скважины;

§ вспомогательное оборудование (грузоподъемные краны, тель­феры, оборудование малой механизации и др.);

§ оборудование по предотвращению загрязнения моря;

§ системы управления и контроля технологическим процессом строительства скважины.

В соответствии со степенью ответственности и опасности участ­ки производства буровых работ классифицируются по зонам, составляющим в целом район буровой скважины: устье скважины, резервуары с буровым раствором, циркуляционную систему буро­вых растворов, включая буровые насосы, вибросита, песко- и илоотделители, дегазаторы и другие механизмы.

Рис.7 .- Подвышечный портал на СПБУ «Бакы»

Ниже в качестве примера приведено описание размещения технологического оборудования на СПБУ «Бакы».

На подвышечном портале (рис.7) установлены: буровая выш­ка (рис.8), механизм крепления неподвижного конца талевого каната 1, вспомогательная лебедка 2, стойка для крепления машинных ключей 3, кассеты для установки УБТ 4, подсвечник 5 для ручной расстановки свечей бурильной колонны, ограничитель подъема талевого блока 6, ротор 7, главный пульт бурильщика 8, электропривод буровой лебедки 9, воздухосборник 10, регулятор подачи долота 11, буровая лебедка ЛБУ-1700 12, ключ АКБ-3М2 13, пневмораскрепитель 14, кабина с КИП 15, магазин автомати­ческой расстановки свечей 16, пульт управления 17 СПО и пульт управления вспомогательной лебедкой 18. На буровой вышке (см. рис. 7) установлены: кронблок 1, балкон механизма переноса свечей 3, механизм захвата и механизм подъема свечей, талевый блок, подвешенный на талевом канате 4, автоматический элеватор и вертлюг 5.

Рис. 8 –Вышка СПБУ «Бакы»

При ручной расстановке свечей вместо талевого блока и автоматического элеватора применяют крюкоблок. Кроме этого, на вышке расположены монтажный блок, подвижный центратор 2, нижний блок, укрытие, подвески машинных ключей и др.

На главной палубе размещена циркуляционная систе­ма, включающая блок рабочих емкостей общей вместимостью 120 м³.

На блоках смонтированы: сдвоенное вибросито для очист­ки бурового раствора производительностью 50—60 л/с, вакуумный дегазатор для дегазации бурового раствора, пескоотделитель, шламовые насосы для подачи воды или раствора в гидросме­сители, механические перемешиватели , гидравлические перемешиватели . В зоне обслуживания крана, у вибросит, установлены специальные контейнеры для сбора шлама выбуренной породы и отправки ее на берег.

Под порталом на площадке установлены: противовыбросовое оборудование, включающее два плашечных превентора; универ­сальный превентор, гидроуправление превенторами и задвижками, манифольд; аварийный (ручной) привод закрытия и открытия плашек превенторов и трубопроводы гидравлического управле­ния. Управление превенторами и задвижками манифольда осу­ществляется дистанционно с двух пультов: основного, размещен­ного вне буровой площадки, и вспомогательного, установленного у поста бурильщика. В трюмах размещены: в отсеке запасных емкостей запасные емкости бурового раствора, в насосном отде­лении — три буровых насоса У87-М2 с электроприводами, два шламовых насоса и насос 9МГР.

Осн.: 3. [ 30-36], 2. [55-63]

Доп.: 7. [922-934],

Контрольные вопросы:

1. Для чего нужны морские буровые установки ?

2. На какие виды делят МБУ?

3. В чем назначение СПБУ и на каких глубинах их применяют?

4. Как производят перегон на новую точку СПБУ?

5. Что включает комплекс технологического оборудования СПБУ?

6. Расскажите преимущества СПБУ. Что установлено на подвышечном портале?