Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин

В процессе спускоподъемных операций нагрузка на кронблок изменяется в широких пределах – от нуля до максимального значения. Изменяются также нагрузки от натяжения морского стояка, якорных цепей, технологических и судовых запасов, сил тяжести балласта. Воздействие нагрузок от этих сил вызывает вертикальные и горизонтальные перемещения ППБУ. Эти перемещения ограничиваются конструкцией узлов и материала бурильной и обсадной колонн, а также конструкцией узлов морского стояка.

Современные ППБУ в режиме бурения могут выдерживать воздействие волн высотой 10–12 м, скорости ветра 18–24 м/с, скорость течения 1,5 м/с и более. Например, ППБУ нового поколения «Зейн барнес», рас- считанная на работу в водах до 1520 м, может бурить при ветре 38 м/с и высоте волн 20 м.

С увеличением скорости ветра и высоты волн выше допускаемых для данного типа установки бурение прекращают и ППБУ переводят в другой эксплуатационный режим – штормовой отстой. Для этого бурильную колонну поднимают из скважины, ослабляют натяжение якорных цепей, тросов, морского стояка в целях уменьшения действия на них усилий от ветра и волн. При этом горизонтальные перемещения допускаются, равные 7– 10 % глубины моря. Подход судов и посадка вертолета запрещаются.

Âслучае жесткого шторма бурильные свечи убирают и укладывают их

âгоризонтальное положение на палубные стеллажи. Морской стояк разбирают и секции укладывают на палубу. Якорные цепи ослабляют больше, чем в первом случае. Во избежание ударов волн в конструкцию верхнего корпуса ППБУ увеличивают клиренс установки путем откачки балласта из нижних понтонов и уменьшения осадки. Указанные операции проводят в соответствии с требованиями нормативных документов, правил, предписа-

íèé è ò.ï.

Расположение подводного устьевого комплекса на морском дне внесло специфику не только в технологию бурения, но и в технологию крепления скважин. В частности, спуск, цементирование и герметизация обсадных колонн с плавсредств требуют определения допустимой скорости спуска обсадной колонны с учетом вертикального перемещения ППБУ для предотвращения гидравлического разрыва пласта; надежности ее подвески с помощью специальных подводных колонных устройств, заменяющих традиционную колонную головку, применяемую на суше.

25.6. БУРОВЫЕ СУДА (БС)

НАЗНАЧЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Удаление районов буровых работ от береговых баз, сложность и малая скорость буксировки, а также небольшая автономность снижают эффективность использования полупогружных буровых установок, поэтому для поискового и разведочного бурения в отдаленных районах применяют буровые суда.

Конструктивная особенность бурового судна – расположение на палубе оснащенной буровой вышки с подвышечным основанием, а внутри судна и на палубе – комплекса бурового и другого технологического обо-

947

рудования и систем, обеспечивающих бурение нефтяных и газовых скважин в морских экваториях.

Обычно буровую вышку устанавливают в центральной части судна и скважину бурят через шахту, встроенную в судне. На некоторых судах после окончания бурения скважины буровые вышки опускают с помощью специальных устройств и укладывают в горизонтальном положении.

Основным режимом эксплуатации буровых судов является бурение скважины (85–90 % всего времени эксплуатации судна). В связи с этим форма корпуса и соотношение главных размеров определяются требованиями устойчивости и обеспечения стоянки с возможно малыми перемещениями. Вместе с тем форма корпуса должна соответствовать скорости передвижения судна не менее 10 узлов. Характерная особенность для буровых судов – малое отношение ширины к осадке, равное 3–4. Причем наблюдается тенденция уменьшения этого отношения, что можно объяснить расширением районов работы и требованиями повышения мореходности. Выбор главных характеристик судна зависит от требуемой грузоподъемности, которая определяется расчетной глубиной бурения скважин и автономностью судна.

Дедвейт современных буровых судов достигает до 5000–7000 т. Он включает жидкое топливо, жидкий буровой раствор, порошкообразные материалы, химические реагенты для приготовления бурового раствора, цемент, питьевую, техническую и пресную воду, обсадные и бурильные трубы, другие материалы и оборудование. Например, дедвейт бурового судна «Валентин Шашин» составляет 6990 т.

Дизель-электрическое буровое судно «Валентин Шашин» предназна- чено для бурения поисковых и разведочных нефтяных и газовых скважин глубиной до 6500 м на глубинах акваторий морей и шельфа до 300 м.

Корпус судна, оборудование, трубопроводы, кабели, расположенные на верхней палубе судна, изготовлены из материалов, обеспечивающих устойчивость к длительному воздействию низких температур (до –40 °С). Запасы расходных материалов, продовольствия, пресной воды и другие должны обеспечивать работу судна в течение 100 сут.

Производство буровых работ обеспечивается судном при перемещениях судна и метеорологических условиях, указанных в табл. 25.3.

Максимально допустимое отклонение судна от центра скважины при бурении скважины 0–5 % глубины воды, а при находящейся в скважине бурильной колонне (без ведения бурения) – 5–16 % глубины воды. Минимальная температура воздуха, при которой судно можно эксплуатировать для ограниченного района эксплуатации, составляет –25 °С. Максимальная температура воды +32 °С, минимальная –3 °С.

Безопасность судна обеспечена благодаря двойным бортам средней части корпуса. Спасательные средства рассчитаны на 100 чел. Фекальносточные воды обрабатывают в двух установках биологической очистки. Твердые осадки обработки складируют в контейнерах и периодически удаляют на берег. Нефть, извлеченная из бурового раствора, сжигают в специальной форсунке на факеле. Буровое судно состоит из трех отделений (рис. 25.10).

1. Носовое отделение разделено тремя твиндеками. В твиндеке ¹ 3 (4100 мм от килевой линии) имеется помещение подруливающих устройств и вспомогательных двигателей. В твиндеке ¹ 2 (7155 мм над килевой линией) 28 размещены: рефрижераторные помещения для сухой провизии, ус-

948

тановка для очистки сточных вод, две емкости для питьевой и две для бытовой воды. В твиндеке ¹ 1 (10055 мм над килевой линией) 23 размещены кладовые для сухой провизии, вещевые кладовые, туалеты, баня, каюты для экипажа. В носовом отделении под главной палубой расположен форпик с цепными ящиками. В носовой части, в районе главной палубы 18, расположены: камбуз, прачечная, туалеты, помещения для хранения белья, столовые, каюты, палуба полубака 13 с якорной лебедкой и люком над помещением подруливающих устройств. В палубной надстройке размещены: служебные помещения, лазарет, каюты и туалеты, шлюпочная палуба 11 с двумя спасательными шлюпками 4, каютами с туалетами. В носовом отделении имеются также палуба ходового мостика 14 с рулевой и штурманской рубкой 5, радиорубкой, помещением для системы автоматического позиционирования и помещением для кондиционирования воздуха, верхняя палуба 12 с мачтой. Под твиндеком ¹ 2 (6000 мм над килевой линией) 27 размещен трюм для хранения бурильных труб и установлены восемь емкостей для топлива, два креновых и два дифферентных танка и один балластный.

На высоте 3600 мм над килевой линией расположены кладовая с люком в твиндеке. У правого и левого бортов имеются цистерны для хранения сточных вод по 20 м3 каждая. На твиндеке размещены два трюма для складирования обсадных труб. Погрузочно-разгрузочные операции с трубами осуществляют краном через длинные люки на главной палубе. На этой же палубе установлены стеллажи для обсадных труб и секций водоотделяющей колонны. У правого борта находится кран 3 грузоподъемностью

40ò äëÿ погрузочно-разгрузочных операций.

2.В средней части судна расположены палуба обработки бурового раствора 15, буровая шахта 26 для пропуска бурового инструмента, подводного противовыбросового оборудования и других механизмов для производства буровых работ, а также колодец для водолазного колокола. Слева и справа от буровой шахты на палубе танков установлены бункеры 6 äëÿ öå-

мента барита и бентонита.

949

950

Рис. 25.10. Буровое судно «Валентин Шашин»:

à – вид сбоку; á – планы главной палубы, буровой площадки, палубы бурового раствора, верхней палубы, палубы шлюпок, вертолетной площадки, полуюта, капитанского мостика, палубы обработки бурового раствора, палубы мостика, палубы полубака и др., â – планы ахгерника, палубы бортовых цистерн, твиндеков и пр.

Перед буровой шахтой, со стороны носовой части, смонтированы узлы гидравлической системы натяжного устройства. В этой части имеется также танк для пресной буровой балластной воды. На твиндеке ¹ 2 (6800 мм над килевой линией) 25 за водолазным колодцем расположены лаборатория бурового раствора, кладовые для рекуператоров и компрессорная.

Твиндек ¹ 1 (9300 мм над килевой линией) служит для хранения превенторного оборудования с поворотными платформами под буровой шахтой. По левому и правому бортам находятся мастерская превенторного оборудования, склады, компрессорное отделение, склад баллонов сжатого воздуха, декомпрессорные камеры, лаборатория и аппаратная подводного телевидения.

По левому борту размещены три цистерны циркуляционной системы бурового раствора, на которых установлены вибросита, дегазаторы, пескоотделители и другое оборудование для приготовления бурового раствора и его очистки.

На верхней палубе расположены вентиляторы и кабина бурового мастера. На буровой площадке 10 размещена оснащенная буровая вышка 1, портал 2, ротор, лебедка и другое оборудование. На палубе бортовых цис-

951

òåðí 22 установлены цистерны для бурового раствора, одна цистерна для химикатов, насосы для бурового раствора, цемента и т.д. (9300 мм над килевой линией).

Склад для мешков сыпучих материалов размещен на твиндеке ¹ 2 (6800 мм над килевой линией) 24.

На главной палубе 18 установлены стеллажи для хранения труб 19, секции водоотделяющей колонны 17 и платформа с тележкой для подачи этих секций к центру скважины. У левого борта размещена платформа с оборудованием для опробования скважины и кран 8.

3. В кормовой части судна расположены полуют 16, отделение движителей 31 с приводами 30 и помещение буровых и вспомогательных насосов 29. Под твиндеком ¹ 3 (4100 мм над килевой линией) 24 находится помещение для распределительных щитов, трансформаторов и др. Главное машинное отделение, пост управления, отделение вспомогательных механизмов и емкости для жидкого топлива и масла размещены на твиндеке ¹ 2 (7600 мм над килевой линией) 21. На верхней палубе (9300 мм выше килевой линии) в ахтерпике 20 размещены рулевая машина и кладовая. В этой части также расположены: на главной палубе – вентиляционное отделение, мастерские, помещение аварийного генератора, котельное отделение, установка для сжигания отходов, одна рабочая шлюпка и кладовые, палуба юта со швартовым оборудованием и двумя спасательными шлюпками; в надстройке – вентиляционная, помещение для ацетилена, углекислоты, кислорода, фонарная кладовая. Над надстройкой с удлиненной платформой расположены каротажная установка, вертолетная площадка 7 с предохранительной сеткой, две стрелы для сжигания продуктов опробования скважины и площадки 9.

Взлетно-посадочная площадка (ВПП) 7 для взлета и посадки вертолетов ограждена брусом (комингсом). На ВПП предусмотрены устройства для швартовки и закрепления вертолета.

Технология бурения морских нефтяных и газовых скважин в основном не отличается от технологии бурения скважин на суше. Однако бурение скважин с буровых установок, находящихся на плаву (БС, ППБУ) во время проводки скважин, имеет некоторые особенности.

Буровое судно во время бурения перемещается относительно подводного противовыбросового устьевого оборудования, размещенного над устьем бурящейся скважины и закрепленного на морском дне. Для компенсации вертикальных перемещений бурильной колонны между талевым блоком и крюком монтируют специальное устройство – компенсатор вертикальных перемещений. Горизонтальные перемещения судна компенсируются специальным устройством – водоотделяющей колонной (стояком), устанавливаемым между подводным противовыбросовым оборудованием и палубой установки.

Буровая вышка испытывает дополнительные динамические нагрузки, возникающие во время качки, как при бурении, так и при переходе с оконченной бурением скважины на новую точку.

Циркуляционную систему промывки скважины, очистки и приготовления бурового раствора выполняют закрытой и замкнутой, так как применение открытой желобной системы вследствие качки судна затруднено.

Монтажная схема размещения технологического оборудования также отличается от схем на суше. Технологическое оборудование расположено на буровом судне с таким расчетом, чтобы при обеспечении технологиче-

952

ских требований проводки скважины не нарушить общесудовых требований к проектированию буровых судов (мореходные качества, прочность, безопасность плавания и работы в открытых морских акваториях, а также другие требования соответствующих компетентных органов надзора за производством работ в морях). Остальные узлы бурового оборудования аналогичны узлам, применяемым на суше.

Рассмотрим технологическое оборудование, используемое на судне «Валентин Шашин».

Буровая вышка башенного типа, в соответствии с принятой в мировой практике методикой расчетов, рассчитана на четыре случая сочетания нагрузок, приведенных в табл. 25.3. Вышка оснащена механизмами спускоподъемных операций типа «V» фирмы «Байрон Джексон», компенсатором для компенсации вертикальных колебаний «NI Шаффер XS», талевым блоком, крюком, вертлюгом с допускаемыми нагрузками до 4900 кН, гибкими буровыми шлангами на рабочее давление 34,0 МПа.

Сварная конструкция подвышечного основания служит рабочей площадкой и базой для установки буровой вышки, шести натяжных устройств водоотделяющей колонны и направляющих шкивов натяжных устройств. В центральной части пола основания имеется проем размером 4100Ч4100 мм для пропуска блока ПУО. Двери в носовой части приводятся в движение пневмодвигателями мощностью 3,3 кВт. В кормовой части размещена площадка с тележкой для затаскивания секций водоотделяющей колонны в буровую. Под полом основания расположены три рабочие откидные площадки. В центре пола основания установлен ротор с проходным отверстием стола 1257 мм.

Кабина бурового мастера включает: пульт управления буровой лебедкой;

пульт управления устройством натяжения водоотделяющей колонны; пульт управления подводными превенторами; дисплей автоматической системы удержания судна в заданной точке;

мнемосхему управления потоком бурового раствора и др.; переговорное устройство и другое оборудование (указатели нагрузки

на крюке, частоты вращения и вращающего момента ротора, расхода бурового раствора на входе и выходе из скважины, давления бурового раствора, содержания газа в буровом растворе, объема раствора в рабочих емкостях, плотности и температуры бурового раствора на входе и выходе из скважины, числа ходов бурового насоса, разности расхода бурового раствора на выходе и выходе).

На полу буровой размещены две пневматические лебедки с допускаемыми нагрузками соответственно 18 и 32 кН.

Система натяжения стояка состоит из трех пар натяжных устройств. С ее помощью регулируют натяжение каждого поддерживающего каната, прикрепленного к верхней части водоотделяющей колонны. Канат проходит через два двойных шкива на каждом конце натяжной системы и прикреплен к фиксатору на натяжном устройстве. Два натяжных устройства соединены со стальными тросами по противоположным сторонам стояка и, работая в паре, обеспечивают одинаковое натяжение каждой линии:

953

Натяжное устройство поддерживает требуемое натяжение канатов путем подтягивания или разматывания каната в зависимости от перемещения судна, вызванного волнением. Натяжной канат пропущен через шкивы подвижного и неподвижного концов натяжного устройства и представляет собой полиспастную систему.

Рядом с натяжным устройством установлены гидравлические сосуды высокого давления, которые соединены с цилиндром, заполненным маслом для создания буферного эффекта. Объем аккумулятора давления определяет изменение натяжения в зависимости от движения плунжера. Натяжение в канате обеспечивается за счет постоянства давления воздуха в аккумуляторе, которое поддерживается компрессорной установкой. Для аварийного случая имеются три воздушных баллона вместимостью 1700 л с давлением 21 МПа, с помощью которых обеспечивается быстрая подача воздуха в натяжное устройство.

Каждое из шести натяжных устройств состоит из цилиндра, поршня диаметром 400 мм, с ходом 3810 мм; двух воздушных масляных аккумуляторов вместимостью 125,4 л; двух блоков верхних и нижних шкивов; двух или трех направляющих шкивов (под полом вышки) и двух для каждой пары воздушных сосудов вместимостью 1500 л. Максимальное рабочее давление в системе 12,5 МПа.

Для питания сжатым воздухом имеются две компрессорные установки с подачей 0,00833 м3/с и давлением нагнетания 30 МПа. Производительность воздухоочистителя 0,01 м3/с. Система обвязки этих компрессоров соединена с системой обвязки компрессорных установок компенсатора вертикальных перемещений, что обеспечивает в случае необходимости использование компрессорных установок, исходя из конкретной обстановки.

Число натяжных устройств, устанавливаемых на буровом судне или ППБУ, определяется в зависимости от глубины моря. Например, при глубине моря до 914 м рекомендуется применять восемь натяжных устройств, для глубин моря 914–1829 м – от 12 до 14.

Современная технология бурения скважин предъявляет особые требования к приготовлению буровых растворов и их качеству:

оборудование по очистке должно обеспечивать качественную очистку раствора от твердой фазы, смешивать и охлаждать его, а также обеспечи- вать удаление газа из раствора;

оборудование по приготовлению, порошкообразные материалы, хими- ческие реагенты должны обеспечивать качество буровых растворов, механизацию их приготовления, а также систематический контроль параметров раствора.

Комплект оборудования по очистке бурового раствора включает: два вибрационных сита, три рабочие цистерны вместимостью 62,62 и 66 м3 для бурового раствора. На второй и третьей цистернах установлены по два перемешивателя, дегазатор производительностью 63 л/с, пескоотделители из шести циклонов, илоотделитель из 16 циклонов со сменными полиуретановыми вставками.

В отделении, где установлены буровые насосы, размещены две цистерны для хранения бурового раствора вместимостью по 82 м3, две цистерны вместимостью по 55 м3, две емкости вместимостью по 20 м3 для приготовления бурового раствора и химических реагентов. На четырех емкостях для хранения бурового раствора установлены восемь перемешивателей,

954

еще два перемешивателя – на емкости для приготовления бурового раствора и два – на емкости приготовления химических реагентов. На складе, где хранятся мешки с сыпучими материалами, находятся два смесительных бункера для барита и бентонита. Два смесительных бункера с химическими реагентами размещены в складе мешков над емкостью для приготовления химических реагентов. Один бункер с баритом, один бункер с химическими реагентами и два бункера с бентонитовым порошком установлены на цистернах.

Все электрооборудование, смонтированное в установке, выполнено во взрывобезопасном исполнении.

Порошкообразные материалы (глинопорошок, цемент и химические реагенты) хранятся в 12 бункерах объемом примерно по 45–46 м3, расположенных по правому и левому борту на складах для хранения сыпучих материалов. В системе предусмотрены также два двухкубовых уравнительных бака для бентонита и цемента в контейнерном отделении, один бак для барита – на рабочей цистерне с буровым раствором и один бак в отделении буровых насосов. Все четыре бака снабжены измерителями массы.

КОМПЕНСАТОР ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Компенсатор предназначен для устранения влияния вертикальных перемещений судна на бурильную колонну и другие устройства, подвешенные на талевом блоке. Кроме этого, он поддерживает постоянную нагрузку на долото и обеспечивает постоянное положение бурильной колонны относительно забоя скважины. Компенсатор также способствует повышению надежности операций по защите от выбросов, так как при закрытии плашек превентора бурильная колонна неподвижна, благодаря че- му не происходит повреждения резиновых уплотнений плашек.

Существуют различные конструкции компенсаторов с расположением их на кронблоке или между талевым блоком и крюком. К преимуществам компенсаторов, размещенных на кронблоке, можно отнести отсутствие гибких шлангов высокого давления и возможность использования стандартных вышек. Однако их существенные недостатки – увеличение массы и повышение центра тяжести буровой вышки, увеличение износа канатов, наличие рычажного механизма, большая масса подвижных частей, трудность обслуживания узлов. По этим причинам компенсаторы с верхним расположением менее распространены. Компенсаторы, подвешенные на талевом блоке, широко применяют из-за их меньшей массы, возможности быстрой установки на стандартном талевом блоке. Во избежание увеличе- ния высоты вышки компенсаторы выполняют с двумя силовыми цилиндрами, размещенными по боковым сторонам талевого блока.

Большинство применяемых компенсаторов – пассивного типа, что обусловлено простотой их эксплуатации. В этих конструкциях используется естественные процессы расширения и сжатия газа в баллонах аккумулятора, и изменение параметров газа происходит от воздействия нагрузки на крюке, без внесения другой дополнительной энергии.

В активных системах компенсации на параметры газа или жидкости воздействуют дополнительно, например с помощью принудительного перемещения поршня аккумулятора от гидравлической следящей системы. Такая система применена в компенсаторах, установленных на научно-

955

исследовательском судне «Гломар Челенджер». Использование активных систем компенсации увеличивает точность поддержания нагрузки на долото в пределах ±7 кН, что является важным в научно-исследовательских работах (при отборе керна и т.п.).

На судне «Валентин Шашин» установлен компенсатор вертикальных перемещений фирмы «NL Ракер Шаффер» (рис. 25.11).

Компенсатор состоит из верхней траверсы 19, шарнирно соединенной с талевым блоком 11, и нижней траверсы 16, на которой подвешен крюк. К траверсе 19 присоединены два гидропневматических цилиндра 14 и концы шести цепей 13. Цепи перекинуты через звездочки 9, закрепленные на концах штоков 10 гидропневматических цилиндров 14. Нижние концы цепей 17 соединены с нижней траверсой 16. Такая конструкция компенсатора обеспечивает увеличение хода компенсатора в 2 раза, определяемого расстоянием между траверсами 19 è 16, по сравнению с ходом поршней в гидропневматических цилиндрах.

Штоковая полость 15 цилиндров 14 заполнена рабочей жидкостью, а в полостях 12 находится сжатый воздух, который поступает от компрессора 2 или баллонов 1 è 4 включением с пульта 3.

На траверсе 19 установлены также два (по одному для каждого из цилиндров 14) масловоздушных резервуара 7 с разделительными поршнями. Пространства с жидкостью этих резервуаров через клапаны 8 сообщены со штоковыми полостями цилиндров 14.

С пульта управления контролируются давление сжатого воздуха, нагрузки на рабочие цилиндры, давление в резервуарах рабочей жидкости. Рукава высокого давления 6 на обоих концах имеют автоматический отсечной клапан 5, который срабатывает при обрыве рукавов. Регистрирующая и показывающая аппаратура дает сведения о расстоянии между траверсами, давлении воздуха и компенсируемой нагрузке.

Компенсатор имеет фиксатор 18, с помощью которого траверсы 19 è 16 могут быть соединены, и талевая система может работать, как в обыч- ных буровых установках на суше.

На рис. 25.12 приведена схема пневматической системы компенсатора. Питание сжатым воздухом осуществляется от двух компрессоров 1 через дистанционно управляемый регулятор давления 6. При избыточном давлении компрессоры отключатся автоматическим регулятором давления 8. Далее воздух поступает через главный отсечной клапан 11 с ручным управлением и через зарядный клапан 16 с ручным управлением, клапаны 4 и линию управления 15 в баллон 3. Резервная линия 7 служит для подачи воздуха через клапан 9 с ручным управлением, клапан 10, линии 14 è 5 в баллон 2 для аварийных нужд. Из этого баллона воздух подается в систему с помощью клапана 12 и дистанционно управляемого клапана 13. Во время работы компенсатора воздух перемещается через клапан 19. Рядом подключены автоматические редукционные клапаны 20 è 21 с ручным управлением.

По трубопроводу 22 через клапаны 27 è 28, гибкие рукава 24 и автоматические отсечные клапаны 31, трубопроводы 36 è 40 воздух поступает в цилиндры 39 компенсатора.

Трубопроводы 36 è 40 соединены с продувочным клапаном 30. Для обеспечения синхронизации движения поршней цилиндров 39 ввиду упругости воздуха система снабжена аккумуляторами низкого давления 35. Масло из штоковых полостей цилиндров по линиям 37 через дроссели 38

956