Разработка подводных месторождений нефти

SPAR-платформы [Spar Platforms]

Платформы с подводным основанием цилиндрического типа относятся к самым крупным оффшорным установкам, а также к самым современным технологическим решениям для глубоководной добычи. Эти огромные сооружения состоят из большого цилиндра или штанги [hull], поддерживающей типичную верхнюю надстройку буровой. Цилиндрическое основание не простирается до дна, а укреплено на плаву с помощью кабелей и тросов, выполняет задачу стабилизации платформы, учитывая ее перемещения на воде (рис. 14).

Способ укрепления SPAR-платформ на морском дне очень похож на систему заякоревания платформ типа TLP, но без использования жестких негнущихся тросов. Первая SPAR-платформа Neptune со сплошным цилиндрическим основанием, размерами 231 метр в длину и 21 метр в диаметре, была установлена в Мексиканском заливе в сентябре 1996 года на глубине 580 метров. На сегодняшний день разработано три варианта конфигурации цилиндрического основания (рис. 15):

- традиционный – корпус, состоящий из одного сплошного цилиндра;
- связка цилиндров, где центральная секция – это элемент, соединяющий верхний жесткий плавучий корпус с нижним мягким резервуаром, содержащим постоянный балласт;
- ячеистое основание, корпус которого собран из отдельных цилиндрических элементов.

Цилиндрическое основание более экономично при установке небольших и средних по размеру буровых установок, чем основание типа TLP. Из-за большого обеспечиваемого противовеса SPAR-основание имеет гораздо более высокую стабильность. Таким образом, отсутствует необходимость поддержки системы крепления к морскому дну в постоянном жестком вертикальном состоянии. Более того, с помощью системы цепных лебедок SPAR-платформа способна горизонтально перемещаться над территорией месторождения. Это одно из лучших технических решений для морской добычи на больших глубинах, его развитие и модернизация продолжаются. Пока еще в отношении платформ этого типа употребляются термины «первая в мире».
Обратимся к примеру первой и пока единственной в мире платформы с ячеистым цилиндрическим основанием [cell spar floating production facility] – Red Hawk, созданной компанией Kerr-McGee (рис. 16) и установленной в одном из наиболее «густонаселенных» платформами регионов – в Мексиканском заливе, на глубине 1600 метров. Примерный объем ресурса месторождения составляет около 75 миллиардов кубометров природного газа.

Преимущества ячеистого SPAR-основания платформ – сравнительная легкость в изготовлении и гибкая структура конструкции. Подводный корпус Red Hawk имеет длину 168 метров, из которых 50 метров возвышаются над уровнем моря. Верхняя часть корпуса сформирована следующим образом: шесть полых труб, диаметром 6 метров каждая, окружают седьмую в центре. Конструкция обеспечивает высокую плавучесть корпуса. Трубы тесно соединены вместе структурной сталью, содержат резервуары переменного балласта, а также дополнительные полые ячейки. Окружены винтовыми стальными полосками [helical strakes], которые подавляют внешнюю вибрацию на воде [vortex-induced vibration]. Средняя секция корпуса состоит из трех расширяющихся цилиндрических труб и связывает жесткую верхнюю часть [hard tank] и нижнюю килевую [keel tank]. Структура включает также горизонтальные пластины, ослабляющие вертикальные колебания. Нижняя секция, или киль, содержит постоянный балласт – магнетит [magnetite]. Red Hawk имеет мощную якорную систему, состоящую из шести одинаковых раздельных якорей 5, 5 метров в диаметре и 24, 5 метров длиной, снабженных цепными подъемными устройствами.
Самое мощное грузовое устройство, работающее в Мексиканском заливе, было использовано для перемещения основания Red Hawk весом 7200 тонн с баржи на воду и его установки (рис. 17). Верхняя надстройка платформы весит 3600 тонн, состоит из трех палуб: главной [main (top) deck], производственной [production (middle) deck] – обе размерами 34 x 40 метров, и палубы основания [spar deck] размерами 22, 5 x 27 метров.

Передвижные оффшорные буровые установки [Moveable Offshore Drilling Rigs]

Вторая большая группа оффшорных буровых установок делится на постоянно перемещающиеся и те, перемещение которых связано только с необходимостью разработки очередного месторождения. В целом, эти конструкции являются сравнительно более дешевыми.

Буровая баржа [Drilling Barges]

Установка обеспечивает, в основном, первый этап разработки месторождения – бурение скважин. Используется, главным образом, на месторождениях, расположенных внутри континента – в устьях рек, озерах, болотах, каналах и на мелководье. Буровые баржи не имеют собственного хода и не в состоянии противостоять сильному движению воды в ситуации открытого моря. Буксируются с места на место специальным судном.

Самоподъемная платформа типа Jack [Jack-Up Rigs]

По видам работ, способу перемещения, а также форме и структуре производственной платформы этот тип установок подобен буровой барже, часто является как раз бывшей модернизированной буровой баржей. Конструкцию отличает наличие трех или четырех опор[legs], способных опускаться и упираться в дно во время осуществления работ (рис. 18).

Такое техническое решение не исключает заякоривания установки, но позволяет производственной рабочей платформе находиться над поверхностью воды, не касаясь ее, что является более безопасным положением. Переделанные баржи Jack-up являются наиболее редко используемыми среди передвижных установок; очевидное ограничение для проведения работ – это глубина воды, которая не должна превышать 150 метров. В качестве примера самоподъемной установки рассмотрим платформу месторождения Siri. Нефтедобывающий центр Siri, разрабатываемый компанией Statoil, располагается в северо-западной части датского сектора Северного моря, приблизительно в 220 км от берега. Трехопорная самоподъемная платформа [three legged jack-up standing] весом 10 000 тонн установлена на глубине 60 метров на стальном подводном нефтехранилище [steel subsea storage tank] объемом в 50 000 куб. м и оснащена добывающим технологическим оборудованием и жилым модулем [living quarters] (рис. 19).

Служит объединенным производственным центром для трех близко расположенных месторождений Siri, Nini и Cecilie. Общие запасы составляют примерно 60 миллионов баррелей нефти, залегают на глубине 2070 м ниже морского дна. Области Nini и Cecilie снабжены отдельными добывающими автоматическими платформами без обслуживающего персонала [unmanned platforms], но с вертолетными палубами. Необработанное сырье по трубопроводам с автоматических рабочих платформ поступает на платформу Siri, в производственной части которой выполняется заключительный этап отделения добытых углеводородов.
Подводное нефтехранилище Siri имеет размеры 50 на 60 м и 17, 5 метров в высоту, способно вместить до 315 000 баррелей нефти. Построено за 5 месяцев компанией Daewoo, затем, вместе с 5500-тонным балластом, методом сухой буксировки был доставлено в Норвегию, а следом – в район эксплуатации для установки в основание платформы Siri. Состоит из основного резервуара и трех отдельных отсеков, расположенных вокруг шлангов опоры и служащих для контроля угла наклона и глубины во время погружения хранилища на морское дно.
Опоры Siri cделаны из сверхпрочной стали длиной 104 метра 3, 5 м в диаметре и весом по 800 тонн каждая. Толщина стенок опор колеблется от 65 до 110 мм, верхние части имеют подъемные отверстия [pin-in-hole] диаметром 540 мм с интервалом в 1, 75 мм. Каждая опора установлена как самостоятельная единица с трубопроводом, расположенным внутри и уходящим на 13 метров вглубь подводного нефтехранилища. Во избежание утечки пространства между стенками опор и трубопроводом зацементированы [grouted].
Самоподъемная система [jacking system] состоит из трех отдельных гидравлических подъемников для каждой из опор платформы. Размеры корпуса плавучего бурового основания – 50 на 60 метров и 6, 7 метров в высоту. Оборудование верхних надстроек объединено в 500-тонные модули и включает хранилища для воды и дизельного топлива, электротехнические помещения [electrical rooms], основное хранилище [general storage], вентиляционные помещения [ventilation] и рубку связи [communication rooms]. В носовой части [bow of the hull] расположены конструкции, защищающие добывающее оборудование. Навесные жилые модули располагаются на противоположной части платформы. В обычных условиях платформой управляет коллектив из 21 человека, в отдельных случаях жилые помещения могут вместить до 60-ти. Ожидаемый срок эксплуатации самоподъемной оффшорной конструкции на месторождении Siri – 7-10 лет, после чего она может быть использована повторно.

Погружная буровая установка [Submersible rig]

Буровые установки, способные погружаться в воду, также используются для работ на небольших глубинах. Представляют собой платформы с двумя корпусами [hull], помещенными друг на друга. Верхний корпус включает жилые помещения для команды, как на обычной буровой платформе. Нижний – выполняет роль похожего устройства подводной лодки – когда платформа перемещается с места на место, он заполняется воздухом, обеспечивая плавучесть установки. По прибытии на участок бурения, воздух из нижнего корпуса выпускается, и буровая установка погружается на дно моря или озера. Несмотря на высокую мобильность, ограничение по использованию установки составляет, опять же, предельно допустимая небольшая глубина выполнения работ.

Полупогружная буровая установка [Semisubmersible rig]

Распространенный общий тип оффшорных буровых установок, сочетающий преимущества погружных конструкций со способностью проводить буровые работы на глубине более чем 1500 метров. Имеют опоры, обеспечивающие плавучесть платформы, а также большой вес для того, чтобы оставаться в вертикальном положении. При передвижении полупогружная установка использует тот же принцип, что и предыдущий рассмотренный тип конструкций, с помощью закачивания и выкачивания воздуха из нижнего корпуса. Основное различие состоит в том, что при выпускании воздуха полупогружная установка притапливается частично, не достигая морского дна, остается на плаву. Устойчивость, достигаемая заполнением нижнего корпуса водой во время буровых работ, а также укреплением тяжелыми 10-тонными якорями, гарантирует безопасность эксплуатации платформы в бурных морских водах. При необходимости ее также можно удерживать на одном месте с помощью активного рулевого управления.
В качестве примера такой конструкции рассмотрим уникальную добывающую платформу Na Kika, принадлежащую компании Shell. Она устойчиво заякорена на комплексе месторождений примерно в 260 километрах к юго-востоку от Нового Орлеана. Скважины пяти независимых нефтяных месторождений разного размера на глубинах 1740-2100 метров – Kepler, Ariel, Fourier, Herschel и E. Anstey и газового месторождения Coulomb присоединены к центральной полупогруженной платформе Na Kika, а также связаны между собой (рис. 20, 21).

Сооружения разработаны для переработки 128 миллионов кубометров газа и 110 000 баррелей нефти в день.
Отдельная разработка каждого из месторождений была признана экономически не выгодной, поэтому для этой, самой глубоководной в мире группы месторождений, была создана сложная подводная добывающая система, благодаря которой центральная платформа Na Kika получила прозвище – «король-осьминог» [octopus god].
Платформа установлена на четырех квадратных стальных колоннах размерами 17 метров в ширину и 43 метра в высоту. Основание весит 20 000 тонн и обеспечивает водоизмещение в 64 000 тонн. Верхние производственные площадки платформы имеют размер 100 на 87 метров, с учетом центрального пустого пространства 40 на 35 метров. Включают четыре основных модуля: жилые помещения, рассчитанные на 60 человек, технологическую часть, восточный и западный приемные терминалы [receiving module]. 16-опорная система крепления [mooring system] платформы к морскому дну состоит из цепей [chain], тросов [wire rope], присасывающихся (заборных) свай [suction pile], проволочных канатов [], растянутых на расстояния 2000-2500 метров от платформы.

Буровое судно [Drillship]

Буровые суда не требуют буксировки к месту работ, разработаны специально для бурения глубоководных скважин, хотя обладают меньшей устойчивостью, чем полупогружные платформы. В составе оснащения имеют весь набор оборудования обычного крупного океанского судна. Активное управление кораблем, основанное главным образом на GPS устройствах, предоставляет возможность проводить буровые операции [drilling operations]непосредственно с корабля только в пределах площади, на которой его перемещения не будут мешать процессу бурения. Нижний корпус судна оборудован электрическими двигателями, обеспечивающими движение судна в любом направлении. Якорная система, позволяет судну, оборудованному производственной, хранилищной и отгрузочной площадками, вращаться вокруг вертикальной оси, для того, чтобы, при наличии ветра, его воздействию была подвержена минимальная площадь. Буровая шахта [moonpool] проходит сквозь корпус судна, расширяясь к низу; буровые колонны [drill string] уходят от нее в глубину. Техническое оборудование и силовые установки расположены на палубе, а добытая и очищенная нефть до того, как ее загружают в челночные грузовые танкеры, хранится в резервуарах корпуса.
Рассмотрим структуру такой установки на примере бурового судна Terra Nova (рис. 22), участвующего в разработке одноименного месторождения, открытого компанией Petro-Canada в 35 километрах от Hibernia, близ острова Ньюфаундленд.

Нефтяной запас оценен в 406 миллионов баррелей.
При наличии небольших глубин (90-100 метров) этот район характерен сезонным присутствием ледяных масс от 0, 5 до 1, 5 метров толщиной, а также плавающими айсбергами [floating sea ice]. Поэтому система добычи включает подводную добывающую установку, расположенную на дне и связанную с буровым судном при помощи гибкого трубопровода [flexible flowline]. Для защиты от айсбергов подводные добывающие установки размещают в специально вырытых на дне моря колодцах (см. схему на рис. 23).

При оценке рабочей стабильности всей системы учитывалось влияние сотен тонн льда в зимний период. Предусмотрена возможность управления процессом оледенения [ice build-up] оффшорных средств обслуживания с помощью жидкостей, имеющих гораздо более низкую температуру замерзания, а также специальной тепловой изоляции гибкого трубопровода. Terra Nova имеет двойной корпус и 3000 тонн дополнительной стали, чтобы противостоять столкновениям с айсбергами и защитить процесс производства.
Существенная особенность – в случае критической ситуации судно способно быстро отсоединить якорную систему и переместиться, что повышает безопасность рабочих.
Terra Nova имеет длину 280 метров и ширину 45 метров. 9000-тонное производственное оборудование установлено на 4, 5 метра выше главной палубы, способно производить 150 000 баррелей нефти и 38 кубометров газа в день (рис. 24).

Емкость для хранения нефти в нижней части судна может вместить 900 000 бареллей нефти. Из нефтехранилища Terra Nova сырая нефть с помощью разгрузочной системы [offloading system], расположенной на кормовой палубе, экспортируется в челночные нефтяные ледостойкие танкеры [ice-strengthened shuttle tanker] при волнении до 5 метров.

Плавающие гостиницы [Flotels]

Как правило, это небольшие полупогружные платформы, переделанные под флотируемые. Они присоединяются к крупной добывающей платформе длинным проходом и служат своеобразным дополнительным приспособлением, используемым для разных нужд. Часто единственным их предназначением является размещение команды рабочих, обслуживающих основную платформу нефтегазового производства.

Технологические плавающие единицы производства и хранения [Floating Production & Storage Units]

Данные установки являются либо переделанными, либо построенными целенаправленно для выполнения своей задачи, которая состоит в разработке совсем небольших скважин и месторождений, где нерентабельно использовать большие установки с командой и системой трубопроводов. Они присоединены к морскому дну, добывают нефть и хранят ее, пока танкер не забирает добытые ресурсы.

Заключение

Технологический процесс извлечения веществ под чрезвычайным давлением в агрессивной окружающей среде подразумевает серьезные риски – воспламенение газа, нефтяные утечки, загрязняющие морскую воду, землю и подземные воды. По этим причинам к нефтегазовому производству предъявляются высокие экологические требования, закрепляемые международными законами.
В июле 1988 года в результате газовой утечки, взорвалась одна из оффшорных платформ, расположенных в Северном море, погибло 167 человек. После несчастного случая участилась практика размещения жилых помещений на отдельных морских гостиничных платформах, устанавливаемых далеко от производственных. Появились морские буровые установки, управляемые на расстоянии многих сотен километров от берега, с нечастым посещением команды рабочих. Однако и это не обеспечивает полную безопасность. В марте 1980 года плавающая гостиница опрокинулась во время шторма в Северном море, унеся 123 жизни.
Практика частичного уничтожения оффшорных буровых установок грозит аварийными ситуациями для судов, пересекающих территорию расположения остатков нефтегазовых производств или ведущих рыболовную деятельность, с риском зацепиться за сооружения сетями. Из материалов, представленных в прессе, можно сделать вывод, что будущее оффшорной нефтегазовой промышленности связывается специалистами с освоением месторождений, расположенных в еще более глубоководных областях (более 1000 метров). К тому же, как показывает практика, более глубокие области имеют тенденцию к содержанию больших ресурсов, делая, таким образом, задачу экономически выполнимой, несмотря на увеличение стоимости глубоководных работ.