Подводное устьевое оборудование и его монтаж

По технологии закачивания скважин различают морское бурение с надводным или подводным расположением устья скважины. Бурение с надводным расположением устья ведут со стационарных гидротехнических сооружений и с самоподъёмных буровых установок (СПБУ). Технология бурения, закачивания и испытания морских скважин с надводным расположением устья аналогична подобным работам на суше. Бурение морских скважин с подводным расположением устья производится с буровых судов, полупогружных и самоподъёмных буровых установок, а также с плавучих искусственных ледовых островов. Самоподъёмные платформы с консольным расположением вышечного блока могут бурить скважины как с подводным, так и с надводным расположением устья, причём в последнем варианте устье располагается на отдельной стационарной платформе. Техника и технология бурения скважин с подводным расположением устья имеют ряд отличий от техники и технологии бурения на суше. После забивки в морское дно направления, играющего роль сваи, на нём устанавливают донную плиту, на которой с помощью водолазов или направляющих канатов монтируют подводный устьевой буровой комплекс массой 90-175 т и высотой до 12 м. Комплекс соединён с плавучей буровой платформой водоотделяющей колонной, на которой снаружи закреплены линии манифольда и выкида. Для натяжения водоизолирующей колонны применяют специальные системы натяжения, а в случае длинных колонн для уменьшения веса к ним крепят специальные поплавки. Подводный устьевой комплекс включает: блок дивертора и переходный блок с системами управления; блок превенторов (превенторы с трубными, глухими и срезающими плашками, а также универсальные превенторы); аварийную акустическую систему управления противовыбросовым оборудованием и др. Над верхним универсальным превентором может располагаться узел шарнирного соединения, допускающий изгиб водоотделяющей колонны в пределах до 10° в любом направлении. На полупогружных буровых установках и буровых судах над вертлюгом размещают компенсатор вертикальных перемещений, позволяющий сохранять постоянную нагрузку на буровой инструмент при вертикальных перемещениях судна, вызванных волнением моря. Аналогичную технику применяют при бурении с искусственных плавучих ледовых островов.

При бурении с бурового судна с водоотделяющей колонной и подводным устьевым буровым комплексом максимальная глубина воды 2074 м, без водоотделяющей колонны (с выносом шлама на дно океана) 6100 м. Стоимость морского бурения выше, чем на суше: в зависимости от климата стоимость поисково-разведочной скважины (глубина около 500 м) составляет 3-6 млн. долл США для условий Мексиканского залива, 1520 млн. долл США для условий Северного моря и до 50 млн. долл США на шельфе арктических морей; в зависимости от глубины моря на глубине 30 м стоимость бурения в 3 раза выше, чем на суше, на глубине 60 м в 6 раз и на глубине 300 м в 12 раз. Бурение морских разведочных скважин на незамерзающем шельфе проводится почти исключительно с буровых установок погружного, полупогружного, самоподъёмного типов и буровых судов. Бурение эксплуатационных скважин ведется со стационарных буровых платформ 1 или 2мя буровыми станками. Куст морских скважин на стационарной платформе может содержать 12 96 скважин. Наметилась тенденция к росту числа эксплуатационных скважин с подводным закачиванием устья, бурение которых ведётся с самоподъёмных или полупогружных платформ.

На палубе ППБУ постоянно смонтировано оборудование: натяжные устройства 1 с направляющими роликами. 2, поддерживающие водоотделяющий стояк в постоянно натянутом состоянии и компенсирующие перемещения ППБУ относительно стояка, соединенного нижним концом с противовыбросовым оборудованием (ПО); лебедки 4 с приводом для намотки и хранения многоканальных шлангов дистанционного управления ПО; лебедки 5 для подъема и спуска многоканальных шлангов 9 и коллекторов 11 дистанционного гидравлического управления; главная электрическая панель бурильщика 3 для управления ПУО и минипанель 6, гидравлическая силовая установка 7 с гидронасосами и пневмогидравлическими аккумуляторами; манифольд регулированием дросселирования и глушении скважины 17; блок противовыбросового оборудования 18; компенсатор вертикальных перемещений бурильной колонны, подвешенный на вышке; натяжные устройства 19, поддерживающие направляющие канаты постоянно натянутыми и компенсирующие перемещение платформы относительно подводного устьевого оборудования.

Подводный комплекс состоит из водоотделяющей колонны (морского стояка) 10, многоканальных шлангов 9, 15, коллекторов 11, плашечных превенторов 12, опорно-направляющего основания 13, опорной плиты 14, направляющих канатов 16, верхней и нижней гидравлических муфт, шарового соединения (углового компенсатора), телевизионной камеры, телескопического компенсатора и других узлов.
Комплектность подводного комплекса: водоотделяющая колонна (морской стояк) 10, многоканальный шланг 9, 15, коллекторы 11, плашечные превенторы 12, опорно-направляющее основание 13, опорная плита 14, направляющие канаты 16, верхняя и нижняя гидравлические муфты, шаровое соединение (угловой компенсатор), телевизионная камера телескопического компенсатора и другие узлы.
Натяжные устройства 1 с направляющими роликами 2, поддерживающие водоотделяющий стояк в постоянно натянутом состоянии и компенсирующие перемещения ППБУ относительно стояка, соединенного нижним концом с противовыбросовым оборудованием; лебедки 4 с приводом для намотки и хранения многоканальных шлангов дистанционного управления ПО; лебедки 5 для подъема и спуска многоканальных шлангов 9 и коллекторов 11 дистанционного гидравлического управления;
главная электрическая панель бурильщика для управления ПУО и мини-панель 6, гидравлическая силовая установка 7 с гидронасосами и пневмогидравлическими аккумуляторами; манифольд регулирования дросселирования и глушения скважины 77; блок противовыбросового оборудования 18; натяжные устройства 19, поддерживающие направляющие канаты постоянно натянутыми и компенсирующие перемещение платформы относительно подводного устьевого оборудования.


Подводный комплекс состоит из водоотделяющей колонны (морского стояка) 10, многоканальных шлангов 9, 15, коллекторов 11, плашечных превенторов 12, опорно-направляющего основания 13, опорной плиты 14, направляющих канатов 16, верхней и нижней гидравлических муфт, шарового соединения (углового компенсатора), телевизионной камеры, телескопического компенсатора и других узлов.

Комплекс ПУО предназначен:

• для обеспечения при бурении скважины гибкой замкнутой технологической связи между перемещающимся от воздействия волн и течений БС или ППБУ и неподвижным подводным устьем, установленным на морском дне;
• для направления в скважину бурильного инструмента, обеспечения замкнутой циркуляции бурового раствора, управления скважиной при бурении и др.;
• для надежного закрытия бурящейся скважины в целях предупреждения возможного выброса из скважины при аварийных ситуациях или при отсоединении буровой установки в случае больших волнений моря.

Существует несколько конструкции ПУО, обеспечивающих бурение скважин на разных глубинах моря – от 50 до 1800м и более.
Большая глубина установки ПУО предъявляет высокие требования к его свойствам: оборудование должно быть прочным, вибростойким, способным выдерживать большие внешние давления, быть герметичным и надежно управляемым на расстоянии. Конструкция узлов комплекса должна обеспечивать точность стыковки должно быть высоким, обеспечивающим нормальную работу и управление ПУО.
Особое внимание уделяют расположению механизмов связи – надежным устройствам, установленным на БС или ППБУ, которые подвергаются действию волн, течения и ветра. Недостатки размещения ПУО на дне моря – сложность управления, эксплуатации и ремонта.
Многолетний опыт бурения с плавучих буровых средств определил в основном две типовые конструкции скважин с подводным устьем.
В первой конструкции (для глубин скважин примерно 5000-6500 м) применяют фундаментальную колонну (направление) диаметром 762мм, кондуктор - 508мм, первую промежуточную колонну – 340мм, вторую промежуточную колонну – 178 мм. Диаметр эксплуатационной колонны обеспечивает спуск и установку двухколонных НКТ для одновременно – раздельной эксплуатации пластов. Благодаря такому сочетанию диаметров с большими зазорами между колоннами обеспечивается надежное крепление скважин.
Вторую конструкцию преимущественно применяют в условиях бурения на меньшие глубины при более простой конструкции скважин. В этой конструкции используют фундаментальную колонну диаметром 762мм, кондуктор - 406мм, промежуточную колонну - 273мм, эксплуатационную колонну -178мм.
В практике буровых работ на море с БС и ППБУ применяют одно или двухблочную конструкцию ПУО. Некоторые одноблочные конструкции преимущественно используют на больших глубинах вод, в несложных двух и трех колонных конструкциях скважин и на небольших глубинах бурения.
Двухблочные конструкции применяют преимущественно на небольших глубинах вод, в сложных четырех и пяти колонных конструкциях скважин и на больших глубинах бурения.

Показанный на рисунке 3 одноблочный подводный устьевой комплекс состоит из следующих узлов:
1 - пульт бурильщика; 2-пульт управления штуцерным манифольдом; 3 - аккумуляторная установка; 4 - гидравлическая силовая установка; 5 - дистанционный пульт управления; 6 - шланговые барабаны; 7 - гиравлический спайдер; 8 - верхнее соединение морского стояка; 9 - телескопический компенсатор; 10 - соединение; 11 - угловой компенсатор; 12 - нижний узел морского стояка; 13 - направляющие; 14 - подводные задвижки; 15 - цанговая муфта; 16 - опорная плита;17 - акустический датчик; 18 - плашечные превенторы; 19 - штуцерный манифольд; 20 - морской стояк.
Преимущества одноблочной конструкции ПУО - сокращение времени на установку и монтаж комплекса, так как установленный одноблочный комплекс ПУО используется в течение всего времени бурения скважины.

Одной из наиболее популярных разновидностей одноблочных конструкций ПУО, обеспечивающих бурение многоколонных глубоких скважин является система производства «Кэмерон», США. Особенность конструкции – наличие эластомерного элемента, состоящего из сферических, стальных пластин и эластичной набивки. Элемент может выдерживать большие сжимающие нагрузки и срезающие усилия. Компенсатор может отклоняться в любом направлении вокруг центра вращения при изгибе морского стояка.


Ниже представлены:


Рисунок 1 Подводное устьевое оборудование; Рисунок 2 Комплектность подводного комплекса; Рисунок 3 - Одноблочный подводный устьевой комплекс.

На практике, системы с открытым устьевым оборудованием комбинируются с закрытыми коллекторными коммутационными камерами.
Оборудование, предназначенное для установки под водой в устье пробуренной скважины, предварительно прессуют под давлением, превышающим максимально возможное рабочее давление, а затем собирают и спускают с судна на канатах.

Оборудование монтируется либо водолазами, либо с помощью специальных подводных роботов-манипуляторов. Также предлагается несколько конструкций миниатюрных подводных лодок, которые значительно увеличивают эффективное время нахождения водолазов под водой.

Различные компании предложили несколько вариантов подводных систем разработки. Компания Exxon завершает испытания предлагаемой подводной системы разработки нефтяных и газовых месторождений в Мексиканском заливе. Среди особенностей системы следует отметить наличие дистанционно управляемой запорной арматуры. Основным узлом системы является манипулятор также с дистанционным управлением для выполнения различных операций под водой. Манипулятор перемещается по специальным направляющим в базовом основании, установленном на морском дне. Манипулятор контролируется и управляется с помощью подводного телевидения. Манипулятор предназначен для работы на морских глубинах до 600 м.

Существуют две системы подводной установки оборудования: с открытым расположением оборудования устья под водой и с закрытым оборудованием — "сухим" (атмосферным).

В системах открытого типа все устьевое оборудование находится под гидростатическим давлением, соответствующим глубине моря.
В системах закрытого типа устьевое оборудование устанавливается в специальных погружных камерах, внутри которых поддерживается либо атмосферное, либо слегка повышенное давление.

Системы с открытым расположением оборудования получили гораздо большее распространение, чем системы "сухого" типа. Монтаж, техническое обслуживание и ремонт оборудования в открытых системах осуществляется манипуляторами или водолазами, а в закрытых системах в атмосферных камерах, где операторы работают в обычной одежде.
Арматура для установки на подводном устье скважины отличается от обычных как размерами, так и конструкцией.
Фонтанная арматура для подводной эксплуатации состоит из фонтанного дерева с гидравлическими клапанами, муфты для соединения дерева с подводным устьем скважины, сливных линий, направляющих и центрирующих устройств. Управление фонтанным клапаном осуществляется дистанционно (гидравлическим или электрическим). Фонтанная арматура устанавливается с плавучей буровой установки, используя направляющие тросы, оставленные на буях после бурения скважины.
В процессе освоения нефтяных и газовых месторождений на больших глубинах моря возникла необходимость совершенствования и создания новых узлов конструкции ПУО, особенно морских стояков.

На рис. 4 приведена схема ПУО без направляющих канатов фирмы "Кэмерон". В системе направляющего основания 15, блока превенторов и верхней цанговой соединительной муфты 10 конструкция ПУО обеспечивает использование их с сонарной системой подвода, в состав которой входят сонар, телекамера, индикаторный высотомер и считывающее устройство, установленное на ППБУ. Блок превенторов включает нижнюю цанговую соединительную муфту 13, плашечные превенторы 17 и приемную плиту, у которой имеется приемная втулка для соединения системы гидравлического управления с линиями глушения и дросселирования. Эти линии имеют безопасные клапаны с приемными втулками дистанционного управления сверху. Узлы стояка включают: узел нижнего стояка, превентор 20, шаровое соединение 9, соединительные части стояка и телескопический узел стояка с вертлюгом 18, обеспечивающим вращение бурового судна на 360°.

Рисунок 4 - Схема подводного устьевого оборудования без направляющих канатов:
1 – панель управления; 2 – электроустановка; 3 – блок батарей; 4 – разделяющая установка; 5 – центральная панель управления; 6 – блок аккумуляторных батарей; 7 – лебедки электрокоммуникационного и силового кабелей; 8 – коммуникационные и силовой кабели; 9 – шаровое соединение; 10 – верхняя цанговая соединительная муфта; 11 – универсальный превентор; 12 – клапан предохранительный; 13 – нижняя цанговая соединительная муфта; 14 – направляющая воронка; 15 – направляющее основание; 16 – отражатель и импульсный приемопередатчик для акустического управления; 17 – блок плашечных превенторов; 18 – вертлюг; 19 – система управляющего манифольда; 20 – цилиндрический превентор; 21 – линия глушения и дросселирования; 22 – дополнительная линия подачи жидкости; 23 – лебедка аварийного гидровлического шланга; 24 – силовая установка с панелью управления дивертором

Аккумуляторы, электрогидравлические, гидравлические или мультиплексные управляющие устройства смонтированы в пучок вокруг соединительной цанговой муфты. Такая конструкция обеспечивает быстрое отсоединение стояка путем открывания цангового соединения муфты 10, в результате чего стояк снимается с блока превенторов.
На ППБУ установлены лебедки электрокоммуникационного и силового кабеля 7, блок аккумуляторных батарей 6, центральная панель управления 5, разделяющая установка 4, блок батарей 3, электроустановка 2, панель управления бурильщика 1, силовая установка с панелью управления дивертором 24, лебедка аварийного гидравлического шланга 23, дополнительная линия подачи рабочей жидкости 22.

Монтаж ПУО начинают со спуска на морское дно сначала буровой плиты, а затем направляющего основания 15 или со спуска буровой плиты и направляющего основания одновременно. К буровой плите перед спуском присоединяют откидные кронштейны, на концах которых установлены отражатели сонара 16. Эти кронштейны при прохождении через шахту на буровом судне находятся в сложенном виде и после прохождения через нее раскладываются. После установки буровой плиты приступают к бурению скважины диаметром 914 мм под направление диаметром 762 мм. Последнее спускают и сажают в буровую плиту вместе с направляющим основанием. Затем скважину промывают и цементируют до уровня дна моря, после чего спускают блок превенторов. Во время спуска сонар 1 и телекамера, установленные в нижней части спускаемого оборудования, посылают сигналы на отражатели 2, расположенные на концах откидных кронштейнов направляющего основания, которое находится на морском дне.


Телекамеры обеспечивают изображение спускаемого узла на экране панели в центре управления на буровом судне. Направляющая воронка 14 (рис. 4), находящаяся в нижней части секции спускаемого узла, помогает совместить его с направляющим основанием. Информация, полученная с помощью сонара и телекамеры, обеспечивает совмещение в пределах 100 мм. С помощью цанговой гидравлической муфты соединяют спущенный блок противовыбросового оборудования с головкой направления и сонар с телекамерой поднимают. Затем спускают морской стояк и при подходе верхней цанговой гидравлической муфты, закрепленной в нижней части секции стояка, к блоку превенторов, она совмещается и соединяется со специальным устройством – вертлюгом, установленным в верхней части блока превенторов. После этого стояк с муфтой поворачивается до совмещения всех гидравлических соединений втулок линий глушения и дросселирования. Затем муфты и втулки пропускают через предохранительную базовую плиту узла нижнего стояка и соединяют с приемной плитой в верхней части блока превенторов.

Условия эксплуатации комплекса ПУО на больших глубинах потребовали создания соответствующих конструкций узлов. Шаровое универсальное соединение стояка и блока превенторов рассчитано на нагрузку 4540 кН и глубину моря 1829 м. Конструкция соединения выполнена таким образом, что контактируемые поверхности шара и гильзы обеспечивают только герметизацию соединения, а нагрузку воспринимает специальное шарнирное соединение. С помощью телескопического узла обеспечивается перемещение установки по вертикали до 18,3 м. Для облегчения веса стояка к нему можно присоединять плавучие понтоны (поплавки). В комплекс ПУО входит система аварийного отсоединения. Она включает приваренные на противоположных сторонах узла нижней секции стояка кронштейны, на концах которых установлены приемные раструбы аварийного отсоединения (или соединения) с воронками диаметром 508 мм. Для выполнения аварийного отсоединения (или соединения) спускают специальный инструмент с сонаром и телекамерой. В комплексе ПУО имеется также многоступенчатая электрогидравлическая система дистанционного управления и аварийная акустическая система.

Так, в зарубежной практике при большой площади месторождения и на любой глубине моря, практически достижимой для бурения, подводное расположение устьев считается более экономичным, чем надводное. Однако при выборе способа подводной или надводной доработки следует учитывать такие факторы, как глубина скважины и водные инженерно-геологические условия морского дна, метеорологические условия, физико-геологические характеристики добывающего пласта (дебит нефти, газа, воды и наличие вредных нефтяных спутников, затрудняющих эксплуатацию нефтяных скважин), а также удаленность скважин от береговых оснований.


Существенным недостатком систем с подводным расположением устья является трудность доступа к устьевому оборудованию, особенно когда последнее расположено на большой глубине и при необходимости частого ремонта скважины. Кроме того, недостатком является необходимость использования труда опытных водолазов, которые могут работать на больших глубинах.


Следует отметить, что ряд крупных зарубежных нефтяных компаний несколько настороженно относятся к методу разработки морских месторождений скважинами с подводным расположением устья, считая, что этот метод еще не вышел из экспериментальной стадии или что он применим только для отдельных изолированных скважин. Под водой устьевое оборудование устанавливают в устьях отдельных вертикально пробуренных скважин или в устьях наклонно направленных скважин, пробуренных на ограниченной площади кустом. Гидравлические или электрогидравлические системы используются для управления устьевым оборудованием и коллекторными камерами. Каждая задвижка управляется либо по отдельным линиям, идущим от сервисного сосуда, либо через единый распределительный блок.