CC BY
14Повышение прочности и скорости строительства искусственных ледовых островов для поисково-разведочного бурения
Зотов Даниил Александрович
студент, Дальневосточный федеральный zotov.dfu@bk.ru
университет,
Разведочное бурение — это деятельность, которую можно оптимизировать, учитывая изменчивость условий бурения и неопределенность, присущую геологии и климату, которые достаточно важны, когда речь идет о искусственном ледовом острове. В статье проводится анализ строительства искусственных ледовых островов для поисково-разведочного бурения на территории мелководного шельфа Российской Федерации; поиск путей решение проблем, связанных с недостаточным периодом ледового припая в бухтах и заливах Арктики, путем сокращения сроков проведения работ по созданию ледового острова и использования мобильных буровых установок. Важным фактором при строительстве любых ледовых сооружений является образование «рассола» в намораживаемом льду, а также недостаточная масса острова для лучшего сопротивления на сдвиг. Для достижения поставленных целей были проанализированы статистические данные, анализ и синтез научной литературы. В статье описаны способ сокращения «рассола» в ледовом сооружении, сокращение времени на реализацию комплекса работ по проведению поисково-разведочных работ, произведен анализ залива с большими запасами углеводородов и подходящими условиями для апробации пилотного проекта по созданию ледового острова. Ключевые слова: искусственные ледовые острова, поисково-разведочное бурение, колтюбинг, арктическое бурение, мелководный шельф Российской Федерации.
Введение
Искусственный ледяной остров (ИЛО) является сооружением, который можно рассматривать в качестве оптимального решения для поисково-разведочного бурения.
Ледовый остров (ЛО) представляет собой участок естественного ледяного покрова с намороженным слоем льда. По мере намораживания центр острова приобретает массу и опускается на глубину, пока не произойдет соприкосновения с дном.
Ледовые острова строятся на ровном естественном ледяном покрове с толщиной льда обычно не менее 50 см для возможности перемещения оборудования и материалов по льду.
Наиболее производительным из способов сооружения ледовых островов является разбрызгивание, так как позволяет в короткие сроки наморозить значительное количество льда. [1]
В период начиная с 1980 до 2000 года проводились эксперименты по созданию и эксплуатации подобных сооружений, часть из которых была успешно завершена. [2-5]
Основные проблемы при проектировании и расчете новых искусственных ЛО заключаются в недостаточной прочности льда, массе ледового острова, т.к в случае высоких ледовых нагрузок остров должен иметь высокое сопротивление на сдвиг, в противном случае во время поисково-разведочных работ произойдет неминуемая авария. Арктический шельф РФ обладает множеством бухт и заливов с богатыми углеводородными запасами, но не все они имеют продолжительный период устойчивого ледового припая, чтобы расширить область применения ЛО необходимо сократить время на проведения поисково-разведочных работ. [6-8]
Целью данной работы является увеличение прочностных весовых характеристик ледового острова, сокращение денежных и временных затрат на проведение всего комплекса поисково-разведочных работ.
Искусственный ледяной остров опирается на морское дно и работает как стационарное гидротехническое сооружение. При его возведении методом послойного намораживания выбирают льдину необходимых размеров, очищают ее от снега, сгребая его в снежные валы по периферии, и за снежными валами прорезают траншею.
Затем приступают к заливанию или набрызгу морской воды на очищенную льдину до полного погружения ее на дно и наращивания до необходимых размеров. Скорость полива (набрызга) морской воды выбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальные параметры намораживания при удовлетворительных показателях прочности искусственного льда.
Регулируемое набрызгивание морской воды на поверхность льда уменьшает толщину водяных слоев и позволяет ускорить сооружение ледяного острова. Пока
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м «
со см о см
с4
О ш 00
<
00 о
вода находится в холодном воздухе, она теряет часть скрытой теплоты, что ускоряет ее замерзание. [9]
Структура ледового острова обусловлена производственным назначением. ЛО должны состоять из прочного монолитного льда, по физико-механическим свойствам близкого к естественному, а порой и превосходящего его качественно.
Создание в больших объемах такого льда из морской воды соленостью 34-35% является наиболее сложной проблемой, решение которой связано с разработкой специальной технологии строительства ледовых сооружений.
Известно, что при вымораживании морской воды соленостью 35% процесс кристаллизации начинается при температуре -1,9 °С. При температуре -10,6 °С в твердую фазу переходит 79% морской воды, а в жидкой фазе остается около 21% в виде рассола с концентрацией солей 145%. При температуре -17 °С в твердой фазе будет соответственно пребывать 85% воды, в жидкой -15% с концентрацией солей 195%. Дальнейшее снижение температуры приводит к полному переходу морской воды в твердое состояние и образованию сухих кристаллов соли. При повышении температуры ледяной массы происходит обратный процесс: она разрушается концентрированным рассолом.
Следовательно, для создания прочного ледяного монолита из морской воды необходимо предварительно удалить большую часть незамерзающего рассола в процессе намораживания. [10]
Следующий вопрос заключается в обеспечении нужной скорости намораживания льда, обладающего такими физико-механическими свойствами, которые обеспечат требуемую прочность острова в целом на период проведения разведочного бурения. Таким образом, для создания ЛО требуется специальная технология строительства, позволяющая удалять рассол в процессе намораживания и гарантирующая высокую скорость возведения острова.
Методы исследования
Для проведения исследования использовались следующие показатели: данные о запасах углеводород на территории мелководного шельфа Российской Федерации, данные о фазовых переходах воды и льда, анализ опыта строительства искусственных ледовых островов, анализ зон и периодов устойчивого припая в бухтах и заливах Арктического шельфа РФ, время проведения комплекса поисково-разведочных работ, влияние «рассола» на целостность ледовых сооружений. Проведен анализ климатических и ледовых условий для апробации проекта.
Исследование включающее в себя добавление охлажденного песка во время набрызга морской воды основано на гипотезе о виде зависимостей, возможной динамике параметров. [11-12]
Исследование включающее себя улучшенную колтюбинговую бурильную установку основано на расчетах результатами которых является представленный чертеж, а также данные о ее возможностях быстрее остальных буровых проводить комплекс работ по бурению разведочных скважин. [13-15]
Данные из источников тщательно проверялись и, при необходимости, корректировались.
Метод борьбы с образованием рассола в ледовом острове
В работе будет рассматриваться Усть-Енисейский залив, в котором соленость воды относительно невысокая (данные о концентрации соли, представленные на рисунке 1.), но для дополнительного повышения прочности острова стоит рассмотреть вариант удаления рассола из намораживаемого льда.
312 30-6
31.2 306
ил
Рисунок 1. Среднемесячные значения солености, (%о), февраль
Во время замерзания морской воды происходит выделения из нее рассола, чем выше соленость воды, тем больше снижается прочность строения если не решать вопрос с его удалением.
Рассол может пронизывать весь ледяной остров образовывая полости и каналы, что может привести к сильному снижению его прочностных характеристик.
С предотвращения образования рассола предлагается вводить в поток распыляемой жидкости вкрапления песка охлажденные до температуры окружающей среды либо до еще более низких температур с применением хладагента.
Частица служит центром кристаллизации пресной составляющей морской воды, и вокруг нее образуется ледяной нарост.
Концентраци пресной воды
ассол
юсчинка охлажденная до температуры окружающей среды или ниже
Рисунок 2. Капля воды с добавлением охлаждений частиц песка
Так как удельная теплоемкость твердой частицы выше, чем у воздуха, основная часть пресной составляющей концентрируется вокруг нее, а снаружи образуется очень тонкая ледовая оболочка, лопающаяся при
падении капли, в результате чего почти весь рассол оказывается снаружи ледяного шарика и стекает с него.
Внутри шарика рассола практически не остается, и шарик получается гораздо более прочным, чем в случае обычного (беспесочного) намораживания. На рисунке 2 изображена капля с добавлением вкраплений песка.
Кроме того, повышается общий вес монолита, и он садится на дно и имеет более прочную связь с ним. Также увеличивается удельная осредненная теплоемкость материала, и он успевает за зимний период набрать больший хладозапас и может лучше противостоять в летнее время течениям, растапливающим остров.
Добавление песка в лед влияет на скорость деформации, это подтверждается экспериментами в ходе которых было выявлено, что при объемной доле песка начиная с 0,17 при увеличении объемной доли на каждые 25-30%, приводит к повышению максимальной прочности на сдвиг на 200-300 кПа. [16]
Бурение с применением искусственных ледовых островов
В работе будет рассмотрена технология разведочного бурения позволяющая ускорить его процесс, что крайне важно, когда мы используем ледовый остров как основание.
Программа разведочного бурения на мелководье предполагаемо будет применяться на мелководье в диапазоне глубин от 500 до 3000 метров
Основная проблема при использовании искусственных ледяных островов для поисково-разведочного бурения — это относительно короткий срок их эксплуатации в сравнении со стационарными сооружениями.
Наибольшее количество времени затрачивается на развертывание буровой установки и проведение разведки, следовательно ускоряя эти процессы мы сможем снизить общее время на проведение всего комплекса работ, благодаря этому также снизится стоимость проекта.
В случае выполнения предыдущих пунктов в будущем ледовые острова получат возможность эксплуатации для большего числа мелководных месторождений с меньшим ледовым периодом.
Для реализации поставленных целей требуется разработать буровую установку, которая будет способна быстро вводиться и выводиться из эксплуатации и оперативно проводить разведку.
Возможным решением является новый тип буровой который будет регулярно использоваться при разведке полезных ископаемых.
Основанными критериями, которыми должна обладать такая установка, это экономическая эффективность, ускоренный темп проведения работ, экологически чистые и безопасные подходы к бурению.
Предлагаемым решением является внедрение буровой установки с гибкой буровой трубой (flexible pipes) с помощью которой будет вестись разведка углеводородов. [17]
Основным преимуществом бурения гибкой насосно-компрессорной трубы (ГНКТ) является отказ от буровых штанг (труб), что позволяет значительно увеличить скорость бурения и, следовательно, отказаться от сопутствующей работы со штангами, что способствует повышению безопасности буровой площадки.
Временная шкала, наглядно показывающая на сколько возможно сократить сроки проведения всего
комплекса работ по поисково-разведоному бурению, представлена на рисунок 5.
Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Фереагь Март Апрель Май vloHs
Период устойчивого припая
220 суток
Создание пороги и установка оборудования для нэмороэш
ID
Работы по наморозке ледового острова
хэ
Установка стандартной I когтюбинговои" буровой и доп. оборудования
Проведение поисково-разведочного бурения (стандартная буровая)
ИТ
Проведение поисково-разведочного бурения (колтюбинговая буровая)
Завершение буровых работ, вывоз оборудования
□ю
Срок проведения работ с колтюбиягом' I о обычной буровой
127 суток']
1Б1 сутки
Рисунок 5. Сроки проведения работ для проведения поисково-разведочного бурения
Буровая установка с колтюбингом способна постоянно поддерживать внутрискважинное давление, что обеспечивает повышенную устойчивость скважины, а также возможность втягивания бурильной колонны за минимальное время.
Бурение с применением колтюбинга обеспечивает улучшенные возможности каротажа при бурении с использованием различных датчиков, встраиваемых в композиты. [18]
В ходе разведки новых месторождений принципиальным фактором для принятия решений является стоимость проекта, хоть колтюбинг и является экономически выгоднее классических буровых установок, как и у всего, у него есть недостаток.
В ходе бурения множества скважин гибкая стальная труба изнашивается из-за постоянных перегибов, в связи с этим требуется ее замена, что является дорогостоящей операцией, особенно в отдаленных территория Арктического шельфа. Схема стандартное колтюбинго-вой установки представлена на рис.1.
Рисунок 3. Колтюбинговая установка
Предлагаемое решения для максимального увеличения ресурса колтюбинговых труб заключается в размещении катушки с трубой параллельно буровой установке, что позволит сократить количество изгибов с 6 до
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м
CJ
2 за один промежуток в сравнении с обычной колтюбин-говой установкой. Подробнее установка изображена на рисунке 2.
Таблица 2
Критерии применимости искусственных ледовых островов для ПРБ
fO
сч
0 сч
сч
01
о ш m
X
<
m о х
X
Глубина, м 4-10
Ледовый период, сут. От 180
Дрейф ледового поля, м < 2
Подвижки припайного льда Минимальны
Содержание соли в воде <10% на протяжении всего ледостава
Рисунок 4. Колтюбинговая установка
Подобная схема расположения катушки позволяет убирать катушку со дна скважины на расстояние до 3,1 м без повторного изгиба катушки.
Также важно применять максимально большие барабаны это дополнительно снизит усталость материалов, но размер не должен нарушать правила габаритов перевозки грузов по дорогам без специальных разрешений.
По предварительным расчетам данные изменения в констуркции позволят увеличить ресурс от 2-х до 4-х раз, в зависимости от материала трубы.
Усть-Енисейский район
Подходящим местом для апробации решений предложенных в данной работе может стать район Усть-Ени-сейского залива. Обладающим запасами по категории Dл — 64 млн тонн нефти и 146 млрд кубометров газа, по категории D1+D2 — 20,9 млн тонн и 130,3 млрд кубометров соответственно. [19]
В таблице 2 приведены краткие характеристике Усть-Енисейского участка для расположение искусственного ледового острова.
Начало ледостава в заливе приходится на начало октября, весенний ледоход происходит в середине-конце июня. Продолжительность достаточно устойчивого ледового припая составляет периода льда 6-7 месяцев.
Данного периода вполне достаточно для успешного проведения комплекса работ поисково-разведочного бурения.
Исходя из краткого анализа ключевых критериев для возможности апробации технологии можно сделать вывод, что Усть-Енисейский залив подходит для проведения поисково-разведочного бурения с помощью искусственных ледовых островов. [20]
Выводы
В настоящее время разведка новых месторождений в Арктической зоне РФ является одной из приоритетных задач. Искусственные ледовые острова способны облегчить данную задачу, благодаря рассмотренным методам их строительства и бурения.
Следует отметить, что для дальнейшего развития данного проекта требуется дорабатывать нормативное документы, где будут четко регламентированы условия эксплуатации подобных сооружений.
Литература
1. Макеенко В.И., Мясковский Е.Г., Мирзоев Д.А. Искусственный намораживаемый остров // Патент, номер патента: 1165741, 1981 г.
2. Petrov I. B., Muratov M. V., Sergeev F. I. Elastic wave propagation modeling during exploratory drilling on artificial ice island //Applied Mathematics and Computational Mechanics for Smart Applications: Proceedings of AMMAI 2020. - Singapore : Springer Singapore, 2021. - С. 171183.
3. Croasdale K. R., Marcellus R. W. Ice and wave action on artificial islands in the Beaufort Sea //Canadian Journal of Civil Engineering. - 1978. - Т. 5. - №. 1. - С. 98113.
4. Angell V. W., Graham H. J., Post G. J. Case history: ice island drilling application and well considerations in Alaskan Beaufort Sea //SPE drilling engineering. - 1991. -Т. 6. - №. 01. - С. 60-64.
5. Weaver J. S., Poplin J. P. A case history of the Nipterk P-32 spray ice island //Canadian geotechnical journal. - 1997. - Т. 34. - №. 1. - С. 1-16.
6. Истомин А. В., Павлов К. В., Селин В. С. Углеводородные ресурсы шельфа западной Арктики России: проблемы, перспективы освоения //Дайджест-финансы. - 2007. - №. 3. - С. 2-7.
7. Лаверов Н. П., Дмитриевский А. Н., Богоявленский В. И. Фундаментальные аспекты освоения нефтегазовых ресурсов арктического шельфа России //Арктика: экология и экономика. - 2011. - №. 1. - С. 26-37.
8. Masterson D. M. State of the art of ice bearing capacity and ice construction //Cold Regions Science and Technology. - 2009. - Т. 58. - №. 3. - С. 99-112.
9. Семенов Д.А., Калошина С.В. Инновационные технологии строительства искусственных островов // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2016. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/innovatsionnye-tehnologii-stroitelstva-iskusstvennyh-ostrovov (дата обращения: 30.01.2023).
10. Максутов Р. А., Мясковский Е. Г., Вершинин С. А. Способ создания гидротехнического сооружения. -1985.
11. Burickovic I. et al. Water-ice phase transition probed by Raman spectroscopy //Journal of Raman Spectroscopy.
- 2011. - Т. 42. - №. 6. - С. 1408-1412.
12. Xue X., He Z. Z., Liu J. Detection of water-ice phase transition based on Raman spectrum //Journal of Raman Spectroscopy. - 2013. - Т. 44. - №. 7. - С. 1045-1048.
13. Crouse P. C. et al. Coiled Tubing Drilling-Expanding Application Key to Future //SPE/ICoTA Coiled Tubing Roundtable. - OnePetro, 2000.
14. Perry K. Microhole coiled tubing drilling: a low cost reservoir access technology //Journal of Energy Resources Technology. - 2009. - Т. 131. - №.
15. Graham R. Underbalanced drilling with coiled tubing: A safe, economical method for drilling and completing gas wells //Journal of Canadian Petroleum Technology. - 1997.
- Т. 36. - №. 08.
16. Yasufuku N. et al. Stress-dilatancy behaviour of frozen sand in direct shear //8th international conference on permafrost, Zurich. Balkema, Rotterdam. - 2003. - С. 12531258
17. Leising L. J., Newman K. R. Coiled-tubing drilling //SPE drilling & completion. - 1993. - Т. 8. - №. 04. - С. 227-232.
18. Kolle J. J. Coiled-tubing drilling with supercritical carbon dioxide //SPE/CIM international conference on horizontal well technology. - OnePetro, 2000.
19. Меткин Д.М. Экономическая оценка газового потенциала центров добычи углеводородного сырья Восточной Сибири // Записки Горного института. 2011. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ekonomicheskaya-otsenka-gazovogo-potentsiala-tsentrov-dobychi-uglevodorodnogo-syrya-vostochnoy-sibiri (дата обращения: 30.01.2023).
20. Б.В Шумский «Изучение геологического строения и перспектив нефтегазоносности дна Енисейского залива региональным полевым геолого-геофизическими работами с целью прослеживания и акватории структур, выделенных на обрамляющей суше и подготовки объектов для лицензирования» // Том 2. Оценка воздействие на окружающую среду, 2016 №. URL: http://dikson-taimyr.ru/dok/news/2016/16_04/proekt_enisey_tom2_1.pdf (дата обращения: 30.01.2023).
Increasing the strength and speed of construction of artificial ice
islands for exploration and exploration drilling Zotov D.A.
Far Eastern Federal University JEL classification: L61, L74, R53
Exploration drilling is an activity that can be optimized given the variability of drilling conditions and the inherent geology and climate uncertainties, which are quite important when it comes to an artificial ice island. The article analyzes the construction of artificial ice islands for prospecting and exploratory drilling on the territory of the shallow shelf of the Russian Federation; search for ways to solve the problems associated with the insufficient period of fast ice in the bays and gulfs of the Arctic, by reducing the time for the creation of an ice island and the use of mobile drilling rigs.
An important factor in the construction of any ice structures is the formation of "brine" in the frozen ice, as well as the insufficient mass of the island for better shear resistance. To achieve the goals set, statistical data,
analysis and synthesis of scientific literature were analyzed. The article describes a way to reduce the "brine" in the ice structure, reduce the time for the implementation of a set of works on prospecting and exploration, an analysis of the bay with large hydrocarbon reserves and suitable conditions for testing a pilot project to create an ice island is made. Keywords: artificial ice islands, prospecting and exploratory drilling, coiled
tubing, arctic drilling, shallow shelf of the Russian Federation. References
1. Makeenko V.I., Myaskovsky E.G., Mirzoev D.A. Artificial frozen island //
Patent, patent number: 1165741, 1981
2. Petrov I. B., Muratov M. V., Sergeev F. I. Elastic wave propagation
modeling during exploratory drilling on artificial ice island // Applied Mathematics and Computational Mechanics for Smart Applications: Proceedings of AMMAI 2020. Singapore : Springer Singapore, 2021. P. 171- 183.
3. Croasdale K. R., Marcellus R. W. Ice and wave action on artificial islands
in the Beaufort Sea //Canadian Journal of Civil Engineering. - 1978. - T. 5. - No. 1. - S. 98-113.
4. Angell V. W., Graham H. J., Post G. J. Case history: ice island drilling
application and well considerations in Alaskan Beaufort Sea //SPE drilling engineering. - 1991. - T. 6. - No. 01. - S. 60-64.
5. Weaver J. S., Poplin J. P. A case history of the Nipterk P-32 spray ice island
//Canadian geotechnical journal. - 1997. - T. 34. - No. 1. - S. 1-16.
6. Istomin A. V., Pavlov K. V., Selin V. S. Hydrocarbon resources of the shelf
of the Western Arctic of Russia: problems, development prospects // Digest Finance. - 2007. - no. 3. - S. 2-7.
7. Laverov N. P., Dmitrievsky A. N., Bogoyavlensky V. I. Fundamental aspects
of the development of oil and gas resources of the Arctic shelf of Russia // Arktika: ecology and economy. - 2011. - no. 1. - S. 26-37.
8. Masterson D. M. State of the art of ice bearing capacity and ice construction
// Cold Regions Science and Technology. - 2009. - T. 58. - No. 3. - S. 99112.
9. Semenov D.A., Kaloshina S.V. Innovative technologies for the construction
of artificial islands // Bulletin of PNRPU. Construction and architecture. 2016. No. 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/innovatsionnye-tehnologii-stroitelstva-iskusstvennyh-ostrovov (date of access: 01/30/2023).
10. Maksutov R. A., Myaskovsky E. G., Vershinin S. A. A method of creating a hydraulic structure. - 1985.
11. Burickovic I. et al. Water-ice phase transition probed by Raman spectroscopy //Journal of Raman Spectroscopy. - 2011. - T. 42. - No. 6.
- S. 1408-1412.
12. Xue X., He Z. Z., Liu J. Detection of water-ice phase transition based on
Raman spectrum // Journal of Raman Spectroscopy. - 2013. - T. 44. -No. 7. - S. 1045-1048. 13 Crouse P. C. et al. Coiled Tubing Drilling-Expanding Application Key to Future //SPE/ICoTA Coiled Tubing Roundtable. - One Petro, 2000.
14. Perry K. Microhole coiled tubing drilling: a low cost reservoir access technology // Journal of Energy Resources Technology. - 2009. - T. 131.
- No.
15. Graham R. Underbalanced drilling with coiled tubing: A safe, economical
method for drilling and completing gas wells // Journal of Canadian Petroleum Technology. - 1997. - T. 36. - No. 08. 16 Yasufuku N. et al. Stress-dilatancy behavior of frozen sand in direct shear //8th international conference on permafrost, Zurich. Balkema, Rotterdam. - 2003. - S. 1253-1258
17. Leising L. J., Newman K. R. Coiled-tubing drilling //SPE drilling & completion. - 1993. - T. 8. - No. 04. - S. 227-232.
18. Kolle J. J. Coiled-tubing drilling with supercritical carbon dioxide //SPE/CIM international conference on horizontal well technology. - One Petro, 2000.
19. Metkin D.M. Economic assessment of the gas potential of hydrocarbon production centers in Eastern Siberia // Zapiski Gornogo instituta. 2011. no. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ekonomicheskaya-otsenka-gazovogo-potentsiala-tsentrov-dobychi-uglevodorodnogo-syrya-vostochnoy-sibiri (date of access: 01/30/2023).
20. B.V. Shumsky "Study of the geological structure and prospects of oil and gas potential of the bottom of the Yenisei Bay by regional field geological and geophysical work in order to trace the structures identified on the framing land and prepare objects for licensing" // Volume 2. Environmental impact assessment, 2016 no. URL: http://dikson-taimyr.ru/dok/news/2016/16_04/proekt_enisey_tom2_1.pdf (date of access: 01/30/2023).
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м
CJ
