CC BY
28Бурение скважин и разработка месторождений
УДК 629.563.2
ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ РАЗВЕДОЧНОГО И ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО БУРЕНИЯ НА ШЕЛЬФЕ КАРСКОГО МОРЯ
И. С. Добряков
(ОАО «Сибирский научно-аналитический центр»)
Ключевые слова: морские установки, разведочное и эксплуатационное бурение,
климатические условия, арктический шельф Keyword: о/fshore systems, exploration and development drilling, climate conditions,
arctic shelf
Ресурсы углеводородов Карского моря с момента их открытия и оценки всегда рассматривались в качестве основы устойчивого развития газовой промышленности страны на длительную перспективу. Главная роль в обеспечении потребностей в газе российского рынка и экспорта в ближайшей перспективе принадлежит ресурсам полуострова Ямал и шельфу Карского моря. По результатам поисково-разведочного бурения, проведённого в пределах шельфа на структурах Ленинградская и Русановская, установлена промышленная газоносность отложений сеномана, альба и апта. По величине открытых запасов и перспективных ресурсов Ленинградское и Русановское газоконденсатные месторождения могут оказаться уникальными (с запасами более 1 трл м3 каждое) в результате проведения полномасштабных геолого-разведочных работ.
В Карском море очень сложная климатическая и ледовая обстановка для проведения разведочного и эксплуатационного бурения. Морские установки в этих условиях будут подвергаться значительным нагрузкам. Бурение в Арктике связано с большими капитальными затратами и наукоёмкостью производства.
Основная часть перспективных структур, нуждающихся в детальной разведке, находится в юго-западной части Карского моря, в том числе уникальные по запасам Ленинградское и Русановское месторождения. В рассматриваемом районе круглый год преобладают отрицательные температуры с абсолютным минимумом -48 °С. Ледовая обстановка очень сложная, вода обычно бывает свободной ото льда не более двух месяцев, а в суровые зимы -менее месяца. Толщина ледовых полей составляет в среднем 1,5 метра. Глубина моря в районе предполагаемых месторождений варьируется от 50 до 200 м, местами до 300-350 м. В районе Ленинградского месторождения глубина составляет 90-120 м, в районе Русанов-ского месторождения 50-70 м. Большие по меркам арктических шельфов глубины моря представляют дополнительную сложность для использования разведочных и эксплуатационных платформ [1,2].
Основными факторами, влияющими на выбор арктической морской платформы, являются:
• способность работать в суровом климате при пониженных температурах;
• способность воспринимать ледовые нагрузки;
• возможность установки на данных глубинах;
• научный и производственный потенциал для создания арктических платформ;
• стоимость.
Сначала необходимо проанализировать, какие типы технических средств будут являться подходящими для разведочного и эксплуатационного бурения и добычи на шельфе Карского моря.
Для разведочных работ на шельфе традиционно используются следующие типы платформ: самоподъёмные буровые установки (СПБУ), полупогружные буровые установки (ППБУ), буровые суда (БС). Все эти типы платформ могут производить буровые работы в ледовой обстановке [3].
Для эксплуатации морских месторождений используются разнообразные типы платформ и их модификации. Наиболее распространёнными являются: гравитационные с раз-
личными типами оснований, искусственные острова, TLP, SPAR, FPU, а также подводная эксплуатация скважин. Наиболее подходящими для разработки месторождений Карского моря являются гравитационные платформы на бетонных либо стальных опорах. Прочностные характеристики этих платформ позволяют использовать их в ледовой обстановке, что подтверждено во многих арктических регионах (месторождения Сахалин-1, Сахалин-2, Мак Артур Ривер, Гранит Пойнт, Хиберния).
Следует сразу указать платформы, которые не подойдут для эксплуатации в Карском море. Гравитационные платформы с кессонным основанием, используемые для добычи в море Боффорта, типа CRI - насыпные острова, укреплённые кессонным корпусом, SSDC -переделанные супертанкеры, CIDS - бетонные острова на стальном основании, и сходные с ними по конструкции платформы не являются подходящими для условий Карского моря, так как используются на глубинах до 30 м [4]. Искусственные острова возводятся на небольших глубинах, поэтому также не подойдут для данных условий. Платформы TLP и SPAR не эксплуатировались в ледовых условиях в мировой практике, к тому же они сохраняют устойчивость на глубинах более 300 м, поэтому их нецелесообразно использовать на данных месторождениях. Ледостойкие суда FPSO начали использоваться в мировой практике недавно (месторождения Уайт Роуз и Терра Нова) и являются очень перспективными. В частности, для разработки Штокмановского месторождения выбрана платформа именно такого типа. Для ледовой обстановки Карского моря отсутствуют технические средства для круглогодичного бурения эксплуатационных скважин, следовательно, применение FPSO в современных условиях нецелесообразно. Применение систем подводной эксплуатации скважин затруднительно по этой же причине.
Рассмотрим подробнее возможности каждой из платформ.
1. Самоподъёмная плавучая буровая установка.
СПБУ состоит из корпуса, опор и подъёмной системы, которая позволяет опускать опоры на дно и поднимать их для перемещения платформы на другую точку. Установка обладает собственной плавучестью, но является несамоходной, поэтому нуждается в использовании буксировочных судов.
Самоподъемная буровая установка является оптимальной для работы в условиях продленного сезона в данном регионе. Продленный режим означает, что эксплуатация буровой установки ограничена несколькими месяцами в году вне периода образования полного ледового покрытия в зимнее время, что может повлечь непредсказуемые последствия для установки. В отличие от обычных самоподъемных буровых установок, ледовые условия диктуют необходимость проектирования ледостойкой платформы, поскольку ледовая нагрузка на самоподъемную буровую установку будет намного больше, чем совокупное воздействие ветра, волн и течений. Уровень приспособленности для зимней эксплуатации определяется рядом факторов, поэтому углубленное изучение изменения ледовых условий обязательно. Продолжительность операционного периода в ледовых условиях предполагает различные ледовые ситуации, которые должна будет выдерживать буровая установка, такие как нагрузка от ледовых полей, дрейфующих льдов и торосов.
СПБУ обычно не работают во льдах, но сейчас находится в стадии строительства СПБУ « Арктическая», которая будет первой в мире способна бурить в ледовой обстановке на шельфах Карского и Печорского морей. Она предназначена для разведочного и эксплуатационного бурения нефтяных и газовых скважин глубиной до 6500 м с надводным расположением устьев скважин при глубине моря от 7 до 100 м.
2. Полупогружная плавучая буровая установка.
ППБУ состоит из основания и смонтированной на нем палубы с буровым оборудованием. Основание включает понтоны с переменной плавучестью и опоры под платформу, обладающие положительной плавучестью. В транспортном положении, несмотря на большую массу ППБУ, верхняя часть понтонов выступает над уровнем моря. На точке бурения понтоны заполняются водой, основание погружается на определённую величину и заякоривает-ся.
Для успешного бурения на шельфе Карского моря ППБУ должна воспринимать ледовые нагрузки, сохраняя устойчивость на точке бурения. На данный момент в мире построено очень мало ППБУ для работы в ледовой обстановке.
Компания «ГВА Консалтантс» разработала проект ледостойкой ППБУ «ГВА 7500 Арк-тик», целевым рынком для которой является в том числе и российский арктический шельф (рис.1).
Рис. 1. «ГВА 7500 Арктик»
По правилам DNV эта установка имеет классификацию ICE 15 и ICE 1С. Она может эксплуатироваться в ледовых полях толщиной до 0,4 м и в условиях дрейфующих льдов толщиной до 1,5 м. На шельфе Карского моря она может проводить разведочное бурение с начала вскрытия ледового припая в июне до середины-конца ноября, когда начинают формироваться мощные льды. Установка и удержание платформы на точке происходит с помощью системы 16-точечного заякоривания на цепях и динамического позиционирования с восемью подруливающими устройствами. Интервал рабочих глубин платформы составляет 70-500 м. Она способна бурить скважины глубиной до 12000 м.
ЦКБ «Коралл» разработал проект ледостойкой ППБУ 6500/400, способной выдерживать давление ледовых полей толщиной 0,3 м. Как и «ГВА 7500 Арктик», она удерживается на точке бурения с помощью систем заякоривания и позиционирования. Глубина установки платформы ограничена 400-ми метрами, максимальная глубина бурения - 6500 м.
3. Буровое судно.
Его основное преимущество заключается в полной автономности и возможности проводить разведочное и эксплуатационное бурение в удалённых акваториях на глубинах более 6000 м. В отличие от ППБУ, с бурового судна нельзя осуществлять добычу углеводородов. Буровые суда можно также использовать для ремонта и заканчивания морских скважин, установки обсадной колонны или оборудования для подводной эксплуатации скважин.
В море Боффорта в 80-х годах эксплуатировалось арктическое буровое судно «Фронтье Дискавэрэр», принадлежащее норвежской компании «Фронтье Дриллинг АСА». Основная особенность «Фронтье Дискавэрэр» - турельная якорная система, так называемый вертлюг, с симметричной 8-точечной якорной схемой. Вертлюг позволяет судну осуществлять пассивное позиционирование, то есть судно может поворачиваться вокруг турели носом в направлении дрейфа льда, не останавливая при этом буровые работы, что позволяет снизить ледовую нагрузку на корпус судна и эффективно удерживаться на точке бурения, не прерывая работы. Судно оснащено системой динамического позиционирования с подруливающими устройствами. Для успешной эксплуатации такое буровое судно нуждается в ледокольной поддержке, состоящей из двух ледоколов [5].
Поэтому буровые суда ледового класса с турельной якорной системой являются подходящими для сезонного бурения на шельфе Карского моря. Эти установки являются очень перспективными для использования в арктических морях.
4. Полупогружная буровая платформа «Куллук».
Платформа такого типа спроектирована для работы в море Бофорта и построена в 1982 г. Она предназначалась для эксплуатации на глубинах до 50 м (по проекту до 120 м) в условиях, близких к условиям Карского моря, поэтому платформы такого типа являются
подходящими для разведочного бурения в нём. Платформа «Куллук» представляет арктическую буровую систему второго поколения, которая позволяет продлить буровой сезон с момента взлома ледового припая в середине лета до начала формирования тяжёлых льдов в конце осени.
Основными особенностями установки такого типа являются специально разработанная форма корпуса в виде конуса (имеет 24 отсека, образующих 24 грани конуса), сужающегося к низу, в результате чего ледовая нагрузка на платформу снижается. Она также не позволяет массам льда проникать под платформу, где может повредить якорную систему или райзер. Платформа обладает прочной якорной системой с возможностью отстыковки в экстренной ситуации, которая способна выдерживать высокие нагрузки от дрейфующих в любых направлениях паковых льдов и торосов. Якорная система специально разработана так, чтобы натяжные связи избегали контакта со льдами. Платформа выдерживает нагрузку ледовых полей толщиной до 1,2 м без ледокольной поддержки [6].
Несмотря на то, что платформа может самостоятельно работать в покрытом ледяными полями море, ей обычно оказывается ледокольная поддержка. Ледоколы разбивают торосы, дрейфующий и паковый лёд на более мелкие фрагменты. Как минимум один ледокол должен оказывать поддержку платформе, обычно для этого необходимы от двух до четырёх ледоколов в зависимости от того, насколько тяжёлые ледовые условия.
Таким образом, полупогружная буровая платформа с коническим корпусом типа «Куллук» является подходящей для разведочного бурения в Карском море на глубинах 20-50 м.
5. Гравитационная платформа на бетонных опорах.
Бетонные гравитационные платформы используются для добычи нефти и газа на шельфе Северного моря с начала 70-х годов, с тех пор они себя хорошо зарекомендовали.
Платформы СоМеер являются наиболее приспособленными для работы в суровых климатических условиях. Эта самая распространённая платформа на шельфе Северного моря. Основание традиционной платформы СоМеер состоит из бетонных ячеек, в которых хранится добытая нефть. Ячейки также выполняют функцию балластных отсеков при буксировке и установке платформы. На основание устанавливаются одна, две, три или четыре бетонные колонны, на которые затем устанавливается верхнее строение. Первые платформы этого типа имели три опоры и 16 ячеек. В дальнейшем они претерпевали некоторые модификации в зависимости от требований заказчика [7].
Для разработки газоконденсатных месторождений Карского моря можно использовать модификацию традиционной платформы СоМеер, которые принято причислять к бетонным платформам второго поколения. Основное отличие заключается в том, что у них вместо бетонных ячеек для хранения нефти в качестве основания используется массивная прямоугольная донная плита, что упрощает их конструкцию и изготовление. Основными преимуществами таких платформ являются:
• способность работать в ледовых условиях, в отличие от СоМеер первого поколения;
• возможность эксплуатации на слабых грунтах;
• лучшая приспособленность для эксплуатации в неглубоких водах (до 100 м);
• сейсмоустойчивость;
• относительная технологическая несложность изготовления;
• хорошо подходят для удалённых месторождений;
• строятся в «сухом доке», что более экономически выгодно по сравнению с СоМеер первого поколения, которые строились в «сыром доке»;
• способность размещать большое верхнее строение;
• установка верхнего строения на опоры не требует применения кранов;
• простота установки на месторождении (не требует свайного крепления или заякори-вания);
• возможность релокации (если есть необходимость);
• более удобная система балластировки.
К недостаткам можно отнести:
• огромные габариты и масса конструкции;
• продолжительность строительства (в среднем 3 года);
• большая шероховатость бетона по сравнению со сталью, вследствие чего увеличивается ледовая нагрузка.
Таким образом, использование гравитационной платформы СоМеер второго поколения является экономически выгодным и надёжным.
В российской нефтегазовой промышленности есть опыт применения подобных платформ. Для проекта Сахалин- 2 были построены две бетонные платформы: «Лунская-А» («Лун-А») и «Пильтун-Астохская-Б» («ПА-Б»). «Лун-А» установлена на глубине 48 м на слабом грунте и эксплуатируется в суровых климатических условиях - толщина ледовых полей составляет около одного метра. Она представляет буровую и добывающую платформу с минимально необходимым технологическим оборудованием, включающим сооружения для очистки скважинной продукции от песка и первичной подготовки к транспортировке по подводному трубопроводу.
Платформу подобного типа можно использовать для разработки Ленинградского и Ру-сановского месторождений на шельфе Карского моря.
Основание этой платформы состоит из донной плиты прямоугольной формы, на которой установлены четыре опоры. Донная плита служит в качестве балластной камеры при транспортировке платформы, а также предохраняет от размыва. Опоры платформы выполняют различные функции. В одной из опор обычно размещаются несколько десятков кондукторов под эксплуатационные и нагнетательные скважины. Другая опора предназначена для морских райзеров и райзеров с закруглениями большого диаметра (]-1иЬе). Остальные две опоры могут служить для установки насосов и резервуаров. Одна из опор служит в качестве соединительной с верхним строением [8].
6. Гравитационная свайная платформа на стальных опорах.
Стальные гравитационные ледостойкие платформы устанавливались в 60-70-е годы в заливе Кука на побережье Аляски для добычи нефти и газа. Некоторые из них являются действующими до сих пор. Опыт по их использованию в сложных климатических условиях можно считать успешным, хотя на шельфе Карского моря климат суровее, стальная платформа будет нуждаться в модернизации для работы в данных условиях.
Платформа состоит из основания, представляющего три, четыре, шесть или восемь стальных полых опор и верхнего строения. Обычно такие платформы устанавливаются на глубинах до 500 м, но в арктических районах максимальная глубина установки не превышает 60 м. Конструкция основания укреплена приваренными поперечными трубами, соединяющими опоры. Платформа сохраняет устойчивость из-за собственного веса и свайного крепления ко дну моря. Обычно в каждой опоре находятся по несколько свай, которые заглубляются в грунт на несколько десятков метров и служат направлениями для эксплуатационных и нагнетательных скважин. Также на дно устанавливается юбочное защитное ограждение для придания платформе дополнительной устойчивости.
Можно выделить следующие отличия стальной свайной платформы от бетонной:
• для строительства необходим = 1 год (значительно меньше чем для бетонной);
• стоимость - дороже;
• вес - легче;
• сложность монтажа - требуется применение плавучих кранов и свайное крепление;
• отсутствие возможности релокации;
• меньшая сейсмоустойчивость;
• ледовая нагрузка на сталь меньше чем на бетон.
Немаловажным фактором является то, что российские компании не имеют опыта строительства и эксплуатации подобных платформ на арктическом шельфе, в отличие от бетонных, которые успешно работают на проекте Сахалин-2. Подобный опыт имеют только американские и канадские компании. В заливе Кука установлены несколько стальных ледо-стойких платформ. Такие платформы работали на месторождениях Мак Артур Ривер и Гранит Пойнт, например, платформа «Стилхэд», установленная на глубине 56 м [1].
Природные условия на шельфе Карского моря более суровые, чем в заливе Кука - море почти круглый год покрыто тяжёлыми льдами. Поэтому рассматриваемая платформа будет нуждаться в усовершенствовании, чтобы выдерживать большую ледовую нагрузку и более низкие температуры (рис.2).
7. Коническая гравитационная стальная платформа-мюнопод.
В 80-х годах создана арктическая передвижная платформа, предназначенная для круглогодичного бурения и эксплуатации на шельфе моря Боффорта на глубинах до 50 м в сложной ледовой обстановке. Так как климатические условия в Карском море и в море Боффорта примерно одинаковые, то эту платформу можно использовать для разработки Русановского месторождения, где подходящие глубины моря.
Подобная платформа является чуть ли не единственной из реально построенных, которые способны работать в условиях Карского моря на глубинах 50-60 м. Она имеет ряд особенностей, отличающих её от сооружений подобного типа, с небольшой осадкой при установке на дне, так как она полностью изготовлена из стали. Поэтому она может быть установлена на различные типы грунтов, в том числе и на слабые илистые грунты, не требуя свайного крепления или заякоривания. Также сравнительно небольшая масса позволяет производить буксировку платформы вместе с верхним строением при небольшой осадке, то есть на небольших глубинах моря (рис.3).
Платформа состоит из основания - 4, конического корпуса - 3, который располагается на основании, и палубы - 1, где располагается буровое и технологическое оборудование - 2. Основание платформы состоит из донной плиты и многогранной внешней стенки. На донной плите установлены многочисленные небольшие перегородки, которые погружаются в донный грунт для придания устойчивости платформе. Корпус платформы имеет многогранную конусообразную форму и состоит из множества секций. Такой корпус специально разработан для противостояния ледовым нагрузкам. В верхней части корпуса расположен дефлектор - 5, который служит для предотвращения повреждений нижней части палубы. Буровая шахта располагается не по центру платформы и имеет небольшое коническое расширение к низу. Это сделано для того, чтобы в случае небольшого наклона платформы относительно дна моря бурильная колонна избежала контакта со стенками шахты [5].
Платформа может использоваться для разведочного и эксплуатационного бурения. С неё можно пробурить до 48 скважин на одной точке. Она достаточно удобна для транспортировки и релокации, так как не требует для этого никаких дополнительных операций кроме дебалластировки и ребалластировки.
Таким образом, стальная коническая платформа-монопод может быть использована для бурения и добычи на шельфе Карского моря, в частности, на Русановском месторождении.
На данный момент рассмотрены доступные технологии и технические средства, которые можно использовать для проведения разведочного и эксплуатационного бурения на шельфе Карского моря и проанализирована возможность их эксплуатации в тяжёлых климатических условиях. Наиболее подходящими для разведочного бурения в данном районе являются самоподъёмные и полупогружные буровые установки, а также буровые суда. Можно использовать любые из этих установок, которые есть в наличии у буровых подрядчиков и компаний-операторов.
1/г
Рис. 3. Коническая платформа
Для эксплуатационного бурения и добычи наиболее подходящей является гравитационная платформа на бетонных опорах, тем более что есть отечественный опыт её использования.
Другие типы платформ можно рассматривать как альтернативу.
Список литературы
1. Лоция Карского моря в 2-х частях. Часть 1. СПб.: ГУ навигации и океанографии Минобороны РФ, 1998.-466 с.
2. В.П. Мельников, В.И. Спесивцев. Инженерно-геологические и геокриологические условия шельфа Баренцева и Карского морей. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995.-198 с.
3. Э.М. Мовсум-заде, Б.Н. Мастобаев, Ю.Б. Мастобаев, М.Э. Мовсум-Заде. Морская нефть. Развитие технологий освоения морских арктических месторождений нефти и газа / под ред. A.M. Шаммазова. - СПб.: Недра, 2008. - 304 с.
4. G.W. Timco and M.E. Johnston. Caisson Structures in the Beaufort Sea 1982-1990: Characteristics, Instrumentation and Ice Loads. Technical report [электронный ресурс] // NRC Canadian Hydraulics Centre. 2002. Ноябрь. URL: ftp://ftp2.chc.nrc.ca/ CRTreports/ PERD/ Cais-son_lce_Loads_02.pdf (дата обращения: 15.04.2010).
5. Э.М. Мовсум-заде, Б.Н. Мастобаев, Ю.Б. Мастобаев, М.Э. Мовсум-Заде. Морская нефть. Развитие технических средств и технологий / под ред. A.M. Шаммазова. - СПб.: Недра, 2005. -240 с.
6. B.Wright and Associates Ltd. Full scale experience with Kulluk stationkeeping operations in pack ice [электронный ресурс] // NRC Canadian Hydraulics Centre. 2000. Июль. URL: ftp://ftp2.chc.nrc.ca/ CRTreports/PERD/Kulluk_00.pdf (дата обращения: 10.05.2010).
7. United States patent: Offshore drilling and/or production system [электронный ресурс] // Патенты в открытом доступе Freepatentsonline. Номер патента: 4746245. Дата регистрации патента: 28.02.1986. URL: http://www.freepatentsonline.com/4746245.html (дата обращения: 20.04.2010).
8. VSL floating concrete structures. Examples from practice [электронный ресурс] // VSL INTERNATIONAL LTD., Berne, Switzerland. 1992. URL: http://www.vsl.net/Portals/0/ vsl_techreports/ PT_Floating_Concrete_Structures.pdf (дата обращения: 20.05.2010).
Сведения об авторе
Добряков И.С., аспирант, Мурманский государственный технический университет. ОАО «Сибнац», инженер, тел.: 8-919-946-04-29, е-mail: dobryakov-i-s@list.ru
Dobryakov I.S., graduate student of Murmansk State Technical University, engineer at Siberian Scientific Analytical Centre "SibNats", phone: 8-919-946-04-29, e-mail: dobryakov-i-s@list.ru
