Арктика. О технике и технологиях будущего – сегодня

Зонирование длительно замерзающих арктических акваторий по глубинам с целью освоения открываемых нефтегазовых месторождений существующими и новыми предлагаемыми техническими средствами и технологиями

Arctic. On the technic and technology of the future – today
Zoning long-freezing Arctic waters to the depths with the goal of development of open oil and gas fields existing and the proposed new technical means and technologies

Ch. GUSEYNOV, Gubkin Russian State University of Oil and Gas, RF, Moscow V. NADEIN, OGS OIL GAS SAFETY

Авторы предлагают разбить глубины арктических морей на 6 диапазонов глубин с целью их освоения существующими и предложенными техническими решениями и средствами.

The article suggests splitting of depths of the Arctic seas into 6 depths ranges to develop them by existing and proposed technical solutions and means Arctic seas are suggested to be divided into 6 zones according to the depth in order to develop offshore fields by existing and new proposed technical means and technologies

Огромные просторы всех морей Северного Ледовитого океана (СЛО), бóльшая часть которых принад­лежит Российской Федерации, по мнению авторитетных геологов, содержат не менее четверти мировых запасов углеводородных ресурсов (УВР). В настоящее время разведанность УВР на этих акваториях СЛО составляет лишь несколько процентов, что, безусловно, требует долгосрочной постановки в государственном масштабе и исполнении длительных, планомерно выполняемых в течение ближайших десятилетий, обширных поисковых геологоразведочных работ по каждой из акваторий.
Наряду с этим на акваториях СЛО необходимы полномасштабные батиметрические, гидрологические, гидрометеорологические, сейсмологические и другие исследования с целью поиска наиболее рациональных путей освоения в последующем открываемых нефтегазовых месторождений. При этом непременно следует воспользоваться отечественным опытом бурения ряда параметрических скважин на Баренцевом и Карском морях, который позволил выявить с наименьшими издержками наиболее бла­гоприятные зоны возможных скоплений углеводородов и ознаменовался открытием богатейших месторождений. Следует также принять во внимание короткие сроки навигации на большинстве арктических акваторий, далеко не всегда позволяющих осуществить необходимый объем технологических операций по надежному испытанию поисковых и разведочных скважин. В связи с этим прежде всего следует основательно исследовать глубины перечисленных морей с целью разбиения акваторий по глубинам на определенные зоны (а точнее, на диапазоны глубин) для проектирования и создания определенных конкретных технических средств в соответствии с намеченными диапазонами глубин, поскольку каждый определенный диапазон глубин имеет существенные отличия (прежде всего воздействиями на создаваемые сооружения), в соответствии с которыми потребуются адекватные технические средства. Именно зонирование месторождений Северного Ледовитого океана по определенным диапазонам глубин, с учетом выявленных запасов углеводородов, позволит не только предопределить последовательность их освоения, но и в дальнейшем наиболее рационально и рачительно расходовать значительные средства на их создание. Тем самым будет разработана наиболее обоснованная последовательность освоения месторождений, что, в свою очередь, позволит значительно ускорить темпы освоения определенных диапазонов глубин, а следовательно, и конкретных открытых месторождений, причем такой подход создаст предпосылки для планомерного изготовления (уже на наших судостроительных предприятиях) оправдавших себя в мировой практике разнообразных плавучих подводных и погружных подводно-подледных буровых и нефтегазодобывающих сооружений, необходимость которых до сего времени в мире не оценена по достоинству.

Именно зонирование месторождений Северного Ледовитого океана по определенным диапазонам глубин, с учетом выявленных запасов углеводородов, позволит не только предопределить последовательность их освоения, но и в дальнейшем наиболее рационально и рачительно расходовать значительные средства на их создание.

При этом крайне важно, чтобы это стимулировало наших ученых и судостроителей за ближайшие годы создать новые технологии подводного бурения и подводные буровые средства и разнообразные нефтегазодобывающие сооружения, что позволило бы приступить к освоению более глубоких длительно замерзающих акваторий. Подчеркнем, что для освоения открываемых в будущем глубоководных месторождений потребуются новые, более сложные подводные технические средства и технологии, значительную часть которых придется создавать впервые в мировой практике, а для этого необходимо выстроить временную этапность освоения, поскольку гигантские масштабы поставленной проблемы (несомненно, соизмеримой с космическими планами), естественно, потребуют рациональной очередности создания новых уникальных технических средств и технологий.
Прежде всего следует заняться созданием современных отечественных средств морской разведки, поскольку рентабельность их аренды при наших нынешних, далеко не безоблачных взаимоотношениях с США и другими развитыми странами Запада вызывает вопросы. Учитывая большие объемы предстоящих поисковых работ, необходимость изготовления плавсредств собственными силами очевидна при возможном приобретении лишь соответствующей специальной аппаратуры (или же лицензий на ее производство у нас), а также обучении обслуживающего персонала.
Это, естественно, выходит за пределы нашей компетенции и данной статьи, связанной с проблемами поиска путей рационального освоения уже открытых арктических нефтегазовых месторождений, содержащих промышленные запасы углеводородов. При этом всегда следует руководствоваться довольно простым правилом: определенные перспективные участки акваторий следует, прежде всего, обстоятельно исследовать, чтобы впоследствии упростить принципиальную последовательность и логистику освоения открытых месторождений. Такой подход позволит значительно сэкономить инвестиции в строительство, заранее определившись (в зависимости от удаленности от берега и глубины моря) с наиболее рациональной системой добычи и промысловой подготовки пластовой продукции (выбирая в дальнейшем способы и средства транспортировки углеводородов потребителю).

Какие сооружения нужны нефтяникам

и газовикам на разных глубинах моря?

Современные инженерные достижения (с точки зрения прочности) позволяют создавать надежные стационарные ледостойкие сооружения в арктических условиях максимум до глубин 50 – 60 м. Более того, существующая «надводная» технология бурения нефтегазовых скважин, в значительной мере надежно отработанная в условиях суши, позволяет безопасно осуществлять проходку скважин. С ростом же глубин расход материалов на создание ледостойких стационарных сооружений возрастет настолько, что затраты не смогут окупиться. В связи с этим, естественно, возникает необходимость создания новых подводных нефтегазодобывающих сооружений, включая и создание подводной технологии бурения самих скважин, поскольку в ледовый период традиционные буровые суда (даже ледового класса) не смогут бурить целый куст эксплуатационных скважин: дрейф ледовых полей не позволит судну удержаться на точке бурения, т.е. возникает необходимость погружения бурового судна на глубину, превышающую невидимую часть айсберга/стамухи. Но для этого необходимо разрешить целый ряд проблем, после решения которых можно будет рассчитывать на успешность проводки скважин с подводного бурового судна.

Для освоения открываемых в будущем глубоководных месторождений потребуются новые, более сложные подводные технические средства и технологии, значительную часть которых придется создавать впервые в мировой практике, а для этого необходимо выстроить временную этапность освоения, поскольку гигантские масштабы поставленной проблемы (несомненно, соизмеримой с космическими планами) естественно потребуют рациональной очередности создания новых уникальных технических средств и технологий.

Мы изложим наши представления о том, какими техническими средствами необходимо располагать для успешного освоения длительно замерзающих акваторий, прежде всего с учетом глубины моря. Именно этот критерий наиболее всесторонне определяет возможности использования различных технических средств/сооружений, адекватно соответствующих различным глубинам. С этой целью мы предлагаем разбить глубины моря на определенные диапазоны:
а) абсолютное мелководье (до1,5 – 2 м);
б) мелководье (2 – 20 м);
в) глубины 20 – 50 м;
г) глубины 50 – 120 м;
д) глубины 120 – 300 м;
е) глубины свыше 300 м.
Рассмотрим это соответствие.
а) Наиболее мелководные (до 1,5 – 2 м) перспективные участки, которые недоступны судам, следует осваивать путем традиционного намыва донного грунта, надежно защитив при этом специальными ограждениями создаваемые сооружения от возможных ледовых нагромождений, активно наступающих со стороны открытого моря. Безусловно, существуют и другие пути создания так называемых искусственных «островов» или других мелководных прибрежных территорий. А возводить на них необходимые объекты нефтегазопромыслового назначения возможно, как и прежде, традиционными на суше способами. Кроме того, этот диапазон глубин возможно освоить путем бурения скважин с большим отклонением от вертикали (т.е. путем бурения горизонтальных скважин, протяженность которых уже может достигать 12 – 15 км).
б) На более глубоких участках (свыше 2 – 3 м и примерно до 20 – 25 м) уже можно использовать погружные ледостойкие сооружения, по форме близкие к судам или к самоподъемным одноопорным основаниям, которые могут быть изготовлены в судостроительных доках и отбуксированы в период навигации на намеченные точки. Для этого диапазона мы предлагаем наше техническое предложение [1], приемлемое для этих же глубин, в виде ледо­стойкой одноопорной самоподъемной балластируемой платформы, в последующем закрепляемой не только за счет балластирования, но и с помощью дополнительно забиваемых свай в донный грунт (рис. 1). На это одноопорное сооружение предлагается попеременно водружать три сменные функциональные палубы: строительно-монтажную, буровую и технологическую, т.е. добычную. При этом последовательность проводимых работ такова: на строительно-монтажной палубе осуществляется закрепление платформы, надежность противостояния льдам которой испытывается первым же ледовым периодом, после чего в период навигации с закрепленного основания эта палуба спускается на воду и вместо нее водружается буксируемая буровая палуба, с которой уже осуществляется бурение необходимого числа скважин. Затем, в следующий навигационный период, буровую палубу таким же образом меняют на добычную, которая уже используется на протяжении всего периода разработки конкретного месторождения (уместно отметить, что такое техническое предложение удостоено диплома Министерства энергетики в 2013 г.). Таким образом, две предыдущие палубы могут быть использованы многократно на последующих мелководных месторождениях, в чем и заключаются преимущества данного технического предложения.
в) Для диапазона глубин 20 – 50 м предлагается использовать известные ледостойкие погружные сооружения гравитационного типа, каковым является стальная платформа Приразломная (габаритами 106х106 м), установленная в Печорском море. Заметим, что на всех вышепредложенных технических сооружениях могут быть использованы традиционные верхние строения и широко применяемая ныне технология «надводного» бурения скважин.
г) Начиная с глубин 50 – 70 м и до 120 – 130 м, по нашему мнению, уже необходимы подводные погружные сооружения, чтобы исключить воздействие на них ледовых нагрузок, противостоять которым технически весьма сложно, да и экономически неоправданно. Эти платформы непосредственно устанавливаются на морском дне или на специально изготовленных «подставках» в виде известных темплитов. Такие сооружения должны изготавливаться в судостроительных доках с дальнейшей их буксировкой на точки и последующим балластированием (затоплением) специально для этого предусмотренными балластными отсеками/емкостями на морское дно.
д) Для диапазона глубин 120 – 300 м мы предлагаем использовать подводные плавучие сооружения, связанные с морским дном с помощью прочных гибких связей (цепей и канатов).
По ранее проведенным нами расчетам сравнительной металлоемкости традиционной ледостойкой стационарной платформы (с надводными верхними строениями) (на глубине 300 м) с подводной плавучей (на глубине 50 – 70 м) или же погружной платформой (в незамерзающих и замерзающих морях) показали, что металлоемкость подводного плавучего сооружения в 3 – 5 раз ниже металлоемкости стационарного сооружения ферменной конструкции.
е) На глубинах свыше 300 м и более мы предлагаем создать подводные плавучие сооружения [2], удерживаемые на заданной точке месторождения с помощью известной системы динамического позиционирования. По существу, это суда, но округло-сплюснутой конфигурации (в отличие от присущей традиционным судам вытянутой обтекаемой формы), которая совершенствовалась многие десятилетия ради повышения скорости передвижения наряду со снижением сопротивления водной среды. На наш взгляд, такая шаровидная и несколько сплюснутая по вертикали форма наиболее оптимальна для «статических» сооружений, создаваемых для постоянного/длительного пребывания на заданной точке (месторождения). При этом следует отметить, что в подводных условиях энергозатраты на удержание судна в заданной точке неизмеримо меньше по сравнению с традиционным надводным положением того же судна.
Авторская концепция подводного плавучего нефтегазового сооружения

На рис. 2 представлена концептуальная схема подводного плавучего нефтегазового сооружения. По нашим представлениям, (с использованием существующих ныне технологических средств) его возможные примерные габариты могут быть: диаметр основного корпуса – 80 – 100 м, высота корпуса (общая) – 35 – 50 м, диаметр нижнего основания вышки – 10 – 12 м, диаметр верха вышки – 3 – 4 м, высота вышки – не более 36 м, высота общеинженерного модуля – 10 – 12 м; диаметры двух круговых тороидальной формы секционированных балластных емкостей – 5 м (одна из которых предназначается для погружения на заданную глубину, а другая – для исключения крена, связанного с возможными изменениями локально сконцентрированных масс при хранении запасов труб различного назначения; причем эти массы неизменно будут уменьшаться по мере строительства эксплуатационных скважин). Следует особо подчеркнуть, что погружение ниже уровня моря следует осуществлять примерно до глубин 100 м. Эта глубина, по фундаментальным гидрологическим исследованиям ААНИИ на акваториях СЛО, исключает всякое возможное пребывание любых ледовых образований, а, следовательно, и их воздействие на наше сооружение. Поэтому полагаем, что подобное сооружение должно находиться на вышеуказанной глубине независимо от глубин моря, поскольку с дальнейшим погружением необходимо будет повышать прочность герметичной обшивки сооружения, что, естественно, повысит металлоемкость сооружения в целом (вплоть до потери ее плавучести).

С ростом глубин расход материалов на создание ледостойких стационарных сооружений возрастет настолько, что затраты не смогут окупиться. В связи с этим, естественно, возникает необходимость создания новых подводных нефтегазодобывающих сооружений, включая и создание подводной технологии бурения самих скважин, поскольку в ледовый период традиционные буровые суда (даже ледового класса) не смогут бурить целый куст эксплуатационных скважин

Мы предлагаем универсальную для любых глубин моря оптимальную глубину погружения в 100 – 120 м, позволяющую надежно исключить ледовые воздейст­вия, являющиеся основным препятствием освоению длительно замерзающих акваторий. Уйдя под опасный уровень ледовых воздействий, мы получаем практически стабильную круглогодично изотермическую безволновую среду, позволяющую использовать эти преимущества.
И если сейчас традиционные надводные плавучие сооружения на незамерзающих морях, несмотря на периодические штормовые условия, позволяют успешно осваивать месторождения нефти и газа на глубинах моря свыше 2000 м, то и мы можем преодолеть возникающие на этом направлении новые сложные проблемы, не погружаясь ниже 100 – 120 м.

Для диапазона глубин 20 – 50 м предлагается использовать известные ледостойкие погружные сооружения гравитационного типа, каковым является стальная платформа Приразломная

Предлагаемая для пребывания подводных нефтегазовых сооружений глубина отличается следующими неоспоримыми преимуществами:
– судно не будет испытывать волновых и ветровых нагрузок, а лишь будет находиться под давлением 100-метровой глубины и воздействием относительно стабильного во времени подводного течения;
– на этой глубине судно будет находиться в условиях практически постоянной температуры, что, безусловно, также будет способствовать повышению технологической безопасности и надежности корпуса судна;
– температурная стабильность окружающей среды положительно отразится на возможности осуществления круглогодичного бурения (не будет длительных сезонных пауз);
– энергозатраты на судне будут значительно меньше по сравнению с таким же судном, находящимся на границе раздела двух сред (воды и воздуха) под воздействием переменных нагрузок, как во времени, так и по интенсивности воздействия;
– указанные энергозатраты будут осуществляться уже существующими для надводных ППБУ движителями, предназначенными для динамического позиционирования и удержания судна на заданной точке;
– в отличие от военных подлодок корпус нефтегазового судна по своей форме должен быть близким к слегка сплюснутой по вертикали сфере, чтобы в ее центре, который должен быть отдельным модулем, находились устья скважин, а вокруг устьевого модуля попеременно должны быть размещены сперва модули бурового назначения, а также модули технологического/добычного, энергетического, жилого, вспомогательного и складского предназначения;
– поскольку на предлагаемых глубинах корпуса отдельных модулей не будут испытывать экстремальных внеш­них воздействий, они могут быть рассчитаны лишь на давление не свыше 2 МПа (взято с двойным запасом!); более того, возможно, такие корпуса в перспективе могут быть изготовлены из легких водостойких композитных материалов, рассчитанных не только на длительное пребывание в морской воде, но и на возможность их ремонта в подводных условиях; кроме того, с целью повышения безопасности, учитывая постоянство подводного пребывания, эти корпуса должны быть двойными с заполнением межстенного пространства инертным газом под небольшим давлением (примерно в 0,5 МПа) с целью возможности выявления утечек;

Начиная с глубин 50 – 70 м и до 120 – 130 м, по нашему мнению, уже необходимы подводные погружные сооружения, чтобы исключить воздействие на них ледовых нагрузок, противостоять которым технически весьма сложно, да и экономически неоправданно.


– долговечность нефтегазовых плавучих подводных сооружений. В силу перечисленных достоинств они обладают еще одним преимуществом по сравнению со стационарными – их можно будет использовать как минимум вторично на других подобных объектах.

Новый взгляд в будущее

Безусловно, постоянное пребывание нефтегазовых сооружений в подводных условиях с проведением там буровых работ и дальнейшей эксплуатацией скважин создает ряд новых технических и технологических задач, без разрешения которых многие из наших предложений невозможно будет осуществить.
Здесь же уместно будет заметить, что, учитывая специфичность функциональных операций бурения и эксплуатации скважин, предлагаемые нами новые подводные технические средства, по нашему мнению, корректнее называть нефтегазовыми добычными/буровыми сооружениями, а не судами (тем более, что в свое время закон Архимеда был сформулирован по более прагматичным на то время соображениям, а вовсе не определяется потребностями судостроения).
Конечно, приведенные диапазоны глубин не следует абсолютизировать; они достаточно условны: локальная ледовая обстановка, характеристика донных грунтов, гидрометеорологические и гидрологические условия могут в конечном итоге определять возможность использования тех или иных гидротехнических сооружений.

Для диапазона глубин 120 – 300 м мы предлагаем использовать подводные плавучие сооружения, связанные с морским дном с помощью прочных гибких связей (цепей и канатов).

Высказанные предложения в ближайшее десятилетие станут неотвратимыми, и, возможно, с более оптимальными конструктивными поправками, поэтому уже сегодня следует приступить к поискам новых адекватных технических решений на этом пути. Прежде всего, на наш взгляд, следует использовать (с необходимой адаптацией к нашим условиям) все современные достижения отечественного подводного военно-морского флота в части энергоснабжения (преимущественно ядерного профиля), многообразные вспомогательные системы: водоснабжения (раздельно питьевой, технической и хозяйственной воды), теплоснабжения, удержания сооружения в строго горизонтальном положении путем авторегулирования балласта в секционированных тороидальных емкостях. Причем в целях повышения безопасности и управления производственным процессом энергоснабжение, возможно, следует изолировать от основного нефтегазопромыслового сооружения в виде автономной, по существу полностью самостоятельной плавучей подводной установки.
Следует также подчеркнуть, что в подводном сооружении необходимо создать воздушную среду, аналогичную обычным условиям жизнедеятельности персонала, т.е. давление внутри сооружения должно соответствовать 750 – 760 мм рт.ст., т.е. быть нормобарическим [4]. Условия для создания и поддержания данного давления внутри сооружения будут обеспечиваться прочным корпусом подводного сооружения, иначе воздушная смесь должна быть другого состава и, следовательно, работоспособность обслуживающего персонала будет ограничена. Как показал многолетний опыт эксплуатации подводных лодок, такая система вполне осуществима и надежно функционирует в подводных лодках. В отличие от подводных лодок военного назначения, в отдельных отсеках/помещениях нашего подводного сооружения, например, в устьевом модуле, где могут иметь место утечки метана в помещении (независимо от мер по усилению вентиляции), возможно, с целью повышения безопасности и предотвращения взрывов, следует повысить содержание азота. Для реализации этого вход/выход в это помещение должен быть снабжен тамбуром, а персонал в нем может работать в легких противогазах, причем в ограниченные промежутки времени.

На глубинах свыше 300 м и более мы предлагаем создать подводные плавучие сооружения, удерживаемые на заданной точке месторождения с помощью известной системы динамического позиционирования.

В заключение следует отметить, что в связи с необходимостью пребывания подобных нефтегазовых сооружений в подводной среде перед нашими специалистами возникнет много новых задач. Поэтому уже сегодня следует искать не только пути и способы адаптации современных технологий к подводным условиям, но и заново создавать оригинальные технологии и средства подводного бурения, добычи, обработки пластовой продукции и ее транспорта с наименьшими издержками.

Литература

1. Патент № 2499098 РФ. Ледостойкая самоподъемная платформа для замерзающего мелководья / Ч.С. Гусейнов и др.; опубл. 20.11. 2013
2. Патент № 2517285 РФ. Подводное сооружение для бурения нефтегазовых скважин и добычи углеводородов и способы его транспортировки, монтажа и эксплуатации / Ч.С. Гусейнов и др. ; опубл. 03.12.2012.
3. Ба Поиде Серж, Гусейнов Ч.С. Влияние волн на подводное плавучее сооружение // Труды РГУ нефти и газа им. Губкина, вып.1, 2014.
4. Гусейнов Ч.С., Кириченко А.А. О регенерации воздуха в подводном нефтегазовом сооружении // Бурение и нефть. 2015. № 1. С. 30 – 32.

References

1. Patent No. 2499098 of the Russian Federation. Ice-resistant Jack-up platform for freezing shallow water / Ch.S. Huseynov ets.; publ. dd. 20.11. 2013
2.// Patent No. 2517285 of the Russian Federation. Underwater structure for drilling oil and gas wells and production of hydrocarbons and the ways of its transportation, installation and operation / Ch. S. Huseynov ets.; publ. dd. 03.12.2012.
3. Ba Poide Serge, Huseynov Ch.S. Effect of waves on underwater floating structure // Works of the Russian state university of oil and gas named after Gubkin, vol. 1, 2014.
4. Huseynov Ch.S., Kirichenko A.A. Regarding regeneration air in the underwater oil and gas construction // Drilling and oil. 2015. No. 1. Pp. 30 – 32.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Гусейнов Ч.С.

    Гусейнов Ч.С.

    д.т.н., профессор кафедры автоматизации проектирования сооружений

    РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина

    Надеин В.А.

    Надеин В.А.

    Инженер

    ООО «НГБ-Энергодиагностика»

    Просмотров статьи: 690

    Rambler's Top100

    admin@burneft.ru