книги из ГПНТБ / Капустин, К. Я. Плавучие буровые установки и буровые суда
.pdfК. Я. КАПУСТИН
ПЛАВУЧИЕ
БУРОВЫЕ УСТАНОВКИ
И БУРОВЫЕ СУДА
ИЗДАТЕЛЬСТВО « НЕДР А »
Москва 1974
УДК (
ЭТОЛМО * |
Ь г |
ЭКЗ.^| Jr г*
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА I
W - M 5 ¥ 9
Капустин К. Я. Плавучие буровые установки и буровые суда.
М., «Недра», 1974, с. 240.
В книге приведен актуальный материал по проблеме освоения морских нефтяных и газовых месторождений с помощью плавучих буровых установок. Рассмотрены теория, расчет и проектирование плавучих буровых установок и буровых судов, а также отдельные вопросы по автоматическим системам управления, расчетам гибких стержней и колебаниям систем.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников кон структорских бюро и научно-исследовательских институтов пред приятий нефтяной и судостроительной промышленностей. Она может представлять интерес для специалистов, работающих в области колебаний и автоматического регулирования систем.
Табл. 17, ил. 109, список лит. -—54 назв.
|
30803—217 |
© Издательство «Недра», 1974 |
|
К |
043( 01)—74 202-74 |
||
|
В В Е Д Е Н И Е
Значительное развитие производительных сил и техники за последние десятилетия во всем мире вызвало огромный спрос почти на все виды полезных ископаемых. Но наиболее интенсив ные ни перед чем не останавливающиеся поиски ведутся на всех континентах для обнаружения и добычи нефти. И действительно, трудно себе представить на минуту мир машин и химию без нефти и газа — самых дешевых, универсальных и транспортабельных видов горючего и сырья.
В связи с этим понятны те усилия, которые прилагаются для поисков нефти в пустынях Сахары и ледовых просторах Аркти ки за сотни километров от обжитого места. Несмотря на все труд ности ведется разработка месторождений нефти в Закаспийских песках Небит-Дага и полуострова Мангышлак, в необжитых мес тах суровой Сибири и Сахалина.
В конце сороковых и начале пятидесятых годов на Каспийском море и в Мексиканском заливе было предпринято широкое наступ ление на морские залежи нефти, которые успешно завершились созданием морских нефтепромыслов. Морские эстакады, индиви дуальные и плавучие основания для бурения разведочных и эк сплуатационных скважин, подводные трубопроводы и парки то варной нефти, целые города в море — это реальность сегодняшнего дня.
Разведка и добыча нефти ведутся в настоящее время у берегов 46 стран на всех континентах как на морских акваториях, так и на внутренних озерах. Наиболее интенсивно ведется работа в Мексиканском и Персидском заливах, в Каспийском и Северном морях и на озере Моракаибо. Происходит непрерывный рост до бычи нефти с морских акваторий. В 1960 г. в море было добыто 60 млн. т нефти, что составило только 8% от общей добычи в
мире, в 1965 г.— 265 млн. т (16% |
всей добычи), в 1971 г.— |
454 млн. т (19,2%). По прогнозам |
зарубежных специалистов к |
1985 г. удельный вес добычи нефти |
в море достигнет 35—40% |
уровня всей мировой добычи. |
|
3
Площадь мирового континентального шельфа, т. е. прибреж ного участка моря глубиной 200 м, составляет 28,7 млн. км2, за пасы нефти оцениваются в 95 млрд. т.
СССР имеет шельф площадью 8 млн. км2. Уже сейчас более половины нефти Азербайджана добывается на море. Ведутся так же разработка месторождений нефти на восточном берегу Каспий ского моря, поиски газа и нефти на Черном, Азовском и. Охотском морях. Не исключено открытие месторождений нефти и газа на других морях и внутренних водохранилищах нашей страны. Из этих данных виден размах производимых на море работ по разведке и добыче нефти, видны усилия, которые прилагаются для освоения природных богатств шестого континента — моря.
Специфические условия работы в море позволили при освое нии нефтяных месторождений широко использовать целый флот различных передвижных сооружений, с помощью которых произ водятся разнообразнейшие работы при строительстве нефтепро мыслов. К ним относятся плавучие буровые установки и буровые суда для бурения разведочных и эксплуатационных скважин. Вследствие высокой мобильности и автономности их применение оказалось чрезвычайно эффективным, несмотря на значительную первоначальную стоимость.
Плавучие платформы могут быть использованы также в каче стве маяков, метеорологических станций, военных пунктов наблю дения и для исследований морского дна.
Об эффективности применения плавучих буровых установок (ПБУ) может служить пример плавучего основания, построенного на Каспии для структурно-поискового бурения в 1959 г. За один год эксплуатации ПБУ пробурено 22 скважины, общая проходка составила 14 тыс. м, т. е. 1200 м на станок в месяц, в то время как на стационарных индивидуальных основаниях проходка состав ляет 400 м на станок в месяц. Производительность труда увеличи лась в 3 раза. Годовая экономия составила 8 млн. руб., а метал ла — более 2 тыс. т, который пошел бы на постройку стационар ных оснований. ПБУ окупила свою первоначальную стоимость за
первые три месяца эксплуатации. |
из |
них, БС |
Не менее успешна работа буровых судов. Одно |
||
«Сокол», ведущее геологическую разведку в море, |
за 10 |
месяцев |
1960 г. пробурило 140 скважин со скоростью 1600 |
м на станок в |
|
месяц. |
|
|
За рубежом для выполнения необходимого объема разведоч ного и эксплуатационного бурения в основном используют пере
движные плавучие |
буровые |
агрегаты: при глубине моря |
до |
|
100 м — ПБУ, |
при |
большей |
глубине моря — буровые суда и |
по- |
лупогружные |
установки. К |
настоящему времени построено |
273 |
подобные установки; из 214 находящихся в эксплуатации единиц
108 (50%) составляют |
самоподъемные |
установки |
ПБУ, 56 |
|
(27%) буровые |
суда, |
50 (23% )— полупогружные |
установки. |
|
В строительстве |
находятся 59 единиц, из |
них 39 (66%) полупо |
4
гружные установки, 14 (24%) самоподъемные ПБУ и 6 (10%) буровые суда.
Для обеспечения флотом этих установок за рубежом (в США, Голландии, Японии, Норвегии и Франции) было признано целесо образным создание целой отрасли кораблестроения, позволяющей во все возрастающем количестве производить плавучие буровые агрегаты. Нефтяные фирмы проводят многолетние программы на учно-исследовательских и экспериментальных работ по разработ ке техники и технологии бурения в морских условиях, в которых участвует большое количество предприятий всех отраслей промыш ленности. Программа этих исследований включает в себя также работы по проекту Мохол, связанные с бурением сверхглубокой скважины на дне океана до слоя Мохоровича с целью научных изысканий строения земной коры. Стоимость только этой програм мы оценивается в 400 млн. долларов, к ее разработке привлечены Академия наук, университеты и крупнейшие лаборатории США. Практическое и научное значение всех этих работ трудно перео ценить.
Создание первых действующих плавучих буровых агрегатов относится к концу сороковых и началу пятидесятых годов, в пер вую очередь, в Советском Союзе и США, начавших первыми осваи вать морские месторождения.
К первой попытке создания передвижного основания в море относится затапливаемое передвижное деревянное основание братьев Хубецовых, построенное ими в 1937 г. на Каспийском море. Вследствие недостаточной прочности деревянного корпуса основания оно было разрушено штормом после бурения первой же скважины. В 1947 г. инженером Тарасевичем был разработан проект плавучего стального острова, который не был построен. Лишь в 1959 г. на Каспии была построена по проекту Гипроморнефти успешно действовавшая затапливаемая передвижная буро вая установка. Затем в начале шестидесятых годов были сооруже ны также ПБУ с опорными колоннами для глубокого разведочного бурения.
Первая ПБУ в США была создана в 1949 г., после чего быстро развивался флот передвижных буровых агрегатов, а к 1957 г. в строю было уже 38 ПБУ.
Первые буровые суда (БС) появились в США и в Советском Союзе почти одновременно, в начале пятидесятых годов. Перво начально они предназначались лишь для неглубокого структурно поискового бурения и геологических изысканий при строительстве гидротехнических сооружений в море. Обычно они переоборудо вались из различных небольших морских судов путем установки обычного бурового станка, предназначавшегося для суши. На Каспийском море для этой цели использовались спаренные кержимы, а позже переоборудовались самоходные суда типа «Багра тион» и буксировщики типа «Скорый» и «Казах».
5
В США в 1956 г. с плавучего судна компанией «Кусе» была пробурена морская скважина. Для этой цели была переоборудо вана морская несамоходная баржа, которая имела центральное расположение устья скважины и обычную сухопутную буровую установку. Позже, в конце 50-х годов, в США был разработан подводный комплекс бурового оборудования, позволяющий бурить глубокие скважины на глубоководных акваториях моря.
Перспектива развития работ по бурению скважин в море с применением ПБУ и БС делает своевременным освещение вопро сов их конструирования, теории и эксплуатации в специальной ли тературе, учитывающей накопленный в отечественной и мировой практике опыт. В книге использованы экспериментальные данные, полученные в отечественных и зарубежных лабораториях, и тео ретические исследования, выполненные автором.
Г Л ABA I
КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАВУЧИХ БУРОВЫХ АГРЕГАТОВ (ПБА)
Плавучие буровые агрегаты (ПБА) в зависимости от способа установки и удержания их на точке бурения делятся на плавучие буровые установки (ПБУ) и буровые суда (БС).
Схема классификации их приведена на рис. 1. |
на о п о р |
||
I. П л а в у ч и е |
б у р о в ы е у с т а н о в к и |
(ПБУ) |
|
н ых к о л о н н а х |
устанавливаются на дно |
моря. |
Устойчивость |
положения таких установок обеспечивается собственным весом. Такая ПБУ состоит из понтона, несущего на себе в плавучем состоянии колонны, буровое и вспомогательное оборудование. На точке бурения опорные колонны опускают на морское дно, и за тем понтон поднимают вверх по колоннам над уровнем моря с помощью специальных домкратов или реечно-шестеренчатых ме ханизмов. При этом колонны вдавливают в грунт на 4—15 м в
зависимости от его несущей способности.
Достоинствами таких установок являются большой диапазон обслуживания глубин моря и пригодность сооружений для строи тельства при значительных глубинах моря (80—100 м).
На слабых илистых грунтах работа этих |
ПБУ представляет |
определенную опасность. |
состоит из надвод |
II. П Б У с з а т о п л я е м ы м п о н т о н о м |
ной конструкции, которая несет на себе все буровое и вспомога тельное оборудование, плавучего понтона и системы, связываю щих колонн. Для установки сооружения на морское дно понтон погружают на дно, надводную конструкцию оставляют на колон нах над водой вне зон действия волн. При погружении понтона его остойчивость достигается следующими средствами: а) стабили зирующими кессонами. В этом случае по углам понтона на высоту погружения ПБУ устанавливают цилиндрические колонны большо го диаметра (5—8 м), связанные с понтоном и рабочей площад кой. Эти колонны в процессе погружения основания на дно обес печивают остойчивость сооружения, создавая положительную
7
метацинтрическую высоту; б) специальными понтонами с теми же задачами, что и кессоны; в) затоплением одной оконечности пон тона и посадки ее на грунт. В это время другая оконечность соз дает ватерлинию, достаточную для устойчивого равновесия ПБУ против опрокидывания. Такие ПБУ имеют выдвижные опоры, которые увеличивают глубину погружения основания.
К достоинствам ПБУ с затопляемыми понтонами относятся простота конструкции в целом и малые удельные давления на грунт (0,3—0,4 кгс/см2), что позволяет использовать эту конструк цию при слабых грунтах.
Рис. 1. Схема классификации плавучих буровых агрегатов.
К недостаткам следует отнести: большие размеры сооружения, особенно на глубинах моря свыше 20 м; интервал обслуживания глубины моря ограничен 10—15 м, независимо от общей глубины погружения; затруднение использования в акваториях с выходом скальных пород на поверхность и при неспокойном рельефе мор ского дна.
III. ПБУ на к о л о н н а х с з а т о п л я е м ы м п о н т о н о м Она состоит из нижнего понтона, верхней рабочей площадки, опорных колонн и специальной конструкции, на которую необходи мо выставить верхнюю рабочую площадку ПБУ над уровнем мо ря. Понтон на плаву несет на себе специальную конструкцию (например, ферменного типа), на которой стоит рабочая площад ка с поднятыми до верху опорными колоннами. Придя на точку бурения, ПБУ опускает колонны на грунт и включает устройство, защемляющее колонны в корпусе рабочей площадки. Затем пон тон погружают, и он по колоннам, как по направляющим, опуска ется на грунт, при этом колонны несколько вдавливаются в грунт
8
от веса рабочей площадки. Колонны специальным устройством защемляются в нижнем понтоне. Этот вид оснований не нашел
широкого применения. |
с у д а (БС) |
во время бурения пребывают |
на |
|
IV. |
Б у р о в ы е |
|||
плаву. Они делятся на два типа. |
принадлежат тендерные суда, |
|
||
К |
первому типу |
сооружений |
|
которые устанавливают только часть необходимого оборудования для бурения. Ротор, буровую лебедку, превентор и вышку монти руют в море на площадке свайного типа или на части крупно блочного основания, все другое оборудование, например, буровые насосы и энергетическую установку — на тендере.
Тендерное судно с помощью якорей швартуется у площадки. С тендера подаются на площадку электроэнергия для питания ле бедки и ротора, трубопроводы глинистого и цементного раство ров, сходни и прочее. В этом случае бурение с тендера ограничи вается только способностью удерживаться у буровой площадки. Тендерные суда нашли широкое применение при бурении в море, особенно в защищенных водоемах.
Ко второму типу относятся буровые суда, которые ведут буре ние на плаву с борта судна. Естественно, при этом все вспомога тельное и буровое оборудование вместе с вышкой размещают на самом судне.
Имеются две разновидности БС, отличающиеся между собой формой корпуса: с обычным корпусом морского судна и со спе циальным корпусом в виде затопляемых ПБУ с колоннами. На точке бурения такие БС погружают так, что понтон оказывается под водой на значительной глубине во избежание волновых на грузок. Эти установки также называют полупогружными буровы ми судами (ПБС).