Морські платформи та особливості їх будівництва
Розміри споруди для освоєння родовищ визначаються природними умовами залягання нафти і газу та стратегією їх освоєння.
Конструкція платформи й розміри її, за яких проводиться буріння, залежать від глибини залягання родовища під дном. Чим глибше розміщений продуктивний пласт, тим більша площа його може бути розбурена з однієї платформи. При глибокому заляганні родовища потрібно споруджувати невелику кількість великих платформ, призначених для буріння й обслуговування великої кількості свердловин. Тип і розміри споруди залежать також від глибини моря в місці експлуатації, віддаленості від берега, зовнішніх навантажень та інших факторів.
Конструювання гідротехнічних споруд нафтопромислового призначення проводять з урахуванням вимог:
ü ефективності (конструкція МСП повинна відповідати своєму призначенню);
ü надійності (конструкція і всі елементи повинні без пошкоджень протистояти всім діючим навантаженням);
ü довговічності (повинна бути забезпечена безвідмовна робота всіх бурових агрегатів);
ü технологічності (при конструюванні повинні бути передбачені зручності експлуатації й огляду конструкцій);
ü економічності (витрати на її конструювання, виготовлення повинні бути мінімальними);
ü естетичності (конструкція має відповідати вимогам технічної естетики).
Перераховані вимоги необхідно розглядати в комплексі.
Розробляються і впроваджуються методи організації та управління конструкторськими роботами, все ширше використовується системний підхід до розв’язання проектних завдань засобами наукового аналізу, впровадження автоматизованих систем проектування.
Завдання складається замовником і повинно в себе включати:
ü вихідні дані для розрахунку МСП, які складаються з даних, що характеризують топографію морського дна в місці встановлення МСП, глибину моря, характеристику ґрунтів, а також дані про навколишнє середовище;
ü технологічні і технічні дані буріння: кількість бурових установок, глибину свердловин, допустиме навантаження на гак, масу обсадної й бурильної колон, привідну потужність бурової лебідки та бурових насосів, основні технічні дані решти бурового обладнання, характеристику бурових розчинів, об'єми сипучих матеріалів для приготування бурових і тампонажних розчинів, типи та кількість хімічних реагентів, необхідний об'єм палива й пально-мастильних матеріалів, об'єми питної і технічної води та інші дані, які повинні забезпечувати нормальну роботу бурової установки;
ü додаткові дані: кількість обслуговуючого персоналу, системи опалення, тиск повітря в системах управління, розміщення платформи відносно рози вітрів і хвиль, глибини моря тощо. Особливістю гідротехнічних споруд континентального шельфу є те, що вони будуються й експлуатуються в умовах, коли навантаження, викликані природними факторами, дуже великі, особливо при значних глибинах установлення споруди.
До гідротехнічних споруд континентального шельфу висувають підвищені вимоги щодо надійності в зв'язку з тим, що на них постійно знаходиться обслуговуючий персонал.
Морські гідротехнічні споруди залежно від призначення діляться на основні і другорядні. До основних відносяться такі, що вихід їх із ладу призводить до порушення нормальних умов роботи (експлуатації) всього комплексу, до другорядних, які не порушують роботи всього об'єкта. Залежно від розмірів, діючих на них навантажень і наслідків руйнування гідротехнічні споруди континентального шельфу діляться за класами капітальності.
Весь період існування бурової вежі в процесі експлуатації на континентальному шельфі складається з таких етапів:
ü будівництво на береговій базі: на цьому етапі виконуються роботи, пов'язані з виготовленням і монтажем окремих конструктивних блоків або споруди в цілому;
ü транспортування до місця встановлення;
ü установлення закінчення будівництва;
ü експлуатація вузлів та агрегатів бурової вежі.
ü демонтаж.
Для кожного з етапів повинні бути розглянуті відповідні розрахункові випадки, при яких споруда працюватиме у вигідніших умовах. Цим забезпечується надійна робота споруди протягом усього періоду її існування.
Споруди континентального шельфу мають розраховуватися, як правило, за методом граничного стану, але часто доводиться проектувати споруду, що буде працювати в умовах складного напруженого стану, для котрого ще не розроблені способи визначення зусиль і деформацій з урахуванням непружних характеристик матеріалу конструкції споруди та її основи. В цих випадках допускається проводити розрахунок за припустимими напруженнями.
Такий стан, при якому споруда або її основа перестає задовольняти задані вимоги на всіх етапах будівництва й експлуатації споруди, називається граничним.
Граничний стан підрозділяється на дві групи. Перша група включає граничний стан, який веде до втрати несучої здатності чи повної непридатності конструкції або її основи до експлуатації.
Друга група включає в себе граничний стан, що утруднює нормальну експлуатацію споруди і її основи.
До граничного стану першої групи відносяться:
ü загальна втрата стійкості вежі в цілому;
ü втрата стійкого положення;
ü перехід у змінну систему;
ü якісна зміна конфігурації;
ü стан, при якому виникає необхідність зупинення експлуатації в результаті текучості матеріалу, зсуву в з'єднаннях, повзучості або надмірного розкриття тріщин.
До граничного стану другої групи належить те, що є недопустимим згідно з умовами нормальної експлуатації:
ü деформації конструкцій або осадки;
ü коливання конструкції;
ü зміна положення;
ü утворення тріщин.
Оцінку досягнення граничного стану проводять, виходячи з умови
ncNp ≤ Rpm/Kн,
де пс ‑ коефіцієнт сполучення навантажень (приймають для основного сполучення рівним 1, для особливих сполучень ‑ 0,9, у період будівництва ‑ 0,95;
Np ‑ розрахункове значення узагальненої силової дії;
Кр ‑ розрахункове значення узагальненої несучої здатності споруди;
т ‑ коефіцієнт умови роботи, який ураховує вид граничного стану, тип споруди;
Кп ‑ коефіцієнт надійності, який ураховує ступінь відповідальності (приймається для першого класу рівним 1,25; для другого класу ‑ 1,2; для третього класу ‑ 1,15; для четвертого класу ‑ 1,1).
Розрахунок несучої конструкції та основ повинен бути проведений для всіх етапів існування споруди з урахуванням відповідних рівнів навантажень, які визначаються на основі аналізу. Залежно від тривалості дії навантаження гідротехнічні споруди розподіляються на постійні і тимчасові.
Тимчасові можуть бути довготривалими, короткочасними й особливими.
Пальові фундаменти є однією з найбільш важливих частин конструкції платформ наскрізного типу, і вони можуть бути виконані у вигляді:
ü одиноких паль, які занурюють у грунт через стійки опорних блоків;
ü групових паль, що мають кругове розміщення в плані, які занурюють у грунт через спеціальні направляючі й пальові обойми.
На сьогодні найбільше розповсюдження дістали палі наступних типів: забивні; бурозаливні; з розширенням.
Найбільш поширеними, особливо в закордонній практиці, при всіх видах ґрунтів, крім скальних, є забивні.
Такі палі виконуються з металевих труб. Розрахункова довжина палі досягається шляхом стикування за допомогою зварювання окремих секцій. Найбільшу міцність мають безшовні труби. При наявності сучасного пальозабивного обладнання металеві трубчасті палі вдається швидко забивати на проектну глибину. Нижні кінці паль залишають відкритими, а після закінчення їх забивання ґрунт піднімають на поверхню і заповнюють той простір цементним розчином та бетоном, що в 2-3 рази підвищує міцність палі. У випадку, коли проходить відмова при забиванні палі до того, як вона дійде до проектної глибини, вживають спеціальних заходів для її подальшого забивання. Це може бути чергування забивання з розбурюванням. Так, діаметр свердловин, які бурять нижче від торця вже забитої палі, не повинен перевищувати 75% діаметра палі при глинистих ґрунтах і 50% при піщаних; вибій свердловини має знаходитися не менше ніж на 3-4,5 м вище від проектної глибини забивання палі. В деяких випадках застосовують двоступеневе забивання паль: першу зовнішню палю забивають до заданої відмітки, потім розбурюють ґрунтове ядро, яке утворилось у середині палі, і через утворений простір забивають другу палю меншого діаметра.
Для забезпечення сумісної роботи обох пальових елементів кільцеву щілину між стінками труб цементують, а верхні кінці зварюють один з одним. Щілину між вставною палею і стінкою свердловини цементують. При цьому рекомендується, щоб ця щілина була не меншою, ніж 75 мм.
Складні геологічні умови, що зустрічаються на морських родовищах, часто не дозволяють застосовувати забивні палі. В зв'язку з цим широке застосування дістали бурозаливні палі.
Для встановлення бурозаливної палі в ґрунті до глибини, передбаченої проектом, бурять свердловину діаметром на 150-200 мм більшим від діаметра палі. Потім у свердловину опускають палі і проводять цементування. Крім такої простої схеми, застосовують бурозаливні палі комбіновані, які складаються із декількох концентрично розміщених труб. Трубу великого діаметра забивають у верхні шари ґрунту, вона служить водовідділяючою колоною та є одночасно направляючою при бурінні свердловини під палю.
Сучасні способи цементування паль передбачають можливість подачі розчину під високим тиском, що підвищує несучу здатність палі в 2-2,5 разу.
Для забезпечення сумісної роботи стовбура палі і його розширення в розбурену частину перед цементуванням порожнини встановлюють металевий анкер.
Розрахунок пальових основ проводять із граничних станів двох груп:
а) в першій групі: з міцності конструкцій паль; із несучої здатності ґрунтів основ;
б) у другій групі: осадку від вертикальних навантажень.
При розрахунках граничного стану першої групи зусилля або напруження N, які залежать від розрахункових навантажень, не повинні перевищувати величини несучої здатності ґрунту основи або опору матеріалу палі R0 з урахуванням коефіцієнтів умови роботи m і надійності Кн
N≤Ф, N≤R0.
Значення всіх величин, які входять у цю формулу, визначаються залежно від розрахункової схеми, матеріалу конструкції палі, виду ґрунту і способу проведення робіт за відповідними нормативними документами.
Розрахунок пальових фундаментів за деформаціями виконується з умови задоволення виразу
S≤ Sгр,
де Sгр ‑ гранично допустима величина деформації;
S ‑ розрахункова величина деформації.
Залежно від сприйняття навантаження палі ділять на стояки і висячі палі.
Палі-стояки передають навантаження нижніми кінцями на стискуючі ґрунти.
Висячі палі передають навантаження на грунт основи боковою поверхнею і нижнім кінцем.
Несучу здатність висячої палі Р0 визначають як суму розрахункових опорів ґрунтів основи під нижнім кінцем палі Рк і на її боковій поверхні Рт
Р0=Рт +Рк.
Граничне значення Рт досягається при z =0,01 d палі, а граничне значення Рк ‑ при z = (0,5-0,1) d палі.
Відносну поздовжню деформацію в будь-якому рівні висоти палі можна отримати з виразу
Nz=EA dωz/dz,
де Е ‑ модуль пружності матеріалу палі;
А ‑ площа поперечного перерізу палі;
Nz ‑ осьове зусилля, яке діє в точці з ординатою z;
Wz ‑ вертикальне переміщення в тій же точці.
Диференціюючи вираз за Z, отримаємо
dNz/dz=EA d²ωz/dz².
Зміна величини сили dNzна ділянці дz дорівнює силам бокового тертя палі об грунт на тій же ділянці
dNz=SzCdz,
де С ‑ периметр палі; Сz= ВzWz ‑ питома сила тертя по боковій поверхні палі.
Крім одиноких паль, широко застосовують групові палі, коли їх осі розміщені на відстані, меншій ніж 8dп одна від одної.
Розвантаження й встановлення блоків у вертикальному положенні проводять у декілька етапів: розвантаження опорної частини МСП і встановлення її у вертикальне положення; закріплення блока палями на морському дні; монтаж верхньої будови та модулів.Технологія розвантаження бурового обладнання й установлення його у вертикальне положення не залежить від його висоти і ваги.
Плавучий кран повинен мати доступні розміри, щоб надійно виконати всі операції при повороті плаваючого моноблока з горизонтального у вертикальне положення та утримувати моноблок на плаву доти, поки він не буде встановлений і вивірений у потрібному положенні, яке контролюється системою управління. Зі збільшенням глибини технологія спускання моноблока має деякі особливості. Так, якщо маса глибоководного моноблока дуже велика, то він повільніше реагує на дію хвиль, ніж кран, який знаходиться на плаву. Ця різниця в гідродинамічній реакції крана і моноблока може створювати додаткові динамічні навантаження на кран, що є дуже небезпечним при проведенні робіт при встановленні моноблока на місце. Після встановлення моноблока на місце його закріплюють палями.
Монтаж блоків бурових та нафтопромислових споруд не є новим. Особливістю його в морському нафтопромисловому будівництві є застосування більш масивних і великих габаритів блоків.
Широкий розвиток модульне будівництво в морі дістало у зв'язку з тим, що в морських умовах вартість будівництва нафтопромислових об'єктів обходиться в 5-10 разів дорожче, ніж на суші, а трудомісткість будівництва і монтажу агрегатів безпосередньо на місці роботи платформи в морі через великий обсяг будівельно-монтажних робіт, погодні умови та інші фактори дуже висока.
Виготовлення модулів великої маси ускладнює їх транспортно-навантажувальні операції. Тому в більшості випадків маса модулів складає 500-800 тонн.
Розміри і кількість модулів визначають числом свердловин, кількістю бурових установок, що передбачається бурінням із даної платформи, очікуваним дебітом та іншими заходами.
Розміщення модулів на платформі може бути одно-, дво- й більш поверхове. Встановлення їх на платформі може проводитись в один або два етапи. На першому етапі основне призначення платформи ‑ буріння свердловин і забезпечення видобутку нафти. На другому етапі, після закінчення буріння куща свердловин, бурове обладнання знімається з форми, і на його місце встановлюють модулі з додатковими технологічними установками, які включають: установки для підготовки та утилізації газу, який на першому спалюють на факелі, установки підготовки і закачування води в пласт, установку для капітального ремонту свердловин, обладнання газліфта й ін. (рис. 2.13).
На верхньому рівні кожного робочого майданчика встановлені бурова вежа, бурова лебідка, ротор і інше обладнання.
На нижньому рівні розміщують резервуари для бурового розчину з віброситами, пісковідділювачі, муловідділювачі, дегазатори.
Вертикальний робочий майданчик призначений для приймання вертольотів. На майданчику передбачено облицювання проти ковзання, запобіжна сітка, світлова сигналізація і протипожежний захист.
Комплекс технологічного обладнання для видобутку та підготовки нафти і газу на МСП установлюють на платформі на другій стадії. Він забезпечує роботу з видобутку і підготовки нафти й газу за такою схемою: продукція із свердловини через гирлову арматуру поступає в маніфольд, який складається із чотирьох розподільних ліній: двох технологічних; однієї ‑ низького тиску і однієї лінії випробування та очистки свердловини. Надходження із кожної свердловини нафти та газу регулюється засувками.
Розвідування і розроблення нафтових горизонтів, залягаючих під дном моря, залежно від умов може бути проведене різними способами. Основною проблемою при проведенні робіт у морі до останнього часу було створення виробничого майданчика, з якого ведуться всі роботи з буріння свердловин і добування нафти.
У наш час більш широко за кордоном застосовується новий метод буріння ‑ буріння з плаваючих суден. Основною відмінністю морського буріння з плаваючих суден є те, що гирло свердловин обладнується на дні моря і поєднане з судном за допомогою водозахисної колони, встановлення якої дозволяє здійснювати технологію буріння морських свердловин, що мало чим відрізняється від технології буріння свердловин на суші.
Конструкції морських свердловин на дні моря до проектного горизонту аналогічні конструкціям свердловин на суші, через це умови роботи, діючі на обсадні колони навантаження, і методика розрахунку нічим не відрізняються від наведеної вище методики розрахунку конструкцій свердловин при бурінні на суші.
Насамперед через специфіку навколишнього середовища розраховується водозахисна колона водозахисного кондуктора, яка знаходиться під впливом додаткових деформацій через переміщення судна під впливом вітру, хвиль та морських течій, а також під безпосереднім впливом хвиль і течій на колону.
Рис. 2.13. Схема розміщення модулів на платформі:
1 ‑ допоміжне обладнання; 2 ‑ електророзподільний пристрій;
3 ‑ гирлове обладнання; 4 ‑ бурові і допоміжні насоси, система очищення бурових розчинів; 5 ‑ бункери й чани для зберігання сипучих матеріалів; 6 ‑ чани для зберігання цементу, дизельного палива, води; 7 ‑ обладнання для
підготовки та транспортування нафти; 8 ‑ обладнання для очищення газу;
9 – дизель-генераторна установка; 10 ‑ бурова вежа; 11 ‑ кран;
12 – вертолітний майданчик; 13 ‑ насоси; 14 ‑ телевізійна вежа
Переміщення судна, а також безпосередній вплив хвиль та течій на водозахисну колону приводять до виникнення в трубах додаткових згинальних моментів та осьових сил. Найбільш навантаженими є кінцеві ділянки водозахисної колони, закріплені на судні і на дні, якщо там між обладнанням підводного гирла не встановлений спеціальний еластичний перевідник або механічний шарнір.
Напруження в трубах може бути виражене у вигляді
δ(z)=N(z)/F+M(z)/W,
де N(z) і М(z) – відповідно осьові сили та згинаючий момент, що діють у будь-якому перерізі колони;
F і W – площа та осьовий момент опору перерізу труб у колоні.
Осьова сила N(z) являє собою силу власної ваги, інерційні сили та сили, що виникають у результаті вертикальних коливань судна. Дію двох останніх сил можна звести до мінімуму за рахунок установлення компенсаторів, які є невід’ємною конструктивною ланкою водозахисної колони.
Згинаючий момент M(z)=Mα(z)+М∆(z)+Mλ(z) виникає при крені судна Mα(z), при горизонтальному переміщенні судна М∆(z) і безпосередньо від поперечних сил хвильового напору й морської течії, що діють на водозахисну колону, Mλ(z).
Таким чином, для визначення напружень, які виникають у водозахисній колоні, необхідно розглянути поздовжньо-поперечний згин колони, що знаходиться під впливом сил власної ваги та поперечних сил.
Крім указаних видів навантажень, водозахисна колона знаходиться під внутрішнім збитковим гідростатичним тиском, який викликаний різницею питомої ваги глиняного розчину в середині колони і морської води зовні. Наявність хвильових навантажень відбивається на характері напружень у колоні, які є циклічними. Розрахунок напружень виконується окремо для кожного навантажуючого фактору, згідно зі схемою, запропонованою „Гіпроморнафтою”, що дає змогу оцінити вплив кожного виду навантаження і за необхідності визначити межу для кожного з них.