Результат интеллектуальной деятельности: Способ создания и эксплуатации морской нефтедобывающей платформы

Изобретение относится к гидротехническим сооружениям, в частности к морским гравитационным стационарным многофункциональным платформам и может быть использовано для бурения скважин и добычи углеводородного сырья на мелководных акваториях с сезонным ледяным покровом.

Известен способ проектирования, строительства и эксплуатации морских стационарных платформ с использованием решетчатых гравитационных морских платформ, соединенных между собой свайными морскими эстакадами, для освоения месторождения «Нефтяные Камни» на мелководной акватории Азербайджанского сектора Каспийского моря, включающий строительство поисковых и разведочных скважин, открытие месторождения, проведение инженерно-геологических и гидрографических изысканий на площадках планируемого возведения стационарных платформ и свайных морских эстакад, соединяющих морские платформы с берегом, проектирование и изготовление в заводских условиях ферменных металлоконструкций, их транспортировку на место установки, монтаж и наладку бурового и добычного технологического оборудования, строительство эксплуатационных скважин, добычу и транспортировку углеводородного сырья по трубопроводам, размещенным на свайных эстакадах, на головные береговые сооружения, (см. Гусейнов Ч.С., Иванец В.К., Иванец Д.В. Обустройство морских нефтегазовых месторождений: Учебник для вузов. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003, - С. 9-11).

Недостатками известного способа являются его значительная протяженность (на десятки и даже сотни километров) в море, применимость лишь на мелководных акваториях незамерзающих морей, а также пассивность к просадке (смещению) массива горных пород в результате длительной разработки месторождения, сопровождающейся креном и погружением платформы под воду, выходом из строя энергетического и технологического оборудования.

Известен способ проектирования, строительства и эксплуатации морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтегазовой платформы, включающий бурение и испытание поисковых и разведочных скважин, ликвидацию поисковых и разведочных скважин, ликвидацию поисковых и разведочных скважин, открытие месторождения, составление проекта разработки месторождения углеводородов, проведение инженерно-геологических и гидрографических изысканий на площадке планируемой установки морской платформы, проектирование морской нефтегазовой платформы, проведение научных исследований, в том числе модельный эксперимент взаимодействия опорного основания и верхнего строения морской платформы с волновой и ледовой нагрузкой в ледовом опытовом бассейне, изготовление опорных оснований с ледовой защитой и верхнего строения платформы, их транспортировку на место постановки, размещение и закрепление на дне моря опорных оснований, надвижку верхнего строения на опорные основания платформы, монтаж, обвязку и наладку бурового, энергетического и добычного технологического оборудования, строительство эксплуатационных скважин, длительную, в течение десятков лет, эксплуатацию морской платформы, добычу и транспортировку углеводородного сырья на головные береговые сооружения, поддержание пластового давления закачкой попутно добываемых вод в подземные горизонты (см. Кольченко Л.В., Благовидова И.Л., Карулина М.М. и др. Месторождения Северного Каспия: оптимизация формы сооружений с целью повышения их ледостойких качеств на основе расчетно-экспериментальных исследований // Гидротехника, 2016, №1. - С. 72-78).

Недостатками известного способа, выбранного в качестве прототипа, является то, что гравитационную морскую платформу устанавливают на дне моря фиксированно по отношению к разрабатываемому резервуару месторождения и это обусловливает ее пассивность к просадке массива горных пород в результате длительной (в течение нескольких десятков лет) разработки месторождения и отбора пластового флюида. При проектировании конструкцию и габариты морской платформы выбирают исходя из условия, чтобы нижняя плоскость верхнего строения платформы имела превышение по высоте (вертикальный клиренс) над наивысшими вершинами волн и/или уровнем восьми расчетных толщин льда 1% обеспеченности. Однако, в результате длительной (в течение нескольких десятков лет) разработки месторождения возникают просадки массива горных пород, сопровождающиеся тем, что нижняя плоскость верхнего строения морской платформы вместе с буровым, технологическим и энергетическим оборудованием будут подвержены волновому воздействию морской воды и льда, могут даже оказаться под водой и выйти из строя. Так, амплитуда просадки дна в Северном море на одном из трех самых крупных нефтегазовых месторождений Норвегии Ekofisk с первоначальными извлекаемыми запасами нефти 569 млн тонн и газа 165 млрд кубометров при глубине залегания залежи 3000 м и глубине моря около 60 м в период времени с 1984 по середину 1985 года составила 2,6 м и завершилась креном и погружением гравитационной платформы под воду. В 1994 году проседание дна достигло 6 м, а в 1999 году - 7,8 м. Такие же процессы, но в меньших масштабах, выявлены и на соседних месторождениях (Valhall и др.). Следует отметить, что только стоимость отдельных морских стационарных нефтегазовых платформ превышает 1 млрд долл., а ущерб от загрязнения окружающей среды и упущенная выгода недропользователя от полной потери платформы и недополучения углеводородов могут достигать десятков и даже сотен миллиардов долларов. Для ликвидации просадки одной из нескольких опор морской гравитационной стационарной нефтегазовой платформы в Северном море потребовались усилия и финансовые средства нефтегазовой компании, сопоставимые с высадкой человека на Луну.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение промышленной и экологической безопасности эксплуатации морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы, сопровождающейся просадкой (смещением) массива горных пород в результате длительной (в течение нескольких десятков лет) разработки месторождения и отбора пластового флюида.

Для достижения указанного технического результата в известном способе проектирования, строительства и эксплуатации морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы, включающем бурение, крепление и испытание поисковых и разведочных скважин, ликвидацию поисковых и разведочных скважин, открытие месторождения, составление проекта разработки месторождения углеводородов, проведение инженерно-геологических и гидрографических изысканий на площадке планируемой установки морской платформы, проектирование морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы, проведение научных исследований, в том числе модельный эксперимент взаимодействия опорного основания и верхнего строения морской платформы с волновой и ледовой нагрузкой в ледовом опытовом бассейне, изготовление опорных оснований с ледовой защитой и верхнего строения платформы, их транспортировку на место постановки, размещение и закрепление на дне моря опорных оснований, надвижку верхнего строения на опорные основания морской платформы, монтаж, обвязку и наладку бурового, энергетического и добычного технологического оборудования, строительство эксплуатационных скважин, длительную, в течение десятков лет, эксплуатацию морской платформы, добычу и транспортировку углеводородного сырья на головные береговые сооружения, поддержание пластового давления закачкой попутно добываемых вод в подземные горизонты, согласно изобретению, проектируют и изготавливают опорные основания с ледовой защитой морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы с увеличенным вертикальным клиренсом нижней плоскости верхнего строения морской платформы, компенсирующим величину прогнозной просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока, причем прогноз просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром выполняют до начала проектирования морской платформы, а проектируют и изготавливают опорное основание с повышенными прочностными характеристиками, производят мониторинг просадки морской гравитационной платформы в процессе длительной разработки месторождения. Кроме этого, при проектировании морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы для разработки месторождения углеводородов в акватории, подверженной сезонному ледовому покрову, верхнюю образующую ледовой защиты платформы выполняют повышенной высоты для компенсации на 5…10% величины прогнозной просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока.

Отличительными признаками предложенного способа являются:

прогнозирование просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром, который выполняют до начала проектирования морской платформы,

проектирование и изготовление опорных оснований морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы на основе результатов прогноза просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром с повышенным (увеличенным) на 5…10% вертикальным клиренсом нижней плоскости верхнего строения морской платформы, компенсирующим величину прогнозной просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока;

проектирование и изготовление ледовой защиты морской платформы с верхней образующей ледовой защиты, превышающей величину просадки горных пород на 5…10%;

проектирование и изготовление опорных оснований с повышенными прочностными характеристиками, компенсирующими увеличение их высоты с учетом прогнозной просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром;

сопровождение разработки месторождения мониторингом просадки морской платформы над разрабатываемым резервуаром.

Суть изобретения заключается в следующем.

Деформации земной поверхности достаточно широко распространены при разработке нефтяных и газовых месторождений. Уровень этих деформаций имеет широкий диапазон - наблюдаются оседания от нескольких миллиметров до нескольких метров. Последствия таких деформационных процессов состоят главным образом в смятии обсадных колонн, в частичном подтоплении поверхности на месторождениях, расположенных в равнинных территориях с густой речной сетью, иногда в проявлении локальных оползневых процессов.

Интенсивные техногенные смещения (просадки) земной поверхности на длительно разрабатываемых месторождениях углеводородов (более 1…2 м) - менее распространенное явление, но с весьма опасными последствиями. Основные и наиболее опасные формы этих последствий - сильные деформации наземных (надводных) сооружений, разрыв коммуникаций, слом обсадных колонн эксплуатационных скважин, заболачивание и затопление опускающихся участков земной поверхности и др. Экологические последствия являются, как правило, необратимыми. Интенсивное, обширное проседание земной поверхности при длительной разработке месторождений углеводородов возможно, как правило, при сочетании следующих условий:

значительная площадь разрабатываемого месторождения (≥25 км²);

значительная мощность продуктивных отложений (≥100 м);

относительно небольшая глубина разрабатываемых интервалов геологического разреза (до 2000 м);

высокая пористость пород резервуара (≥25%);

быстрый темп и/или большие объемы отбираемого пластового флюида;

отсутствие системы поддержания пластового давления на месторождении.

Наибольшую опасность представляют собой проседания земной поверхности при разработке морских месторождений углеводородов с использованием гравитационных стационарных нефтедобывающих платформ, опирающихся на дно моря.

Решающее влияние на формирование основных характеристик опорного основания морской платформы являются исходные данные:

параметры природных условий и недр;

основные характеристики, в основном площадь и масса верхнего строения.

С учетом этих данных определяются главные размеры опорного основания.

Согласно СП 58.13330.2012 при проектировании гидротехнических сооружений необходимо учитывать изменения природных условий, которые могут привести к развитию и активизации следующих негативных физико-геологических, геодинамических процессов в их основаниях (п.4.24):

повышению активности ближайших сейсмогенерирующих разломов;

просадочным деформациям оснований, сложенных лессовыми грунтами.

При этом ни одним национальным и зарубежным законодательным актом и нормативным документом не предусмотрен учет возможной просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром углеводородов в течение всего длительного проектного срока, в результате которой могут возникнуть тяжелые аварии с экологическим ущербом и даже гибель дорогостоящей морской платформы.

Способ осуществляют следующими последовательными действиями в порядке изложения:

бурят, крепят и испытывают поисковые и разведочные скважины;

ликвидируют поисковые и разведочные скважины, независимо от их геологических результатов;

открывают по результатам бурения и испытания поисковых и разведочных скважин новое месторождение углеводородного сырья;

составляют технологическую схему (проект) разработки месторождения углеводородов;

выполняют инженерно-геологические и инженерно-гидрографические изыскания на акватории, планируемой под размещение гравитационной стационарной нефтегазовой платформы на морском дне;

выполняют прогноз просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока освоения месторождения, исчисляемого несколькими десятками лет;

на основании технологической схемы (проекта) разработки месторождения задают исходные параметры к буровому, технологическому и энергетическому оборудованию верхнего строения морской гравитационной стационарной нефтегазовой платформы;

подбирают буровое, технологическое и энергетическое оборудование;

производят компоновку выбранного бурового, технологического и энергетического оборудования на главной палубе морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы с учетом требований промышленной и экологической безопасности;

обосновывают плановые размеры верхнего строения морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы;

проектируют морскую гравитационную стационарную нефтедобывающую платформу;

проектируют опорные основания морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы с повышенным вертикальным клиренсом нижней плоскости верхнего строения платформы, компенсирующим величину прогнозной просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока освоения месторождения, имеющим коэффициент запаса 1,05…1,10;

при установлении платформы на акватории, подверженной ледовому покрову (образованию), проектируют ледовую защиту опорных оснований морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы с верхней образующей, превышающей величину просадки горных пород над разрабатываемым резервуаром на 5…10%;

проводят модельный эксперимент взаимодействия опорных оснований с повышенным (увеличенным) вертикальным клиренсом нижней плоскости верхнего строения морской платформы, а также верхней образующей ледовой защиты платформы, превышающими величину просадки горных пород на 5…10%, с волновой и ледовой нагрузкой в ледовом опытовом бассейне;

изготавливают опорные основания с повышенными прочностными характеристиками, компенсирующими увеличение их высоты, гравитационной морской стационарной нефтедобывающей платформы с повышенным клиренсом нижней плоскости верхнего строения морской платформы, компенсирующим с коэффициентом запаса 1,05…1,10 величину прогнозной просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока освоения месторождения,

при установлении платформы на акватории, подверженной ледовому покрову (образованию), проектируют, изготавливают и оснащают опорные основания ледовой защитой морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы с верхней образующей ледовой защиты платформы, превышающей величину просадки на 5…10% массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока,

транспортируют опорные части и верхнее строение морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтегазовой платформы на точку постановки на дне моря;

устанавливают и закрепляют сваями опорные основания на дне моря;

размещают верхнее строение на опорных основаниях, закрепленных сваями на дне моря;

монтируют и налаживают буровое, технологическое и энергетическое оборудование;

залавливают в дно моря водоотделяющие колонны всех проектных скважин;

выбуривают горную породу из тела водоотделяющих колонн;

строят эксплуатационные скважины,

осуществляют длительную (в течение нескольких десятков лет) эксплуатацию морской гравитационной стационарной нефтегазовой платформы, добычу и транспортировку углеводородного сырья на головные береговые сооружения;

компенсируют просадку горных пород в результате длительной разработки месторождения и эксплуатации гравитационной морской стационарной нефтедобывающей платформы с повышенным клиренсом нижней плоскости верхнего строения платформы;

осуществляют мониторинг смещений морского дна в результате просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение всего проектного срока освоения месторождения;

при установлении платформы на акватории, подверженной ледовому покрову (образованию), проектируют, изготавливают и оснащают опорные основания ледовой защитой, у которой верхняя ее образующая, превышает величину просадки на 5…10% массива горных пород над разрабатываемым резервуаром в течение в течение всего проектного срока;

сопровождают процесс разработки месторождения мониторингом просадки морской платформы в течение всего проектного срока освоения месторождения;

обеспечивают требуемую промышленную и экологическую безопасность эксплуатации гравитационной морской нефтедобывающей стационарной платформы в течение длительной разработки нефтегазового месторождения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема проектной разводки скважин с горизонтальным окончанием в соответствии с технологической схемой (проектом) разработки месторождения (вид в плане) с установленной на морском дне стационарной нефтедобывающей платформы; на фиг. 2 - морская гравитационная стационарная нефтедобывающая платформа (вид сбоку), установленная на дне моря; фиг. 3 - поверхность морского дна до начала разработки месторождения, на фиг. 4 - прогнозная поверхность дна моря в точке постановки морской гравитационной стационарной нефтегазовой платформы через 20 лет разработки месторождения.

Осуществление изобретения (пример конкретного выполнения).

В российском секторе Каспийского моря в результате бурения и испытания поисковых и разведочных скважин открыто нефтегазоконденсатное месторождение. Независимо от полученных геологических результатов, вследствие отсутствия обустройства морского месторождения, пробуренные поисковые и разведочные скважины ликвидировали.

Участок месторождения находится в пределах плоскодонной котловины, ограниченной с севера мелководной аккумулятивной террасой авандельты р. Волги, а с юга - банками Безымянная и Кулалинская.

Глубина моря увеличивается по направлению с северо-запада на юго-восток, на площадке планируемой установки морской гравитационной стационарной ледостойкой платформы составляет 11,2 м. Рельеф дна в пределах площади, занимаемой месторождением, сравнительно ровный (рисунок 3).

Донные отложения в районе месторождения представлены пылеватыми и мелкими песками со значительным содержанием илистых и глинистых фракций, песчанистыми илами, ракушечными отложениями.

Размещение морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы определяют технологической схемой (проектом) разработки месторождения. На площадке, выбранной для планируемого размещения гравитационной морской стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы, выполняют инженерно-геологические и инженерно-гидрографические изыскания.

На основании технологической схемы (проекта) разработки месторождения (схема разводки с морской платформы эксплуатационных и специальных скважин представлена на фиг. 1) задают исходные параметры к буровому, технологическому и энергетическому оборудованию верхнего строения платформы. По этим параметрам подбирают буровое, технологическое и энергетическое оборудование. После этого производят компоновку этого оборудования с учетом требований промышленной и экологической безопасности. Определив массогабаритные характеристики верхнего строения платформы обосновывают его плановые размеры.

Стоимость морской стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы в целом превышает 1 млрд долларов. Поэтому при проектировании стараются минимизировать размеры морской платформы, стоимость 1 м верхнего строения платформы и высоты опорных оснований, обеспечивающих необходимый вертикальный клиренс нижней плоскости верхнего строения морской платформы с учетом аномально-высоких волн, так называемых волн-убийц.

Минимальная высота опорного основания (Н_оо) определяется, исходя из глубины моря (Н_м) и вертикального клиренса K_i-волнового или ледового, в зависимости от того, какой больше:

Н_oo=Н_м+К_i

По правилам Российского Морского Регистра судоходства (для столетних параметров природных условий),

К_волн=Δ+1,2(D/λ_в)^1/4h_в+1,5,

К_лед=Δ+4h_л+0,5,

где λ_в - максимальная амплитуда изменения уровня моря, м;

D - диаметр цилиндрической опоры или поперечный размер конусной опоры на уровне ватерлинии, м;

h - высота волны, м;

h_л - толщина наслоенного льда.

Для конкретных условий определен клиренс 13,3 м.

Однако принятые в Российском Морском Регистре судоходства формулы, Ведомственные строительные нормы ВСН 41.88 и другие действующие нормативные документы не учитывают возможные просадки горных пород в результате длительной разработки месторождения и отбора пластового флюида. Таким образом, еще на стадии проектирования морской гравитационной стационарной нефтегазовой платформы непреднамеренно создаются предпосылки для аварийных ситуаций на морской платформе и полной ее гибели после установки на морском дне и длительной эксплуатации в процессе разработки месторождения и отбора пластового флюида.

Выполняют прогноз проседания земной поверхности при разработке морского нефтегазоконденсатного месторождения углеводородов с использованием гравитационной стационарной нефтегазовой платформы.

Амплитуда просадки Δh массива горных пород в результате длительной (в течение десятков лет) разработки месторождения и отбора пластового флюида может быть определена по формуле:

где:

Δh - амплитуда просадки,

r - толщина разрабатываемого пласта,

Н - глубина залегания пласта,

ΔР - изменение пластового давления,

K - модуль упругости пород (рассчитывается отдельно)

Поверхность дна моря по результатам 3D-моделирования просадки массива горных пород над разрабатываемым резервуаром показана на фиг. 4.

По результатам расчета амплитуда просадки Δh составляет 1,8 м. С учетом коэффициента (выбираем среднюю величину К=1,175) высоту опорных оснований увеличивают на 2,115 м.

Полученная в результате расчета величина просадки с коэффициентом запаса 1,15…1,20 учитывается при проектировании морской гравитационной стационарной ледостойкой нефтедобывающей платформы в части необходимости обеспечения клиренса нижней плоскости верхнего строения платформы и уровнем моря.

С учетом прогнозного проседания горных пород в результате длительной разработки месторождения при проектировании морской гравитационной стационарной ледостойкой платформы увеличивают вертикальный клиренс нижней плоскости верхнего строения морской платформы.

Тогда вертикальный клиренс с учетом просадки дна составит:

K_i=13,3+2,115=15,415 м.

Это влечет за собой конструктивные изменения опорных оснований с целью повышения его прочности, жесткости, устойчивости и других технических характеристик, обусловленные изменением его высоты в большую сторону, применение при его изготовлении соответствующих марок материалов, толщин стенок и размеров профиля.

В конструкции платформы четко выделяют основные функциональные формообразующие элементы: понтоны 3, опорные основания 7, ледовое ограждение 6, верхнее строение 5, включающее главную палубу, буровую вышку 10, площадку бурового оборудования (на чертежах не показано).

По периметру платформы на опорных основаниях 7 устанавливают ледовую защиту 6, примыкающую своей нижней частью к палубе понтонов 3. Размеры и конфигурация ледовой защиты приняты из условий предотвращения проникновения льда внутрь защищаемого пространства морской платформы, в котором находятся стояки шахт слотов (на чертежах не показаны), а также и обеспечения разрушения ледовых образований изгибом для уменьшения глобальных ледовых нагрузок на платформу во всем диапазоне возможных уровней (глубин) моря в период длительной эксплуатации морской платформы. В верхней части ледового ограждения установлен дополнительный пояс высотой 1,0 м с обратным углом наклона в 10° для гарантированного опрокидывания наползающего льда назад.

Согласовывают с Федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Временные локальные технические условия размещения на морском дне морской гравитационной стационарной нефтегазовой платформы.

Изготавливают на судостроительном заводе морскую платформу и блоками транспортируют буксирами на заданную точку.

Размещают гравитационную морскую стационарную нефтедобывающую платформу в соответствие с технологической схемой разработки месторождения, предусматривающей строительство со стационарной морской многофункциональной платформы 33 наклонно-направленных скважин и скважин с горизонтальным окончанием протяженностью до 8005 м при вертикальной глубине залежи 1565 м. Всего на морской платформе предусмотрены 33 слота.

Разработку месторождения углеводородов сопровождают геодинамическим мониторингом смещений и просадок морской платформы.

Таким образом, заявленное изобретение повышает промышленную и экологическую безопасность эксплуатации дорогостоящей морской гравитационной стационарной нефтедобывающей платформы, сопровождающейся просадкой (смещением) массива горных пород в результате длительной (в течение нескольких десятков лет) разработки месторождения и отбора пластового флюида.