Двухэшелонная экологически безопасная буровая установка в арктическом исполнении
TWO ENVIRONMENTAL-FRIENDLY DRILLING RIG IN ARCTIC DESIGN

Изобретение относится к нефтегазовому оборудованию, а именно к двухэшелонной двухярусной блочно-модульной буровой установке, которая может быть использована для кустового бурения разведочных и эксплуатационных нефтяных и газовых скважин в холодных климатических условиях, например Крайнего Севера России.
В компоновке буровых установках традиционно используют вышечно-лебедочный блок для спускоподъемных операций (ВЛБ), циркуляционную систему для обеспечения циркуляции бурового раствора (ЦС), включающую блок приготовления, очистки и хранения бурового раствора и насосный блок для подачи бурового раствора (НБ), блок или модуль приемного моста для подачи и хранения труб (ПМ), блоки электрооборудования и др.
При разработке компоновки буровых установок стремятся к компактности. В настоящее время компактность достигается за счет компоновки функциональных блоков в два эшелона. Двухэшелонная установка имеет меньшую протяженность коммуникаций, занимает меньшую площадь и требует меньше работ по подготовке кустовой площадки, наносит меньший, урон экологии. Двухэшелонные буровые установки размещают на направляющих, поэтому приемный мост, установленный на направляющих, может перемещаться вместе со всем оборудованием, и, как следствие, не требует демонтажа или специальных приспособлений при его перемещении.
Становятся востребованными двухэшелонные буровые установки со вторым ярусом, как например, буровая установка для кустового бурения нефтяных и газовых скважин (RU 133867, публ. 27.10.2013) [1]. В данной установке расположение приемного моста со стеллажами для буровых труб во втором ярусе дает этой установке дополнительные преимущества, т.к. позволяет без дополнительных механизмов ориентировки труб перемещать трубы к ВЛБ в направлении, параллельном направлению движения установки. В этом случае повороты трубы при подаче и разгрузке исключены.
Двухэшелонная компоновка дает возможность установки дополнительных блоков, а также укрытия для обогрева рабочих зон, наличие которого уменьшает теплопотери и, соответственно, повышает энергоэффективность эксплуатации буровой установки. Задача по уменьшению теплопотерь особенно актуальна для так называемых арктических буровых установок, эксплуатируемых в крайне холодных климатических условиях.
В качестве наиболее близкой к заявляемому изобретению выбрана компактная кустовая буровая установка в арктическом исполнении (RU 116558, публ. 27.05.2012) [2], известная под названием «Арктика» (см. электронный ресурс: http://naukams.com/burovaya-ustanovka-uralmash-6000-400-ek-bmch-arktika) [3]. Данная блочно-модульная установка выполнена в арктическом исполнении.
Буровая установка «Арктика» содержит четыре рельсовые направляющие балки, на которых в два эшелона установлены технологически связанные функциональные блоки с необходимым оборудованием. Первый эшелон содержит вышечно-лебедочный блок с основанием и вышкой башенного типа, первый блок оборудования циркуляционной системы, блок насосного оборудования. Второй эшелон содержит блок приемного моста, расположенный напротив ВЛБ, второй блок оборудования ЦС, расположенный напротив первого блока ЦС, вслед за вторым блоком ЦС установлен модуль блока энергооборудования (БЭ). БЭ содержит комплектное тиристорное устройство (КТУ), низковольное коммутирующее устройство (КТУ) с немаслонаполненным оборудованием, резервную дизельэлектростанцию (ДЭС), парогенератор и теплогенератор. С двух сторон от приемного моста, расположенного во втором эшелоне, установлены модуль противовыбросового оборудования (ПВО) и дополнительный модуль энергооборудования с оборудованием гидростанции и парогенератором (ПГМ). В качестве дополнительных модулей на кровельной поверхности первого блока ЦС могут быть установлены модули для ИТР.
Модули первого блока ЦС скомпонованы в два яруса таким образом, что первый ярус содержит модули приемных емкостей бурового раствора, второй ярус - модули оборудования для очистки бурового раствора. Второй блок оборудования ЦС содержит модули емкостей для хранения и приготовления бурового раствора. Модули блока энергооборудования, выполненные с силовым каркасом, а также блок оборудования ЦС скомпонованы в два яруса. Причем первый ярус блока оборудования ЦС образован модулями КТУ, НКУ и КТУ, второй ярус - модулями с резервной ДЭС, паро- и теплогенератора, а также двумя модулями, предназначенными для отдыха персонала и хранения инструмента. На кровельной поверхности второго блока ЦС установлены стеллажи для бурильных труб. Оба эшелона основных функциональных блоков кустовой буровой установки технологически объединены посредством системы коммуникаций, включающей кабельные трассы, нагнетательный манифольд, трубопроводы различного назначения.
Конструкция основания ВЛБ обусловлена конструкцией вышки башенного типа, четыре опоры которой установлены на два лонжерона, смонтированные двух блоках механизма перемещения, установленных вдоль направляющих. При такой конструкции основания противовыбросовое оборудование (ПВО) заводится под лонжероном между направляющими, что при замене ПВО на кусте может привести к повреждению арматуры пробуренных скважин. Соответствующее оборудование циркуляционной системы сгруппировано в модулях, установленных в два яруса благодаря тому, что данные модули выполнены с объемным силовым каркасом. Целесообразность выполнения остальных функциональных блоков из модулей, содержащих силовой каркас, объясняется возможностью установки модулей блока электрооборудования также в два яруса. При этом благодаря силовому каркасу на кровельной поверхности блоков становится возможным устанавливать дополнительные модули с необходимым оборудованием.
Поскольку данная установка предназначена для бурения скважин в условиях Крайнего Севера России, она полностью укрыта от вышечно-лебедочного блока до приемного моста со стеллажами для бурильных труб, включая межэшелонное пространство. Для обеспечения комфортных условий труда на рабочей площадке и палатях верхового рабочего башенная вышка, состоящая из восьми пространственных секций, имеет укрытие на всю высоту из светопроницаемого материала, при этом основные функциональные блоки: первый и второй блоки ЦС, НБ, модуль блока энергооборудования, модуль приемного моста, модули ПВО и дополнительный модуль ПГМ также оснащены элементами укрытия. Так, модули первого и второго блоков ЦС, НБ, и блока электрооборудования оснащены кровельными и боковыми (стеновыми) панелями там, где это необходимо. Модуль приемного моста, стеллажи для бурильных труб содержат кровельные панели, а боковые стороны могут быть сформированы из мягкого укрытия. Укрытие буровой вышки ВЛБ с буровой площадкой выполнено в виде щитов, закрепленных непосредственно на секциях вышки. Возможен вариант с мягким укрытием вышки с буровой площадкой.
Элементом укрытия стеллажей для бурильных труб и модулей приемного моста, ПВО и дополнительного модуля ПГМ является площадка для монтажа башенной вышки, опирающаяся на четыре стойки, установленные на элементах объемного силового каркаса модулей ПВО, модуля приемного моста, и дополнительного модуля ПГМ. В установке «Арктика» опорные конструкции укрытия расположены на каждом модуле, при этом возникает необходимость дополнительно устанавливать межмодульные нащельники, что добавляет трудоемкости монтажа укрытий. Кроме того, установка «Арктика» имеет комбинированную систему обогрева, включающую воздушный обогрев помещений от двух теплогенераторов и технологический обогрев емкостей, картеров буровой лебедки, насосов и подсвечников осуществляется от двух парогенераторов. Сборка вышки башенного типа в установке «Арктика» возможна только после сборки приемного моста, т.к. площадка для сборки секций вышки находится на его крыше. Это отрицательно сказывается на сроке монтажа. Кроме того, в установке «Арктика» не предусмотрена очистка воздуха от паров нефтепродуктов, притом, что при бурении на основе нефтесодержащих растворов активно выделяется сероводород и пары нефтепродуктов.
Задачей заявленного технического решения является упрощение и ускорение монтажа, повышение удобства обслуживания и ремонта оборудования, а также повышение экологической безопасности установки.
Для этого предложена двухэшелонная двухярусная буровая установка в арктическом исполнении, которая, как и прототип, содержит вышечно-лебедочный блок с основанием и вышкой, установленное на направляющих в два эшелона оборудование циркуляционной системы, включая блок приготовления, очистки и хранения бурового раствора и насосный блок для подачи бурового раствора, а также блок приемного моста и, соединенный с оборудованием циркуляционной системы блок электрооборудования, при этом модуль блока электрооборудования, содержащий трансформатор, комплектное тиристорное устройство, низковольтное комплектное устройство, расположен в первом ярусе, а модуль блока электрооборудования, содержащий дизельную электростанцию, - во втором. Кроме того, установка имеет укрытие. Новая установка отличается тем, что первый эшелон содержит вышечно-лебедочный блок с П-образной мачтовой вышкой для кустового бурения, блок очистки бурового раствора, блок хранения бурового раствора, блок электрооборудования, содержащий дизельную электростанцию, второй эшелон содержит блок приготовления, блок буровых насосов, блок электрооборудования, содержащий трансформатор, комплектное тиристорное устройство, низковольтное комплектное устройство, при этом во втором ярусе расположен блок очистки бурового раствора из первого эшелона, а также блок приемного моста, расположенный над блоком электрооборудования из второго эшелона.
Установка отличается также тем, что модули блоков циркуляционной, системы, буровых насосов, приемного моста, имеют единое укрытие, представляющее собой пространственные ферменные конструкции, на рамах которых установлены утепленные крышные, боковые, торцевые и коньковые панели. При этом крышные панели выполнены съемными, а на коньковых панелях имеются крышки, в которых смонтирована вытяжная система, содержащая фильтры для очистки воздуха от паров нефтепродуктов.
Компоновка оборудования циркуляционной системы для обеспечения циркуляции бурового раствора в заявленной буровой установке выполнена таким образом, что емкости хранения находятся в первом эшелоне непосредственно рядом с блоком очистки бурового раствора. При таком расположении емкостей хранения циклическое движение бурового раствора предполагает его сброс в емкости хранения после очистки пескоотделителем, илоотделителем, центрифугами. Это позволяет упростить обвязку трубопроводов между блоками очистки и хранения бурового раствора, обеспечить удобство обслуживания оборудования и контроля технологического процесса. За счет этого уменьшаются длины трубопроводов, количество соединений, количество запорно-регулирующей арматуры. То, что блок хранения бурового раствора выполнен в одноярусном исполнении означает, что над емкостями хранения нет других модулей. Это дает возможность для удобного доступа к оборудованию, такому как перемешиватели, датчики уровня, датчики плотности, для спуска в емкость, для отбора проб бурового раствора.
Расположение блока приготовления во втором эшелоне, свободном от других металлоконструкций, обеспечивает удобный подвоз химических реагентов спецтехникой для приготовления бурового раствора, а также замены вышедшего из строя оборудования. Расположение блока приемного моста над блоком электрооборудования позволяет вести работу с трубами, как с помощью механизма подачи, так и традиционным способом при помощи вспомогательной лебедки. При этом расположение блока электрооборудования, содержащего трансформатор, комплектное тиристорное устройство, низковольтное комплектное устройство, под приемным мостом минимизирует длину прокладки кабельной продукции и соответственно расходы при их замене.
Использование П-образной мачтовой вышки для кустового бурения позволяет производить запасовку рабочего каната на этапе ее монтажа до подъема, то есть в горизонтальном положении, что гораздо удобнее, чем на вышке в вертикальном положении. Кроме того, монтаж П-образной вышки можно вести параллельно с монтажом остальных блоков, что по сравнению с установкой «Арктика» сокращает срок монтажа на 8 суток.
Укрытие буровой установки представляет собой отдельные от блоков и модулей компактные в транспортном положении и удобные в монтаже панели, удобные для транспортировки пачкой, что существенно сокращает расходы на их транспортировку до места монтажа на буровой установке. Для сборки укрытий на месте монтажа требуется минимальное количество пальцевых и болтовых соединений. Элементы укрытия циркуляционной системы таковы, что уплотнения находятся прямо на них и не требуется установка межмодульных нащельников. Для ремонта и замены двигателей насосов и другого оборудования крышные панели выполнены съемными.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в упрощении обвязки трубопроводов между блоками очистки и хранения бурового раствора, уменьшении длины трубопроводов, сокращения количества соединений, и запорно-регулирующей арматуры, минимизации длины прокладки кабельной продукции, а также в снижении расходов на транспортировку узлов до места монтажа на буровой установке.
Заявленная буровая установка иллюстрируется следующими рисунками. На фиг. 1 изображен общий вид установки; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 - общая компоновка первого и второго эшелонов первого яруса, вид сверху; на фиг. 4 - общая компоновка первого и второго эшелонов второго яруса, вид сверху; на фиг. 5 - компоновка модулей блоков первого и второго эшелонов первого яруса, вид сверху; на фиг. 6 - компоновка модулей блоков первого» и второго эшелонов второго яруса, вид сверху; на фиг. 7 - укрытие буровой установки, вид спереди; на фиг. 8 - укрытие буровой установки, вид сбоку; на фиг. 9 - укрытие буровой установки, вид сверху; на фиг. 10 - ферма укрытия буровой установки в рабочем положении; на фиг. 11 - ферма укрытия буровой установки в транспортном положении; на фиг. 12 - элемент укрытия буровой установки.
Буровая установка содержит установленные в два эшелона на двух парах направляющих 1, вышечно-лебедочный блок 2 и функциональные блоки-модули. Первый эшелон (I) содержит блок очистки бурового раствора 3, блок хранения бурового раствора 4, блок электрооборудования 5. Второй эшелон (II) содержит, блок буровых насосов 6, блок приготовления 7, блок электрооборудования 8, блок приемного моста 9. Второй ярус использован для расположенного в первом эшелоне блока очистки 3, и блока приемного моста 9, расположенного над блоком электрооборудования 8, расположенном во втором эшелоне. Во втором ярусе на емкостях блока хранения 4 расположено технологическое оборудование и трубопроводы (не показаны).
На направляющие 1 опирается механизм перемещения и выравнивания 10, на них установлены модули левого и правого лонжерона 11, которые служат опорой для П-образной мачтовой вышки для кустового бурения 12, которая монтируется в горизонтальном положении и затем поднимается в рабочее положение устройством для подъема вышки. На левую и правую опорные рамы 13 установлены модули ротора, подсвечников и рамы вспомогательной лебедки, которые образуют рабочую площадку 14. Данная конструкция основания ВЛБ позволяет заводить противовыбросовое оборудование под приемным мостом перпендикулярно направляющим, не задевая арматуру пробуренных скважин.
Расположенный в первом эшелоне блок очистки 3 содержит модуль шламовых насосов 15, модуль грубой очистки 16, модуль тонкой очистки 17. Блок хранения 4 содержит модуль водяной емкости 18, модули хранения 19, модуль промежуточный с насосом 20. Расположенный за ними блок электрооборудования 5 в качестве аварийного источника электроснабжения содержит дизельную электростанцию 21.
Расположенный во втором эшелоне блок электрооборудования 8 содержит складское помещение 22, компрессорную станцию 23, трансформатор 24, комплектное тиристорное устройство (КТУ) 25, низковольтное комплектное устройство (ЫКУ) 26. Следующий за ним блок буровых насосов 6: (НБ) содержит модуль обслуживания 27, модуль бурового насоса 28, модуль запорно-распределительного устройства (ЗРУ) 29, модуль бурового насоса 30, модуль промежуточный 31. Блок приготовления 7 содержит модуль приготовления с насосом и гидроворонкой 32, модуль приготовления с емкостью 33. В конце второго эшелона расположена площадка приземления эвакуатора верхового рабочего 34. Блок приемного моста 9 содержит стеллажи 35. Приемный мост имеет механизированную подачу трубы на рабочую площадку и возврат рабочего инструмента на приемный мост.
Механизм перемещения и выравнивания выполнен в виде 4-х опор, попарно соединенных площадками. Каждая опора содержит по 2 балансирных колеса, 4 винтовых домкрата и 6 гидродомкратов, посредством которых ВЛБ опирается на направляющие во время бурения, используются для выравнивания ВЛБ. Для перемещения эшелонов используются 4 гидроцилиндра, установленные попарно на каждом эшелоне.
Оборудование (ЦС), состоящее из блока очистки бурового раствора 3, блока хранения бурового раствора 4, блока приготовления 6 и насосного блока 7 позволяет выполнять очистку бурового раствора от выбуренной породы с возможностью дегазации в процессе бурения, готовить и хранить необходимый запас раствора, а также осуществлять его диспергацию. Полный объем системы составляет 535 м3. Насосный блок на базе двух трехпоршневых буровых насосов обеспечивает подачу бурового раствора на забой в процессе бурения, очистку забоя от выбуренной породы, суммирование потоков от буровых насосов, приведение в действие гидравлических забойных двигателей, охлаждение и смазку долота. Блок приготовления оснащен монорельсом с электроталью г/п 3,2 т. для перемещения мешков с химическими реагентами.
Блок электрооборудования 8, содержащий комплектное тиристорное устройство (КТУ), низковольтное комплектное устройство (НКУ), комплектное распределительное устройство (КРУ) позволяет осуществлять комбинированное электроснабжение установки, как от комплекса дизельных электростанций, включенных в параллельную работу, расположенных на кустовой площадке, так и от централизованной системы электроснабжения от ЛЭП напряжением 6,3 кВ, 50 Гц. Оптимальный режим бурения обеспечивается частотно-регулируемым приводом переменного тока всех основных механизмов. Установка оборудована системами контроля и управления процесса бурения.
На последнем модуле первого эшелона расположен перекачивающий центробежный насос для работы с емкостями хранения и с доливной емкостью. При его отсутствии требовался бы переход во второй эшелон для запуска одного из находящихся в блоке приготовления насосов, что крайне неудобно в плане контроля за движением раствора. В блоке очистки расположена доливная емкость с двумя насосами для принудительного долива скважины. Один из насосов является резервным.
На каждом модуле буровых насосов расположен подпорный насос. Это позволяет контролировать работу буровых насосов, следить за давлением в подпорной линии непосредственно находясь в насосном блоке. Размещение бухты талевого каната выполнено со свободной стороны второго эшелона, что позволяет произвести удобную замену. Расположение выкидных линий противовыбросового оборудования выполнено за первым эшелоном в отличие от традиционного расположения со стороны приемного моста, т.е. между двумя эшелонами. Это намного удобней для подъезда техники, обслуживания, ремонта, замены.
Для отопления установки предусмотрена трехблочная котельная, которая обеспечивает простоту в обслуживании и не требует дополнительной водоподготовки. Котельная состоит из трех блоков, каждый из которых может работать как отдельно, так и совместно, в зависимости от необходимого потребления тепла и работает на жидком топливе. При бурении на основе нефтесодержащих растворов активно выделяется сероводород и пары нефтепродуктов, на заявленной буровой установке применена вытяжная система с использованием фильтровых элементов, что позволяет свести к минимуму загрязнение окружающей среды.
Вышечно-лебедочный блок обогревается и полностью укрыт от попадания осадков в рабочую зону, тем самым обеспечиваются комфортные условия работы. Помещение блока электрооборудования 8 и блока приемного моста 9 полностью выполнено из сэнвдич-панелей, в отличие от аналогов, в которых применяется недолговечное тентовое укрытие. В связи с этим внутри данных блоков также создается благоприятный для работы микроклимат.
Модули блоков циркуляционной системы, буровых насосов, приемного моста, имеют единое укрытие 36. Укрытие представляет собой пространственные ферменные конструкции с рамами и установленными на них утепленными панелями. Это панели крышные 37, панели боковые 38, панели торцевые 39, панели коньковые 40. Каждая панель в местах стыковки с соседними панелями имеет встроенные резиновые уплотнения 41. В коньковых панелях 40 имеются крышки, в которых смонтирована вытяжная система, содержащая фильтры 42 для очистки воздуха от паров нефтепродуктов. В нижних боковых панелях имеются распашные ворота для прохода тали с грузом; в боковых панелях имеются окна. Для ремонта и замены двигателей насосов и другого оборудования крышные панели выполнены съемными. Фермы и панели компактны в транспортном положении и удобны в монтаже (см. фиг. 10, 11). Таким образом, укрытие буровой установки представляет собой отдельные от блоков и модулей панели, удобные для транспортировки пачкой, что существенно сокращает расходы на их транспортировку до места монтажа на буровой установке. Для сборки укрытий на месте монтажа требуется минимальное количество пальцевых и болтовых соединений. Элементы укрытия циркуляционной системы таковы, что уплотнения находятся прямо на них и не требуется установка межмодульных нащельников. Для повышения экологической безопасности установки в раме каждого модуля имеются короба, соединенные с расположенным под рамами коллектором сбора утечек бурового раствора, сливаемых в емкость либо в устье скважины (не показаны).
Заявленная буровая установка работает следующим образом. Автомобиль с трубами, связанными в пачку, подъезжает, встает рядом со вторым эшелоном, останавливается в зоне работы электротали. Оператор, управляя электроталью с пульта, поднимает пачку труб на уровень стеллажей, затаскивает под укрытие и выгружает на стеллажи для подачи труб или для их хранения. Рычажный механизм с гидроприводом полностью механизирует передачу труб со стеллажей на рабочую площадку и обратно.
Бурильная колонна через вертлюг или систему верхнего привода подвешивается к талевой системе. Подача инструмента на забой и поддержание нагрузки на долото производится при помощи регулятора подачи долота (РПД) в двух режимах: ручном и автоматическом. В ручном режиме скорость подачи инструмента на забой или нагрузка на долото задаются с-пульта бурильщика сельсинным командоаппаратом вручную бурильщиком. В автоматическом режиме скорость подачи инструмента или заданная нагрузка на долото поддерживается автоматически.
В блоке приготовления при помощи специального оборудования готовится буровой раствор, который попадает в блок хранения и перемешивается. Далее раствор перекачивается в насосный блок во всасывающий трубопровод буровых насосов, которые под высоким давлением направляют в скважину. Из скважины, через затрубное пространство раствор переносит разбуренную породу в блок очистки. После чего вновь попадает в емкости хранения для дальнейшей циркуляции.
При необходимости извлечь части бурового насоса для ремонта используется монорельс с талью, расположенный в блоке буровых насосов. При необходимости замены бурового насоса целиком следует демонтировать две крышные панели и использовать автокран для погрузки на автотранспорт. В процессе бурения установку перемещают при помощи встроенного механизма перемещения и выравнивания по направляющим от одной скважины куста к другой.
Заявленная установка для кустового бурения скважин с двухэшелонным расположением функциональных блоков технологического оборудования будет изготовлена под торговым названием «Таймыр-01», глубиной бурения 6000 м, грузоподъемностью 400 тн. в арктическом исполнении. В дальнейшем буровая установка может эксплуатироваться в любых районах Российской Федерации без каких-либо изменений. Использование этой установки позволит снизить время спуско-подъемных операций, упростить и ускорить монтаж, обслуживание и ремонт оборудования, что в совокупности позволяет сэкономить значительные средства на бурение скважин по сравнению с аналогами. Применение в буровой установке вытяжной системы с фильтрами для очистки воздуха от паров нефтепродуктов, а так же конструктивных приспособлений для сбора утечек бурового раствора позволят свести к минимуму загрязнение окружающей среды, то есть обеспечит экологически безопасную эксплуатацию.