ПОДВОДНАЯ БУРОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ (НЕФТИ И ГАЗА) В АРКТИЧЕСКОМ ШЕЛЬФЕ
UNDERWATER RIG FOR DEVELOPMENT OF HYDROCARBONS (OIL AND GAS) DEPOSITS IN ARCTIC SHELF

Изобретение относится к судостроению и горному делу, в частности к комплексам промысловой разработки газовых и нефтяных месторождений арктического шельфа в сложных гидрометеорологических условиях. Известна подводная буровая платформа (Смотри патент (RU №2108264, кл. В63В 35/44), предназначенная для производства буровых работ на дне морей и океанов, выполненная в виде подводной лодки с легким корпусом и прочным корпусом с размещенным в нем функциональным оборудованием для жизнедеятельности людей, а также с буровым оборудованием. Она также снабжена устанавливаемой на грунт открытой снизу оболочкой, выполненной по форме полуцилиндра или полусферы, при этом упомянутый прочный корпус выполнен в виде продольно расположенных цилиндрических оболочек и с вертикально расположенными в средней части корпуса прочным цилиндрическим отсеком для работы буровой штанги и размещения запаса труб, причем открытая снизу оболочка расположена под днищем прочного цилиндрического отсека, выполненного с камерой присоса, и соединена с ним посредством камеры присоса и выполненных на этой оболочке комингс-площадки и системы переходных люков с крышками для доступа бурового инструмента к грунту при открытых этих крышках. Недостатком известной подводной буровой платформы является сложная технология разработки данной конструкции и то, что буровая платформа снабжена устанавливаемой на грунт открытой снизу оболочкой, которая не обеспечивает надежную герметичность прохода буровой штанги. Осушить оболочку не представляется возможным из-за ее больших габаритов. Устанавливать подводную лодку на эту оболочку опасно.
Известен также технологический комплекс подводной добычи полезных ископаемых (Смотри патент RU №2140516, кл. Е21В 7/12, 33/035, 43/01), содержащий донную опорную плиту с устьевыми соединителями, основные водоотделяющие средства в виде изолированных друг от друга отсеков подводного бурового судна с эксплуатационным и буровым оборудованием, имеющих возможность герметичного соединения с устьевыми соединителями. Донная опорная плита снабжена установленной на соответствующих направляющих технологической тележкой с промежуточными водоотделяющими средствами для забуривания скважины под направлением и под эксплуатационное бурение, каждое из которых имеет возможность поочередного быстроразъемного герметичного соединения с отсеком роторного агрегата и оборудования грузоподъемной системы и устьевыми соединителями.
Технологический комплекс включает в себя подводное судно снабжения с мобильными модулями снабжения расходными материалами подводного бурового судна, а подводное буровое судно снабжено системой динамического позиционирования относительно судна донной опорной плиты, включающей по крайней мере один выдвижной руль и одну выдвижную поворотную колонку с движителем, а также центровочные элементы на корпусе, предназначенные для взаимодействия с соответствующими ответными элементами опорной фермы донной опорной плиты. Отсек роторного агрегата и грузоподъемной системы подводного бурового судна снабжен универсальным и вращающимися превенторами для обеспечения герметизации его помещения и технологических коммуникаций между собой и относительно водной среды. Подводное буровое судно снабжено посадочными местами и стыковочными узлами для установки на них мобильных модулей снабжения расходными материалами и дополнительно содержит отсек циркуляционной системы и буровых насосов, отсек цементированного оборудования, а также отсек оборудования системы ликвидации нефтяных и газовых проявлений.
Водоотделяющие средства для забуривания скважины под направление и эксплуатационного бурения снабжены элементами быстроразъемных замковых устройств для обеспечения быстроразъемного соединения с соответствующими элементами отсека роторного агрегата и грузоподъемной системы подводного бурового судна и с устьевыми соединителями донной опорной плиты и универсальными превенторами для обеспечения герметизации технологических коммуникаций относительно водной среды, причем водоотделяющее средство для эксплуатационного бурения дополнительно снабжено плашечными превенторами для осуществления герметизации скважин.
Донная опорная плита выполнена понтонного типа и содержит днище с расположенными по ее периметру балластными емкостями, а также устьевые соединители, установленные в соответствующих направляющих отверстиях донной опорной плиты. Донная опорная плита снабжена технологическими тележками с эксплуатационным оборудованием, число которых соответствует числу устьевых соединителей, которые установлены с возможностью перемещения по соответствующим направляющим, расположенным на днище донной опорной плиты, и совмещения стыковочных элементов эксплуатационного оборудования со стыковочными элементами соответствующих устьевых соединителей. Донная опорная плита снабжена жесткой фермой, которая содержит опоры и центровочные элементы для установки на них корпуса подводного судна.
Циркуляционная система бурового раствора выполнена изолированной от водной среды и внутренних помещений отсеков бурового судна и включает в себя по крайней мере один буровой насос с замкнутым оборотным водоснабжением, емкость бурового раствора с последовательно расположенными резервуарами с перемешивающими устройствами, причем всасывающая полость бурового насоса связана с емкостью бурового раствора, а нагнетательная через буровой манифольд, силовой вертлюг, внутреннюю полость буровой трубы и обратный клапан связана с рабочей полостью скважины, с внутренней полостью водоотделяющей колонны буровой трубы, верхняя часть которой связана с входной полостью виброочистителя, один выход которого через подпорный клапан связан с входной камерой емкости бурового раствора, а второй - с емкостью сбора шлама. Система ликвидации нефтяных и газовых проявлений выполнена изолированной от водной среды и внутренних помещений бурового судна и включает в себя контур отвода нефтяных и газовых проявлений и контур глушения скважины, причем контур отвода нефтяных и газовых проявлений включает в себя многофазный газожидкостный сепаратор, вход которого через противовыбросовый манифольд и через водоотделяющее средство для эксплуатационного бурения связан с полостью скважины, первый выход газожидкостного сепаратора связан гибким газопроводом с входом факельной установки, а второй гидравлический связан с резервной емкостью, а контур глушения скважины включает в себя последовательно соединенные емкости утяжеленного раствора, насос, блок глушения, противовыбросовый манифольд, водоотделяющее средство для эксплуатационного бурения и устьевой соединитель, связанный с полостью скважины.
Недостатком технологического комплекса является его опасность, т.к. он имеет большое количество узлов, которые могут привести к выходу из строя бурового оборудования из-за заливания его водой через быстроразъемные соединения. Большое количество быстроразъемных соединений и замковых устройств приводит к большой трудоемкости работ всего комплекса.
Посадочные места и стыковочные места для установки на них мобильных модулей снабжения расходными материалами ненадежны и трудоемки. Донная опорная плита, снабженная технологическими тележками с возможностью передвижения по направляющим, может привести к заклиниванию лодки и выходу из строя всего технологического комплекса. Создание циркуляционной системы, системы ликвидации нефтяных и газовых проявлений изолированных от водной среды усложнят технологию разработки и их обслуживание. Установка опорной плиты с креплением ее виброударным оборудованием небезопасна, т.к. работы будут проводиться в подледном положении.
Известна также подводная буровая установка для разработки месторождений углеводородов (нефти и газа) в арктическом шельфе (Смотри патент RU №2380541, кл. Е21С 50/00 - взятая за прототип). Она выполнена в герметичном корпусе, который снабжен двумя жестко смонтированными по противоположным бортам подводными лодками, снабженными люками и шлюзами приема и выпуска малых подводных аппаратов, причем рядом, на дне, якорями установлен вспомогательный блок, который конструктивно выполнен аналогично, но имеет внутри не буровую установку, а вспомогательное оборудование для приготовления бурового раствора и средства для очистки бурового шлама, а также очистительное устройство для очистки канализационных стоков, поступающих от всех блоков.
Подводная буровая установка и ее вспомогательный блок с подводными лодками снабжены обтекаемыми герметичными стойками, которые жестко укреплены на корме и в носовой части каждой из подлодок, и на этих стойках жестко укреплены корпусы этих блоков, причем внутри стоек монтируют указанные люки и шлюзы для малых подводных аппаратов, а под каждой из подлодок для более точного маневрирования и разворота на месте смонтированы поперек продольной оси дополнительно движители-винты с самостоятельным приводом каждый.
Подводная буровая установка опасна и неудобна при монтаже и обслуживании, т.к. ее направляют и монтируют под водой на глубине с помощью водолазов и техники, соединяют между собой кабелями и трубопроводами. Разделение буровой и вспомогательного оборудования для приготовления бурового раствора и очистки бурового шлама усложняет ее эксплуатацию. Работа с буровой установкой возможна только в надводном положении, из-за ее габаритов и количества оборудования и при работах в подводном положении будет разрушена.
Задачей предлагаемого изобретения является реализация безопасного и удобного компоновочного решения подводной буровой установки, обеспечивающей минимальную вероятность тяжелых воздействий на обслуживающий персонал даже при самых тяжелых аварийных ситуациях (масштабный прорыв газовой среды из скважины при бурении и т.п.), упрощение самой технологии выполнения работ, снижение трудоемкости, а также использование существующих мощностей судостроительных предприятий.
Исследования, проведенные Российским институтом Арктики и Антарктики (ААНИИ), подтверждают, что в вышеупомянутых морях толщина ровного льда, как правило, составляет 1,5-3 метров, торосы - до 25 метров. Движение битого льда или полей постоянное.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что одна подводная лодка выполнена в виде глубоководного бурового комплекса, состоящего из двух модулей, одного - технологического, обеспечивающего весь цикл строительства скважины, а другого - бурового. В состав технологического модуля входит система наддува бурового модуля, аккумуляторный отсек, соединенный с кабельным разъемом. В верхней части технологический модуль оснащен всплывающей аварийной камерой с узлами стыковки и самоходным подводным аппаратом также с узлами стыковки, а в нижней части - шлюзовой камерой с подъемно-лифтовым устройством. Буровой модуль расположен вертикально относительно технологического модуля и соединен с ним при помощи трубопровода и силовых кабелей. По центру бурового модуля размещена буровая установка с гидравлическим приводом.
В центре настила закреплен ротор с гидравлическим приводом, установленным с возможностью сдвигания по рельсам в сторону для освобождения отверстия для опускания бурильного оборудования на дно. В осевой плоскости бурового модуля размещены поэтажно донная опорная плита, блок превенторов, буровой инструмент, а с противоположной стороны размещен автомат подачи и свинчивания труб. Трубы размещены по радиусу на подсвечнике бурового модуля. В центре бурового модуля, в нижней его части, в поднятом состоянии расположена выдвижная труба диаметром, обеспечивающим проход блоку превенторов и донной опорной плиты, предотвращающая заливание водой бурового модуля. В носовой части глубоководного бурового комплекса вертикально расположены две емкости для выбуренной породы, жестко соединенные с буровым модулем. Носовая часть глубоководного бурового комплекса в районе бурового модуля оснащена дополнительной стойкой.
Вторая подводная лодка представляет собой атомный подводный энергетический комплекс. Он состоит из жилого модуля, оснащенного в верхней части через рубку всплывающей аварийной камерой, а в нижней части - шлюзовой камерой с подъемно-лифтовым устройством, а также турбогенераторным отсеком, реакторным отсеком.
В носовой части атомного подводного энергетического комплекса размещен барабан с приводом и с силовым кабелем, соединенным с необитаемым подводным аппаратом, служащим для слепой стыковки с кабельным разъемом глубоководного бурового комплекса. Стойки выполнены выдвижными и снабжены реечно-гидравлическим приводом с механизмом их разъединения при недостаточности усилия при выдергивании стоек из грунта и с возможностью сбрасывания их при аварийном всплытии. Глубоководный буровой комплекс и атомный подводный энергетический комплекс установлены на грунте на безопасном расстоянии друг от друга и снабжены стойками, укрепленными на корме и в носовой части.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид подводной буровой установки для разработки месторождений углеводородов (нефти и газа) в арктическом шельфе; на фиг.2 - глубоководный буровой комплекс; на фиг.3 - атомный подводный энергетический комплекс; на фиг.4 - разрез А-А глубоководного бурового комплекса.
Подводная буровая установка для разработки месторождений углеводородов (нефти и газа) в арктическом шельфе в подводном положении на глубине моря до 400 - 600 метров состоит из одной подводной лодки, выполненной в виде глубоководного бурового комплекса 1, и второй подводной лодки, выполненной в виде атомного подводного энергетического комплекса 2, установленных на грунте на безопасном расстоянии друг от друга и снабженных стойками 39, укрепленными на корме и в носовой части. Глубоководный буровой комплекс 1 состоит из двух модулей - технологического 3, обеспечивающего весь цикл строительства скважины, и другого - бурового модуля 5.
В состав технологического модуля 3 входит система наддува 4 бурового модуля 5, а также аккумуляторный отсек 6, соединенный с кабельным разъемом 7.
В верхней части технологический модуль 3 оснащен всплывающей аварийной камерой 8 с узлами стыковки 9 и самоходным подводным аппаратом 42 также с узлами стыковки 9, а в нижней части - шлюзовой камерой 10 с подъемно-лифтовым устройством 11.
Буровой модуль 5 расположен вертикально относительно технологического модуля 3 и соединен с ним при помощи трубопровода и силовых кабелей 12. По центру бурового модуля 5 размещена буровая установка 13 с гидравлическим приводом 14. В центре настила закреплен ротор 15 с гидравлическим приводом 16, установленным с возможностью сдвигания по рельсам 17 в сторону для освобождения отверстия для опускания бурильного оборудования 18 на грунт.
В осевой плоскости бурового модуля 5 размещены поэтажно донная опорная плита 19, блок превенторов 20, буровой инструмент 21, а с противоположной стороны размещен автомат подачи и свинчивания труб 22. Трубы 23 размещены по радиусу бурового модуля 5 на подсвечнике 24. Также в центре бурового модуля 5, в нижней его части, в поднятом состоянии расположена выдвижная труба 25 диаметром, обеспечивающим проход блоку превенторов 20 и донной опорной плиты 19, предотвращающая заливание водой бурового модуля 5.
В носовой части глубоководного бурового комплекса 1 вертикально расположены две емкости для выбуренной породы 26, жестко соединенные с буровым модулем 5. Носовая часть глубоководного бурового комплекса 1 в районе бурового модуля 5 оснащена дополнительной стойкой 27. Вторая подводная лодка представляет собой атомный подводный энергетический комплекс 2 и состоит из жилого модуля 28, оснащенного в верхней части через рубку 29 всплывающей аварийной камерой 30, а в нижней части - шлюзовой камерой 31 с подъемно-лифтовым устройством 32. Атомный подводный энергетический комплекс 2 содержит также турбогенераторный отсек 33, реакторный отсек 34. В носовой части атомного подводного энергетического комплекса 2 размещен барабан 35 с приводом 36 и с силовым кабелем 37, соединенным с необитаемым подводным аппаратом 38, служащим для слепой стыковки с корабельным разъемом 7 глубоководного бурового комплекса 1. Атомный подводный энергетический комплекс 2 оборудован стойками 39, выполненными выдвижными для установки его на грунт и снабженными реечно-гидравлическим приводом 40 с механизмом их разъединения 41 при недостаточности усилия при выдергивании стоек из грунта и с возможностью сбрасывания их при аварийном всплытии.
Подводная буровая установка для разработки месторождений углеводородов (нефти и газа) в арктическом шельфе работает следующим образом.
Глубоководный буровой комплекс 1 и атомный подводный энергетический комплекс 2 устанавливают на предварительно выдвинутые стойки 39, на подготовленные площадки в подледном положении на безопасном друг от друга расстоянии. После этого глубоководный буровой комплекс 1 и атомный подводный энергетический комплекс 2 выравнивают в горизонтальной плоскости с использованием реечно-гидравлического привода 40. На атомном подводном энергетическом комплексе 2 включают привод барабана 36 и необитаемый подводный аппарат 38 с закрепленным к нему силовым кабелем 37 направляют в сторону глубоководного бурового комплекса 1, где необитаемый подводный аппарат 38 стыкуется с кабельным разъемом 7. По силовому кабелю 37 подается напряжение на технологический 3 и буровой 5 модули. Включается система наддува 4 бурового модуля 5, открывается крышка (не показано) в нижней части бурового модуля 5, выдвигается выдвижная труба 25. Уровень воды поддерживается между датчиками верхнего и нижнего уровня в выдвижной трубе 25. Начинается процесс бурения скважины. Устанавливается донная опорная плита 19 на грунт, на нее устанавливают блок превенторов 20. Все операции проводят с использованием бурового инструмента 21 и буровой установки 13, после этого производят бурение и наращивание труб 23 с захватом их автоматом подачи и свинчивания труб 22.
Все оборудование бурового модуля 5 работает в газовой среде с давлением, равным забортному, что позволяет дистанционно управлять и контролировать весь процесс создания скважины. При загрузке крупного оборудования, такого как донная опорная плита 19, блока превенторов 20 оно должно проходить через отверстие в выдвижной трубе 25 диаметром не менее четырех метров.
Атомный подводный энергетический комплекс 2 обеспечивает электроэнергией технологический модуль 3 и буровой модуль 5. Атомный подводный энергетический комплекс 2 оборудован жилым модулем 28, который направляет посменно бригаду специалистов для работ с оборудованием на технологическом модуле 3 и оборудованием, размещенным в буровом модуле 5.
Бригада специалистов после окончания работ на технологическом модуле 3 глубоководного бурового комплекса 1 покидает его и возвращается на атомный подводный энергетический комплекс 2, используя самоходный подводный аппарат 42.
С помощью шлюзовых камер 10, 31 с подъемно-лифтовым устройством 11 необходимо производить периодический осмотр всей буровой установки. Всплывающие аварийные камеры 8 и 30 при форсмажерных обстоятельствах позволят покинуть лодки.
При выеме стоек 39 из грунта реечно-гидравлическим приводом 40 и недостаточном усилии стойки 39 разъединяются с использованием механизма разъединения 41. Буровой модуль 5 снабжен двумя емкостями 26 для выбуренной породы, образуемой в процессе бурения. После завершения процесса бурения скважины буровая установка 13 поднимает выдвижную трубу 25.
Закрывается крышка (не показано), снижается давление в буровом модуле 5, отсоединяется от глубоководного бурового комплекса 1 силовой кабель 37 и глубоководный буровой комплекс 1 возвращается на базу для приема труб 23 и расходных материалов для последующего бурения.
С помощью предлагаемого изобретения будет достигнута безопасность и удобство ведения буровых работ, упрощение самой технологи, выполнения работ, снижение трудоемкости, а также использование существующих мощностей судостроительных предприятий.