ПЛАВАЮЩАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ БУРЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МОРСКИХ СКВАЖИН В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
FLOATING PLATFORM FOR SEA WELLS BORING AND PRODUCTION IN ARCTIC CONDITION

Изобретение относится к области газовой и нефтяной промышленности.
Известно оборудование для бурения и эксплуатации морских скважин, содержащее платформу, бурильную установку, насос, бурильные и обсадные трубы, породоразрущающий инструмент, нефтяной погружной насос и станок-качалку, которое является наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому изобретению (см. US 4059148 A, кл. E21B 7/12, опубл. 22.11.1977, 13 с.).
Известны колонны бурильных и обсадных труб, труб и штанг для нефтяных погружных насосов с высаженными концами, на которых нарезана коническая, наружная и внутренняя резьба (см. Иогансен К.В. Спутник боровика. - М.: Недра, 1981-199 с. Грей Форест. Добыча нефти. - М.: ЗАО «Олимп Бизнес», 2001. - 230-240 с. Муравьев В.М., Середа Н.Г. Спутник нефтяника. - М.: Недра, 1971. - 233 с.; см. Вадетский Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин. - М.: ACADEMA, 2004, с.63, табл.213. Абубакиров В.Ф. Буровое оборудование, справочник, т.2. - М.: Недра, 2008. с.20, 34).
Известны ледоколы для разрушения льда (см. Фрид Е.Г. Устройство судна. - Л.: Судостроение, 1970. - 11 с.).
Недостатками оборудования для бурения и эксплуатации морских скважин являются:
- при спуске колонны бурильных и обсадных труб в процессе бурения газовых и нефтяных скважин, труб и штанг погружных насосов на дно Северного ледовитого океана и в скважину на глубину 8000-20000 м собственный вес штанг и труб превышает предел прочности стали, а следовательно, происходит разрушение труб и резьб в соединительных узлах, а при установке колонн труб и штанг на дно скважины происходит потеря устойчивости и их разрушение; по этой же причине ограничена рабочая глубина установки плунжерных насосов, которая составляет 650-2900 м, ограничен диаметр плунжера и наружный диаметр насоса и его производительность;
- увеличивается нагрузка на крюк, трос, лебедку и двигатель внутреннего сгорания при подъеме и спуске бурильных и обсадных труб и на детали станка качалки погружных насосов;
- бурение скважин с плавающих платформ на Северном полюсе до настоящего времени не проводилось, поэтому не предусматривалась их защита от льда.
Техническим результатом оборудования для бурения и эксплуатации морских скважин и защита его от разрушения льдами на северном полюсе является обеспечение безопасной работы бурильной установки в процессе бурения и эксплуатации газовых и нефтяных скважин, погружных насосов, станков-качалок и плавающих нефтяных платформ во льдах.
Для решения поставленной задачи оборудование для бурения и эксплуатации морских скважин, содержащее платформу, бурильную установку, насос, бурильные и обсадные трубы, породоразрущающий инструмент, нефтяной погружной насос и станок-качалку, отличается тем, что трубы и штанги с водозащитным покрытием выполнены из стали, или титана, или алюминиевых сплавов, или металлокерамики, или полимеров, снабжены отдельными съемными баллонами с водозащитным покрытием, заполненными газообразным или инертным газом под давлением 0,0001-188,4 МПа, цельнолитых баллонов как для обсадной, водоотделяющей, колонны, для бурильных или насосных штанг, при этом баллоны в виде труб будут по отношению к ним наружными, бурильные и обсадные трубы так же, как и насосные штанги и трубы выпускаются стандартных размеров в соответствии с ГОСТами, диаметр внешней трубы баллона 70-700 мм должен выбираться с учетом существующих диаметров изготавливаемых труб таким образом, чтобы обеспечивалось такое межтрубное пространство, при котором можно создать определенное допустимое давление внутри баллона для обеспечения необходимой плавучести или сварных баллонов, выполненных в виде наружных труб диаметром 70-700 м и внутренних диаметром 42-169 и заглушек, или баллоны сварной конструкции с водозащитным покрытием установлены на трубах и штангах неподвижно, содержащие наружную трубу диаметром 70-700 м и заглушки, литые баллоны выполнены из стали, или титана, или алюминиевых сплавов, или металлокерамики, или полимеров, или упругого материала, а сварные - из стали, или титана или алюминиевых сплавов, баллоны установлены на трубах и штангах на концах труб и штанг и в средних их частях, а на колоннах труб и штанг баллоны установлены на расстоянии 0,5-8 м друг от друга, колонны обсадных труб с баллонами соединены с главной плавающей платформой, расположенной во льдах, которая закреплена тросами, соединенными с баллонами с водозащитным покрытием, заполненными газообразным азотом или инертным газом под давлением 0,0001-184,5 МПа, и якорями ко дну океана, на которой установлены бурильная установка, компрессорная станция и нефтеналивные емкости, связанные с трубопроводом и плунжерным погружным насосом, указанная платформа снабжена ледоколом для защиты ее от давления льда, на колонне обсадных труб установлены датчики для предупреждения плавающих средств о ее месте расположения и робот с видеокамерой для точного определения устья скважины на дне океана при установке колонны обсадных труб в скважину и обследования их в процессе эксплуатации, колонна бурильных труб с баллонами и шарошечным инструментом диаметром 120-490 мм расположена с опорой напрямую на разрушаемую породу при бурении скважины или колонна бурильных труб с баллонами и шарошечным инструментом расположена в полости колонны труб диаметром 800-1000 мм с баллонами с опорой на дно океана для временного ее использования на период бурения скважины и установки обсадных труб, в нижней части временной колонны труб и колонны обсадных труб выполнены окна на расстоянии 0-5000 м от дна океана для выхода разрушенного шарошкой шлама и соленого раствора, подаваемого по каналу бурильных труб насосом под давлением 25,4 МПа, установленным на плавающей платформе, на обсадной трубе установлена подвижная труба с грузом, подвешенная на канатах с баллонами к платформе, внутренняя полость которой выполнена цилиндрической или конической формы, повторяющая цилиндрическую или коническую форму обсадной трубы в месте расположения окон для их перекрытия после окончания бурения скважины.
На чертеже показано оборудование для бурения и эксплуатации морских скважин и защита его от разрушения льдами на Северном полюсе. На чертеже а, б, в, г показан общий вид бурильных и обсадных труб, насосных труб и штанг для погружных насосов с литыми баллонами; на чертеже д показана колонна бурильных труб с шарошечным буровым инструментом и колонна обсадных труб с литыми и сварными съемными баллонами и сварными неразъемными баллонами; на чертеже е показаны колонны насосных труб и штанг погружного плунжерного насоса и колонна обсадных труб с литыми и сварными съемными баллонами и сварными неразъемными баллонами.
Колонны, содержащие трубы 1, 2, 3 и штанги 4 с водозащитным покрытием, выполнены из стали, или титана, или алюминиевых сплавов, или металлокерамики, или полимеров, снабжены отдельными съемными баллонами с водозащитным покрытием, заполненными газообразным или инертным газом под давлением 0,0001-188,4 МПа цельнолитых баллонов 5 как для обсадной, водоотделяющей, колонны для бурильных или насосных штанг, при этом баллоны в виде труб будут по отношению к ним наружными, бурильные и обсадные трубы так же, как и насосные штанги и трубы выпускаются стандартных размеров в соответствии с ГОСТами, диаметр внешней трубы баллона 70-700 мм должен выбираться с учетом существующих диаметров изготавливаемых труб таким образом, чтобы обеспечивалось такое межтрубное пространство, при котором можно создать определенное допустимое давление внутри баллона для обеспечения необходимой плавучести, или сварных баллонов 6, выполненных в виде наружных труб 7 диаметром 70-700 мм, и внутренних 8 диаметром 42-169 мм и заглушек 9, 10, или баллоны 11 сварной конструкции с водозащитным покрытием установлены на трубах 1, 2, 3 и штангах 4 неподвижно, содержащие наружную трубу 12 диаметром 70-700 мм и заглушки 13, 14, литые 5 баллоны выполнены из стали, или титана, или алюминиевых сплавов, или металлокерамики, или полимеров, или упругого материала, а сварные 6, 11 - из стали, или титана, или алюминиевых сплавов, баллоны 5, 6, 11 установлены на трубах и штангах на концах труб и штанг и в средних их частях, а на колоннах 15, 16, 17 труб и штанг 18 баллоны установлены на расстоянии 0,5-8 м друг от друга, колонны обсадных труб 16 с баллонами 5, 6, 11 соединены с главной плавающей платформой 19, расположенной во льдах 20, которая закреплена тросами, соединенными с баллонами с водозащитным покрытием, заполненными газообразным азотом или инертным газом под давлением 0,0001-188,4 МПа и якорями ко дну океана (на чертеже тросы, баллоны и якоря не показаны), на которой установлена бурильная установка, компрессорная станция и нефтеналивные емкости, связанные с трубопроводом 17 и плунжерным погружным насосом 21, указанная платформа снабжена ледоколом (на чертеже ледокол не показан) для защиты ее от давления льда, на колонне обсадных труб 16 установлены датчики 22 для предупреждения плавающих средств о ее месте расположения и робот с видеокамерой для точного определения устья скважины на дне океана при установке колонны обсадных труб в скважину и обследования их в процессе эксплуатации, колонна 15 бурильных труб с баллонами 5, 6, 11 и шарошечным инструментом 23 диаметром 76-508 мм расположена с опорой напрямую на разрушаемую породу при бурении скважины или колонна бурильных труб с баллонами и шарошечным инструментом расположена в полости колонны труб диаметром 800-1000 мм с баллонами с опорой на дно океана для временного ее использования (на чертеже колонна указанных труб с баллонами не показана) на период бурения скважины и установки обсадных труб 16, в нижней части временной колонны труб и колонны обсадных труб выполнены окна 24 на расстоянии 0-5000 м от дна океана для выхода разрушенного шарошкой 23 шлама и соленого раствора, подаваемого по каналу бурильных труб 15 насосом (на чертеже насос не показан) под давлением 25,4 МПа, установленным на плавающей платформе 19, на обсадной трубе установлена подвижная труба 25 с грузом 26, подвешенная на канатах с баллонами к платформе (на чертеже канаты и баллоны не показаны), внутренняя полость которой выполнена цилиндрической или конической формы, повторяющая цилиндрическую или коническую форму обсадной трубы в месте расположения окон 24 для их перекрытия после окончания бурения скважины.
Максимальное давление газа в баллонах зависит от допускаемого давления газа и воды на стандартные бурильные трубы (например, для бурильной трубы прочности М диаметром 73 мм с толщиной стенки 11 мм допускаемое сжимающее давление газа и воды на трубы составляет 188,4 МПа, а минимальное давление газа в баллонах зависит от глубины погружения бурильной трубы в воду).
Минимальный диаметр внешней трубы баллона, равный 100 мм, в скважине определяется стандартными диаметрами бурильных труб 42-169 мм, а максимальный - 450 мм определяется стандартными размерами долот, равными 120-490 мм. Наибольший диаметр, равный 700 мм внешней трубы баллона, расположенного над устьем скважины, в воде моря определяется весом колонны бурильных труб, которая зависит от глубины дна моря и глубины скважины и размера полости, в которой расположен ротор бурильной установки, для свободного спуска в скважину и подъема колонны бурильных труб с баллонами на поверхность платформы.
Максимальный диаметр внешней трубы баллона, равный 70-80 мм, определяется по внутреннему диаметру стандартной насосной трубы, равному 93 мм и 120 мм, минимальный диаметр баллона - по наружному диаметру стандартной насосной штанги, равному 22 мм, 25 мм, 32 мм и 42 мм.
Максимальный диаметр внешней трубы баллона, равный 450 мм, для насосной трубы определяется по внутреннему диаметру стандартной обсадной трубы, расположенной в скважине, а минимальный диаметр баллона - по наружному диаметру стандартной насосной трубы, равному 112,5 мм и 137,5 мм. По мере увеличения глубины диаметр скважины уменьшается до 215,5, 175,5, 137,5 мм, а следовательно, уменьшается и наружный диаметр внешней трубы баллона.
Наибольший диаметр, равный 550 мм внешней трубы баллона, для насосной трубы, расположенного на устьем скважины в воде моря определяется по внутреннему диаметру стандартной трубы, равному 600 мм, а минимальный диаметр баллона - по наружному диаметру стандартной насосной трубы, равному 112,5 мм и 137,5 мм.
Расстояние между баллонами определяется стандартной длинной бурильных и обсадных труб, а также насосных штанг и труб 6,8-11,5 м.
Для приготовления соленого раствора в емкости, заполненной морской водой, добавляют соль и ее перемешивают специальными устройствами.
Оборудование для бурения и эксплуатации морских скважин и защита его от разрушения льдами на Северном полюсе работает следующим образом.
Перед началом бурения собирается колонна бурильных труб 15 с баллонами 5, 6, 11 (см. чертеж, а, д), заполненными газом под давлением, и породоразрушающий инструмент 23, например шарошка, и опускается на дно океана. За счет использования баллонов со сжатым газом колонна бурильных труб находится в вытянутом состоянии в направлении поверхности воды.
Бурильной установкой, установленной на плавающей платформе 19, приводится во вращение колонна бурильных труб 15 и шарошечный инструмент 23 диаметром 490 мм и одновременно через рукава, вертлюг, каналы колонны указанных труб и бурового инструмента насосом под давлением 25,4 МПа на забой подается соленый раствор. С этого момента начинается процесс бурения скважины в мягких породах. Разрушенный буровой шлам и соленый раствор выносятся из скважины на дно океана.
После этого в пробуренную скважину опускается колонна обсадных труб 16 с окнами 24 и подвижной трубой 25 с грузом 26 без баллонов и с баллонами 5, 6, 11 от поверхности воды до дна океана, на которой установлен робот с видеокамерой (на чертеже, д робот не показан), для точного определения устья скважины на дне океана.
Лучше колонну бурильных труб 15 с баллонами 5, 6, 11 и шарошечным инструментом 23 диаметром 490 мм расположить в полости колонны труб с баллонами и окнами временного пользования (на чертеже указанная колонна труб с баллонами и окнами не показана) с опорой на породу на дне океана на период бурения и установки обсадных труб.
В данном случае нет необходимости использования робота с видеокамерой для нахождения устья скважины на дне океана.
Бурение в твердых породах продолжается меньшим диаметром шарошки бурильными трубами с баллонами до газоносного и нефтяного слоя породы. Вынос разрушенного шарошечным инструментом шлама и соленого раствора из скважины осуществляется насосом через окна 24 обсадной трубы 16 на дно океана. После завершения бурения скважины канаты на платформе освобождают и труба 25 с грузом 26, подвешенная к этим канатам, опускается вниз и перекрывает окна 24 обсадной трубы, или подъемным устройством канат, связанный с подвижной трубой, перемещается вверх и отрывает его от петли подвижной трубы, которая перемещается вниз и перекрывает указанные каналы.
Затем плунжерный нефтяной насос (см. чертеж, е) в собранном виде соединяют с колоннами насосных штанг 18 с баллонами 11, например, цилиндрическо-конической формы и труб 17 с баллонами и их одновременно опускают в обсадные трубы 16 с баллонами 5 на дно скважины в нефтяной слой на глубину 8000-20000 м и более. Колонна 16 обсадных труб соединена с плавающей нефтяной платформой 19.
Колонны насосных труб и штанг с баллонами погружного плунжерного насоса и колонна обсадных труб с баллонами постоянно находятся в вытянутом состоянии в направлении поверхности воды, поэтому растягивающая и сжимающая нагрузка в поперечном сечении насосных труб и штанг и обсадных труб в резьбовых соединительных узлах от собственного веса уменьшается, а следовательно, гарантирована их длительная и безопасная работа в процессе эксплуатации газовых и нефтяных скважин.
Кроме этого, в процессе работы станка-качалки снижается нагрузка на его детали и обеспечивается плавное перемещение плунжера насоса и штанг.
Можно использовать станки-качалки с меньшей мощностью электродвигателя и плунжерные насосы с большим диаметром плунжера, а следовательно, повысить их производительность.
Для защиты платформы от давления льда на корпус и предотвращения ее перемещения относительно устья скважины платформа снабжена ледоколом для разрушения и очистки льда по периметру платформы.
Без ледокола бурить нефтегазовые скважины и их эксплуатировать невозможно, поскольку огромные поля льда толщиной 1,5-2,5 м непрерывно перемещаются, разрушая при этом все, что им встретилось на их пути.