СПОСОБ ОБУСТРОЙСТВА ГАЗОВЫХ И НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ И ТУНДРЫ И СИСТЕМА, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩАЯ
METHOD OF OIL-AND-GAS FIELD CONSTRUCTION IN PERGELISOL AND TUNDRA AND SYSTEM TO THIS END

Настоящие изобретения относятся к нефтегазодобывающей отрасли, в частности к доставке, монтажу и эвакуации буровых и добычных установок на месторождениях в условиях тундры и вечной мерзлоты.
Условия вечной мерзлоты характерны, например, для полуострова Ямал, на территории которого расположено большое количество нефтяных и газовых месторождений. Площадь полуострова измеряется десятками тысяч квадратных километров. В летнее время полуостров покрывается множеством озер и речушек: глубина оттаивания грунта составляет около 1,5 м. Таким образом, возникает существенная проблема с транспортировкой оборудования при обустройстве нефтегазовых месторождений. Необходимо отметить также наличие в летний период гнуса, способствующего значительному снижению производительности труда рабочих.
Обычно для транспортировки буровых/добычных установок на месторождения в тундре прокладываются дороги способом отсыпки грунта с соответствующей теплоизоляцией дорожного полотна в зимний период. В результате применения данного метода экосистема разрушается практически навсегда. На зимний период (так называемых «зимников») прокладка дорог влияет на окружающую среду в меньшей степени, но время их существования ограничено, и это не исключает нарушения целостности растительного покрова почвы.
Известно, что монтаж самих буровых/добычных установок и формирование соответствующей инфраструктуры в этих условиях производится на теплоизолированном насыпном грунте. Другим общеизвестным вариантом обустройства месторождений является монтаж функциональных сооружений на сваях, погружаемых (забиваемых) в скважины, выбуренные в слое вечной мерзлоты. Ликвидация как насыпных, так и свайных оснований сопряжена с затратами, по уровню сопоставимыми со стоимостью их сооружения.
Альтернативой строительству дорог в условиях вечной мерзлоты является применение так называемых амфибийных средств (судов на воздушной подушке - СВП). В северных районах данные транспортные средства используют для перевозки пассажиров и сравнительно небольших грузов. Применение СВП позволяет минимизировать степень воздействия человека на окружающую среду и, в ряде случаев, является экономически более выгодным по сравнению с использованием вертолетов.
Существуют СВП большой грузоподъемности, позволяющие перемещать грузы массой в сотни тонн. Английское судно СР № 4, построенное в 1967 г., - одно из первых СВП с повышенной мореходностью, предназначено для перевозки пассажиров и грузов через пролив Ла-Манш при волнах высотой до 3 м. Данная модель имела сопловую схему образования подушки с гибким ограждением высотой 2,1 м, водоизмещение судна - 167 т, максимальная скорость движения - 120 км/ч, на нем можно разместить 670 пассажиров, либо 174 пассажира и 30 автомобилей. Во Франции есть СВП N500.002, имеющее общую массу - 265 т, полезный груз - 90,3 т, длину - 50 м, ширину - 23 м, скорость - до 135 км/ч (Демешко Г.Ф. Проектирование судов: амфибийные суда на воздушной подушке. - С.-Пб.: Судостроение, 1992, т.2, с.323). Имеются данные о проектах СВП грузоподъемностью до 1500-4000 т и скоростью до 180 км/ч.
Такие суда могли бы быть использованы для транспортировки функциональных блоков буровых/добычных установок. Но в данном изобретении рассматривается комплексная задача обустройства нефтегазовых месторождений, а не только транспортировка оборудования и монтажных блоков. Изобретение включает в себя цепочку: «транспортировка-монтаж-эксплуатация-демонтаж-транспортировка».
Активно ведутся работы и по формированию ледостойких комплексов для освоения нефтегазовых месторождений на арктическом шельфе (см., например, Патент РФ № 2123088, МКИ Е02В 17/00, опубл. 1998. 12), предусматривающих доставку и установку донной опорной плиты, а затем расположение над ней самоходной плавучей буровой установки.
Данное изобретение выбирается в качестве прототипа, так как оно наиболее близко к заявляемым изобретениям, но отличается областью применения. Прототип нельзя использовать для освоения месторождения на арктическом шельфе на нефтегазовых месторождениях, расположенных в зоне вечной мерзлоты. Это создает особые проблемы для их освоения.
Первой задачей, решаемой данным изобретением, является транспортировка грузов в условиях тундры и вечной мерзлоты с достижением технического результата, связанного с ускорением по обустройству нефтегазовых месторождений и сохранением экологической обстановки.
Второй задачей, решаемой данным изобретением, является создание оборудования, обеспечивающего достижение следующих технических результатов:
1) оперативное формирование соответствующего комплекса для освоения месторождений, расположенных в условиях тундры и вечной мерзлоты;
2) использование внутренних резервов вечной мерзлоты при функционировании предлагаемого комплекса;
3) транспортировка комплекса в базовый лагерь или на другое месторождение по окончании работ с восстановлением исходного состояния поверхностного слоя.
Первая задача решена следующим образом. Согласно настоящему изобретению в известном способе обустройства газовых и нефтяных месторождений в условиях вечной мерзлоты и тундры в качестве опорной плиты для бурения используют судно на воздушной подушке (платформу) с расположенной не нем буровой вышкой в сложенном виде, которое доставляется к месту бурения скважин самоходом, позиционируют на месте бурения с помощью подтаивания (для выравнивания) и/или замораживания верхних слоев грунта до слоя вечной мерзлоты с последующей фиксацией на нем платформы, для чего вышеуказанное судно предварительно снабжено тепловыми и холодильными агрегатами, после чего с данного судна снимают элементы движительной установки и на их месте осуществляют монтаж буровой вышки. Остальные блоки буровой установки (энергоблок, буровые и цементировочные насосы, циркуляционная система, исходные компоненты бурового и цементного растворов, жилые и служебные помещения) размещают на другой платформе, которую обустраивают по аналогичной технологии монтажа, позиционирования и демонтажа.
Выбранная порода с отработанным буровым раствором по мере накопления транспортируют в отвалы или используют для формирования огражденной со всех сторон насыпи, которая после замерзания и последующей теплоизоляции может быть использована в качестве фундамента для добычного комплекса.
По завершении работы данного комплекса его в обратном порядке разбирают, после снятия буровой вышки восстанавливают движители, путем подтаивания освобождают от привязки к грунту и перемещают на новое место.
Данное изобретение обладает существенными отличиями от традиционных решений. Основное отличие заключаются в применении в качестве опорной плиты (фундамента) судна с воздушной подушкой, одновременно являющегося транспортом для доставки и установки буровой установки на месторождение. Платформу оснащают тепловыми и холодильными устройствами, с помощью которых замораживают грунт до слоя вечной мерзлоты, в результате чего формируют монолит, служащий опорой буровой установке.
Предлагаемый способ обустройства газовых и нефтяных месторождений в условиях вечной мерзлоты и тундры является новым изобретением, так как не следует из известного уровня техники, а скорее противоречит сложившимся тенденциям обустройства предлагаемых газовых и нефтяных месторождений в условиях вечной мерзлоты и тундры. Известно, что проблема транспорта в условиях севера решается частично путем использования вертолетов и судов на воздушной подушке (СВП), важнейшими достоинствами которых являются:
- скорость;
- отсутствие необходимости в строительстве дорог;
- минимум ущерба для окружающей среды.
Но используемые в настоящее время типы этих транспортных средств обладают ограниченной грузоподъемностью и поэтому не могут быть применены для транспортировки функциональных блоков буровых, добычных и других модулей, необходимых для обустройства месторождений. В обычных условиях для этих целей используются тягачи и автомобили повышенной проходимости и большой грузоподъемности. Кроме того, при сопловом способе образования воздушной подушки СВП имеет плоское дно, что позволяет донную конструкцию использовать как платформу.
Предлагаемый способ является новым техническим и технологическим решением. Он позволяет обустраивать газовые и нефтяные месторождения посредством переоборудования судов на воздушной подушке в буровой комплекс на период освоения и эксплуатации месторождения путем полного или частичного демонтажа оборудования, обеспечивающего передвижение судна, монтажа на платформах-носителях соответствующих технологических, энергетических, служебных и жилых модулей бурового и добычного комплексов. Стабилизация положения на грунте (воде) платформы (носителя бурового/добычного оборудования) осуществляется за счет замораживания грунта под платформой.
Важнейшими отличиями этого способа от традиционного обустройства нефтегазовых месторождений является:
1) формирование под платформой-носителем в качестве фундамента монолита из мерзлого грунта, опирающегося на слой вечной мерзлоты;
2) минимизация вредного воздействия на окружающую среду (тундру), что достигается путем:
- использования судов на воздушной подушке для транспортировки грузов между месторождением и базовым лагерем;
- замораживания грунта непосредственно под платформой на период эксплуатации;
- вывоза (при необходимости) бурового шлама судами на воздушной подушке в предусмотренные отвалы для последующей их переработки и утилизации;
3) для уменьшения количества гнуса создание в рабочих зонах воздушного потока (ветра) с помощью вентиляторов, снятых с СВП.
Кроме того, предлагаемый способ может оказаться практически единственным экономически оправданным вариантом обустройства месторождений в условиях равнинной тундры при значительной удаленности их от базовых лагерей (селений, имеющих водные или наземные коммуникации с «большой землей»).
Заявителем был проведен патентно-информационный поиск по данной теме, показавший, что предлагаемая совокупность существенных отличительных признаков не выявлена. Поэтому данный способ можно считать новым.
Вторая задача решена следующим образом. В известных системах обустройства газовых и нефтяных месторождений в условиях вечной мерзлоты и тундры применен насыпной грунт с соответствующей теплоизоляцией или ростверк, сформированный на сваях, заглубленных в вечную мерзлоту. Согласно настоящему изобретению в качестве опорной плиты использована платформа - корпус судна на воздушной подушке, у которого сверху вместо движителей установлена буровая установка, в днище расположены трубопроводы, а фиксация судна на грунте (на воде) осуществлена путем замораживания грунта (воды) под днищем с помощью холодильных и тепловых устройств.
Такое новое техническое решение обладает существенными отличиями по сравнению с прототипом, заключающимися в том, что днищевая несущая конструкция СВП - платформа имеет двойное дно с размещенными внутри трубопроводами, по которым циркулирует хладагент для регулировки температуры в системе. Таким образом, осуществляется заморозка грунта. В результате удается обеспечить жесткую фиксацию на грунте судна на воздушной подушке и соответственно буровой установки, расположенной на нем.
Предлагаемое устройство соответствует критерию патентоспособности по «изобретательскому уровню», так как данное техническое решение логически не следует из известного уровня техники для специалиста средней квалификации.
Общеизвестно применение систем обустройства месторождений с помощью тягачей и автомашин повышенной проходимости и грузоподъемности, а также использование бетонных плит или монолитов в качестве фундаментов. Но данные устройства не позволяют решить вопросы экологии областей вечной мерзлоты, а самое главное, сохранности верхних слоев тундрового грунта.
При строительстве зданий и сооружений в условиях вечной мерзлоты для обеспечения их устойчивости в качестве фундаментов применяются:
- сваи, погруженные (забитые) в предварительно пробуренные скважины на глубину до 7-9 м;
- насыпи (подсыпки) грунта или какого-либо другого плохо теплопроводящего материала (например, шлаков с пористой структурой и/или бетонных плит с ячеистой структурой). При этом иногда в подвальном помещении здания специально поддерживается низкая температура.
Заявителем был проведен патентно-информационный поиск и сделаны выводы об отсутствии совокупности существенных признаков в работах по данной тематике. Поэтому данную разработку можно считать новой. Предлагаемые изобретения поясняются чертежами и нижеследующим описанием, подтверждающим практическую применимость данных новых технических решений.
Данный способ и устройство формируются при их сочетании::
- по конструкции судов на воздушной подушке;
- по криогенной (холодильной) технике;
- по составам и параметрам модулей буровых и добычных комплексов.
Суда на воздушной подушке (СВП), образованной нагнетаемым под днищем воздухом, могут двигаться с большой скоростью как над водой, так и на небольшом расстоянии от твердой поверхности.
Принципиально новым техническим решением является использование двойного дна в несущей конструкция днищевой части СВП, в котором размещаются тепловые и холодильные установки.
На фиг.1 схематически представлен вариант такой платформы. Для этих целей несущая платформа должна быть оборудована
- холодильной установкой - поз.1;
- циркуляционным насосом (или компрессором) - поз.2;
- нагревателем - поз.3.
За счет отрицательной температуры холодоносителя в трубопроводе, расположенном в зазоре двойного дна и прилегающим к нижней обшивке дна, происходит «примораживание» платформы к грунту/воде и образование ледяного монолита. Скорость замораживания грунта определяется температурой хладагента (гликоля или иного теплоносителя с низкой температурой замерзания), плотностью размещения труб на днище и теплопроводностью материала между трубами и днищем. Для повышения эффективности процесса замораживания над трубами размещено второе дно, покрытое тепловой изоляцией с внутренней стороны. Для «оттаивания» днища от грунта достаточно нагреть теплоноситель до незначительной положительной температуры. При таком способе формирования фундамента обеспечивается сохранность растительности на грунте.
Для обеспечения прочности конструкции платформы между нижним и верхним дном располагаются ребра, которые показаны на фиг.1 (поз.7).
На фиг.1 условно показано также размещение:
- вертикального нагнетателя воздуха под днищем платформы - поз.5;
- домкратов, обеспечивающих подъем платформы для создания пространства под воздушной подушкой после оттаивания днища ото льда, - поз.8;
- вентиляторов, обеспечивающих движение платформы в горизонтальной плоскости, - поз.9;
- скважин (при кустовом способе бурения) - поз.6.
Размещение воздуховодов и сопел, создающих воздушную подушку под днищем, а также других конструктивных элементов на рисунке не показано.
Платформы для размещения, транспортировки и монтажа других элементов бурового и добычных комплексов могут иметь иные габариты, однако набор функциональных элементов самой платформы за исключением района размещения скважин остается одинаковым.
Масса стальной платформы без транспортируемого груза составляет около 150 т. Использование хладостойких алюминиевых сплавов позволит уменьшить массу платформы. При избыточном давлении воздуха под днищем, равном 200 мм вод. столба, грузоподъемность платформы составит 250 т. Наиболее сложной транспортной операцией является доставка на месторождение буровой вышки, общая высота которой с порталом может достигать 50 м. Транспортировка такой вышки в вертикальном положении из-за большого момента инерции в процессе движения может привести к аварии СВП. Поэтому ее транспортировка должна производиться в горизонтальном положении.
На фиг.2а-в представлен вариант укладки буровой вышки на платформе.
Для бурения «кустовым» способом вышка состоит из 2-х частей:
- собственно вышки;
- портала, на который эта вышка устанавливается - поз.10.
В данном варианте сама вышка собирается на месте из 2-х частей: верхней - поз.11 и нижней - поз.12.
Для последующего подъема/сборки верхней и нижней частей вышки на портале может быть использована штатная лебедка - поз.13 и специальные приспособления (укосины - подъемные стрелы, полиспасты и т.д.), а также временные раскрепления ног вышки в случае, если вышка имеет конструкцию типа «А».
При наличии на этой же платформе крана (для подачи труб при бурении в подвышечное пространство) проведение операций подъема/сборки упрощается. Этот же кран может быть использован для демонтажа движительного оборудования СВП (или его последующего монтажа по окончании эксплуатации).
Возможны другие варианты конструкции самой вышки и способов ее укладки на платформе и подъема.