Классификация гидротехнических сооружений и область их применения

Введение

 

Морскими будем называть нефтегазовые сооружения (МНГС), которые осуществляют процессы, связанные с добычей, транспортировкой, хранением и обработкой нефти и газа с месторождений, расположенных на акваториях морей и связанных с ними водоемов. Кроме сооружений, расположенных непосредственно в морской акватории, к условно морским можно отнести нефтегазовые сооружения на прибрежных территориях, объединяемые технологическими процессами в общий морской нефтегазовый комплекс.

Имея в виду эти определения МНГС, приведем условные определения, характеризующие принципиальные признаки и отличительные особенности МНГС.

"Чисто" морскими или просто "морскими" будем называть сооружения, находящиеся постоянно или временно на морской акватории.

К таким сооружениям относятся:

1) Стационарные и плавучие сооружения, называемые "платформами и буровыми судами". Они предназначены для размещения на них комплекса оборудования, необходимого при бурении разведочных и эксплуатационных скважин, а также для первичной обработки добываемого продукта (нефть, газ, газовый конденсат).

Под первичной обработкой понимается очистка добываемой нефти от механических примесей (например, песка) от воды, поступающей из скважин вместе с нефтью. На буровых судах и платформах размещается необходимое для выполнения технологических операций оборудование и материалы, а также помещения для размещения обслуживающего персонала.

2) Подводные трубопроводы, предназначенные для транспортировки нефти и газа от платформ к сооружениям, на которых осуществляется сбор и длительное хранение или накопление перекачиваемого продукта для загрузки его в танкеры.

3) Хранилища (накопители) нефти и газа, располагаемые в акватории моря или на платформах, а также на прибрежной территории.

4) Объекты, предназначенные для швартовки нефтеналивных судов или газоводов. Они могут размещаться как в морской акватории на значительном расстоянии от берега, так и вблизи берега.

5) Причальные береговые стенки и выносные эстакады для причаливания танкеров и различных вспомогательных судов, а также ограждающие сооружения.

6) Порты, предназначенные для строительства морских нефтегазовых сооружений (МНГС), выполнения необходимых погру - зочно-разгрузочных работ, отстоя танкеров и вспомогательных судов при штормах.

7) Подводные нефтегазовые сооружения, предназначенные для первичной обработки нефти и газа, а также сепарации, т.е. разделения составных частей добываемого продукта.

гидротехническое сооружение нефтегазопромысловое островное

Островные сооружения

 

В мировой практике четко обозначилась тенденция - к строительству крупнотоннажных танкеров дедвейтом (грузоподъемностью) в 500 тыс т и более. Эти танкеры имеют осадку в полностью загруженном состоянии до 20 и. Такой танкер подойти близко к берегу не может; тем более проблематичен заход его в нефтеналивной порт, если в нем нет причала с высотой причальных стенок более 20 м. Для обеспечения перевалочных работ по обслуживанию крупнотоннажных танкеров в последнее время начали создавать искусственные острова с глубоководными рейдовыми причалами. Эти острова располагаются обычно на возвышениях морского дна вблизи городов (портов) и регионов добывающих, т.е. поставляющих нефть или потребляющих ее. Острова могут быть двух основных типов: a - сооружаемого на дне отсыпкой каменного материала и грунта или с помощью сооружений типа эстакад и б ~ плавучий остров.

Каждый из этих островов имеет свои преимущества и недостатки. Однако несомненным или уже доказанным практикой является то, что островные причалы обходятся как при строительстве, так и при обслуживании намного дешевле, чем традиционные прибрежные порты.

Рассмотрим в данном параграфе только стационарные сооружения островного вида. Такие МНГС можно отнести к трем подвидам: островное МНГС из бетона, камня, гравия и песка; островное сооружение из насыпного материала (камень, песок) в контуре из металлических цилиндрических оболочек; в форме малой островной конструкции.

Островные сооружения первых двух подвидов представляют искусственный, но самый настоящий остров, размеры которого позволяют не только принимать танкеры любого дедвейта (грузоподъемности), но и построить на нем резервуарные парки (нефтехранилище), оборудование для очистки балластной воды, вытесняемой из танкеров при заполнении их нефтью, взлетно-посадочную площадку для самолетов и вертолетов, склады для хранения материалов, техники, продовольствия и т.п. и поселок для проживания обслуживающего персонала.

Такие острова-причалы будут совершенно необходимы при освоении морских нефтегазовых месторождений северных морей России. Особенно для морей, имеющих подводные возвышенности. К острову-причалу прокладываются подводные трубопроводы на глубине, где не сказывается воздействие на них любых льдов, что дает возможность обеспечить надежную работу трубопроводов.

На рис.2 показана схема такого острова из набросного камня 1. Габаритные размеры острова: А = 400-500 м, ширина В = 100-120 м. На рисунке показан жилой комплекс 5, склады 4, нефтехранилища и резервуары для балластной воды 3, взлетно-посадочная полоса 7, железобетонная облицовка откосов 2, металлические трубы б диаметром 3,5-4 м, железобетонное ограждение 9 и швартовые палы8, оборудование швартовыми быстродействующими крюками. К швартовым палам могут швартоваться сразу два (по одному с каждой стороны) танкера дедвейта до 500 тыс. т.

 

Рисунок 2. Островное нефтегазовое сооружение массивно формы

 

Другой подвид острова по казан на рис.3. Островное сооружение представляет двухпалубную конструкцию из железобетонных плит 1 и 4, с фермой между ними 3. В плане плиты имеют форму многоугольника, по боковым торцам которого устроены палы 2 (причальные устройства). Такая форма островной конструкции позволяет обеспечить швартовку танкеров при любом направлении ветра или течения. Уровень верхней палубы находится на высоте h_m, обеспечивающей незатопляемость палубы при любом шторме. Двухъярусное верхнее строение 1-4, на котором устанавливается поворотный грузоподъемный кран, используемый для подъема нефтегазоналивных шлангов, присоединенных к подводным трубопроводам 6, размещается на трубчатых сваях 5, забиваемых в грунт (глубина забивки h_c определяется расчетом). Верх свай находится выше глубины воды Н на величину ho, назначаемых с учётом уровня спокойного моря.

Платформы, схемы которых приведены в п.1, в силу того, что они имеют основание и несущую часть, расположенные на огромной площади (до 10-15 тыс. м²), при глубинах воды более 50 м становятся слишком громоздкими и малопригодными для изготовления и транспортировки к месту установки. Поэтому в практике морского нефтегазового строительства применяются формы платформ более удобные для производства.

Такие платформы изготавливаются из железобетона в форме колонн большого диаметра, стоящих на мощной фундаментной плите, опирающейся непосредственно на подготовленное грунтовое основание.

 

Рисунок 3. Двухуровневое островное нефтегазовое сооружение

Заключение

 

Обустройство и эксплуатация открытых месторождений требуют разработки специальных технологий, технических средств и технологических схем добычи, подготовки, сбора, хранения и транспорта добываемой продукции. Все эти задачи имеют различные решения в зависимости от гидрометеорологических условий и наличия береговых инфраструктур.

Одними из основных объектов обустройства месторождений, как отмечалось в данной работе, являются морские нефтегазопромысловые инженерные сооружения (грунтовые острова, эстакады с приэстакадными площадками, плавучие и стационарные платформы и др.), с помощью которых выполняют все отмеченные выше технологические операции. Объем капитальных вложений на освоение месторождений в немалой степени зависит от стоимости этих сооружений. Поэтому по возможности нужно сокращать их количество и снижать массогабаритные характеристики, что, в свою очередь, ведет к созданию необходимой технологии бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, которая позволит сконцентрировать большое число последних на одной платформе и снизить количество МНГС.

Для повышения рентабельности малых месторождений нужно разработать такие технико-технологические варианты, которые обеспечили бы обустройство и эксплуатацию групп месторождений с использованием единого регионального комплекса по сбору, подготовке и транспортированию добываемой продукции, а также единого энергетического и жилого комплексов и береговой инфраструктуры.

Технологии и технические средства для освоения углеводородных ресурсов арктического шельфа не могут быть надежными без учета широкого спектра природно-климатических условий конкретных морских районов. Раньше ледовые условия арктических морей изучали в основном с целью организации полярных станций, размещения посадочных площадок, переправ и проводки судов. Создание передовой техники для разработки шельфа требует проведения специальных опережающих ледово-гидрометеорологических исследований, направленных на изучение:

1) ледово-гидрометеорологического режима и физико-механических свойств льда,

2) вопросов взаимодействия ледяного покрова с опорами нефтегазопромысловых сооружений. Если первую часть исследований необходимо проводить в натурных условиях для каждой акватории, то результаты второй части этой программы, полученные как при натурных, так и лабораторных исследованиях, применимы практически для всех ледовых акваторий.

Список использованной литературы

 

1. Р.И. Вяхирев, Б.А. Никитин, Д.А. Мирзоев. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. - Москва.: Академии горных наук, 1999

2. П.П. Бородавкин. Морские нефтегазовые сооружения. - Москва.: Недра, 2006

Размещено на Allbest.ru

Введение

 

Морскими будем называть нефтегазовые сооружения (МНГС), которые осуществляют процессы, связанные с добычей, транспортировкой, хранением и обработкой нефти и газа с месторождений, расположенных на акваториях морей и связанных с ними водоемов. Кроме сооружений, расположенных непосредственно в морской акватории, к условно морским можно отнести нефтегазовые сооружения на прибрежных территориях, объединяемые технологическими процессами в общий морской нефтегазовый комплекс.

Имея в виду эти определения МНГС, приведем условные определения, характеризующие принципиальные признаки и отличительные особенности МНГС.

"Чисто" морскими или просто "морскими" будем называть сооружения, находящиеся постоянно или временно на морской акватории.

К таким сооружениям относятся:

1) Стационарные и плавучие сооружения, называемые "платформами и буровыми судами". Они предназначены для размещения на них комплекса оборудования, необходимого при бурении разведочных и эксплуатационных скважин, а также для первичной обработки добываемого продукта (нефть, газ, газовый конденсат).

Под первичной обработкой понимается очистка добываемой нефти от механических примесей (например, песка) от воды, поступающей из скважин вместе с нефтью. На буровых судах и платформах размещается необходимое для выполнения технологических операций оборудование и материалы, а также помещения для размещения обслуживающего персонала.

2) Подводные трубопроводы, предназначенные для транспортировки нефти и газа от платформ к сооружениям, на которых осуществляется сбор и длительное хранение или накопление перекачиваемого продукта для загрузки его в танкеры.

3) Хранилища (накопители) нефти и газа, располагаемые в акватории моря или на платформах, а также на прибрежной территории.

4) Объекты, предназначенные для швартовки нефтеналивных судов или газоводов. Они могут размещаться как в морской акватории на значительном расстоянии от берега, так и вблизи берега.

5) Причальные береговые стенки и выносные эстакады для причаливания танкеров и различных вспомогательных судов, а также ограждающие сооружения.

6) Порты, предназначенные для строительства морских нефтегазовых сооружений (МНГС), выполнения необходимых погру - зочно-разгрузочных работ, отстоя танкеров и вспомогательных судов при штормах.

7) Подводные нефтегазовые сооружения, предназначенные для первичной обработки нефти и газа, а также сепарации, т.е. разделения составных частей добываемого продукта.

гидротехническое сооружение нефтегазопромысловое островное

Классификация гидротехнических сооружений и область их применения

 

При рассмотрении типов морских нефтепромысловых гидротехнических сооружений (МНГС) необходимо исходить из общих положений, принятых в гидротехническом строительстве, т.е. в зависимости от задач, которые должны быть решены с помощью этих сооружений [45 - 47, 58].

Следует отметить, что классификация всегда содержит определенные условности, поэтому в предлагаемом подходе к ее разработке для МНГС будем основываться на системном принципе и общепринятых положениях в гидротехническом строительстве.

При составлении классификации МНГС можно разделить по их назначению на две основные группы: для бурения разведочных и эксплуатационных (с учетом их дальнейшей эксплуатации) скважин. Кроме того, из этих групп целесообразно выделить еще две подгруппы, характеризующие условия, в которых работают МНГС (замерзающие и незамерзающие моря). Такой подход позволит классифицировать морские нефтегазопромысловые инженерные сооружения, учитывая все требования, предъявляемые к их проектам. В классификационную схему, представленную на рис.1, включены все нефтегазопромысловые инженерные сооружения, как судостроительные, так и гидротехнические. В приведенной схеме они не разделены по материалам изготовления, т.е. на металлические, железобетонные, грунтовые, ледовые и комбинированные, так как этот фактор при таком подходе не влияет на выбор типа сооружения для бурения разведочных или эксплуатационных скважин.

Имея классификацию, на основании экспертных оценок зарубежных специалистов и результатов собственных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ авторы предлагают рекомендации по определению области применения МНГС в зависимости от гидрометеорологических и технологических факторов.

При проектировании платформ для глубоководных зон шельфа Каспийского моря широко использовали зарубежный опыт, накопленный в Северном море, Мексиканском и Персидском заливах и других акваториях, что значительно сократило объем специальных теоретических и экспериментальных исследований.

Однако решение задач, связанных с созданием ледостойких сооружений, осложнено отсутствием практического опыта в России, а зарубежные наработки, накопленные при освоении шельфовых зон залива Кука и моря Бофорта, могут быть использованы лишь как вспомогательные, потому что указанные районы несейсмичны, а ледовая обстановка и условия течения Охотского и арктических морей значительно сложнее, чем в этих акваториях.

Поэтому при проектировании конструкций ледостойких сооружений приходится решать вопросы, которые не освещены в существующих нормативных документах, а некоторые проблемы, к сожалению, не нашли отражения даже в технической литературе.

 

Рисунок 1. Классификация морских нефтегазопромысловых инженерных сооружений

 

При разработке основных принципов освоения нефтегазовых месторождений шельфа учитывают только главные гидрометеорологические факторы морского района, позволяющие выбрать принципиальные типы технических средств и сооружений для проведения поисково-разведочных и эксплуатационных работ. Для этого достаточно иметь данные о глубине моря, продолжительности межледового периода, а также глубине бурения разведочных скважин. Принципиальные типы объектов обустройства и эксплуатации нефтегазовых месторождений шельфа, среди которых находятся нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения, зависят от глубины моря и ледовых условий. Кроме того, для изготовления элементов конструкций и строительства соответствующих сооружений учитывают наличие береговых инфраструктур.

Известно, что к морским сооружениям для разведочного бурения предъявляются требования высокой мобильности. В условиях мелководья незамерзающих морей нужны передвижные погружные сооружения с относительно небольшой осадкой. В некоторых случаях приходится использовать искусственные насыпные островные сооружения.

С увеличением глубины моря целесообразно применять самоподъемные и полупогружные буровые установки, а также буровые суда (рис.6.2). Их оснащают специальным оборудованием в зависимости от глубин проводки разведочных скважин.

 

 

В незамерзающих морях на глубинах до 5 м используют островные сооружения (рис.6.3), соединенные между собой грунтовыми дамбами, а от 5 до 40 м, если месторождение расположено ближе к береговой зоне, лучше работают эстакадные сооружения с приэстакадными площадками.

 

 

В мелководных зонах замерзающих морей при глубине моря до 5 м экономически целесообразно использовать ледовые острова, а до 10 м - искусственные грунтовые острова; те и другие применяли в Канаде и Америке. С увеличением глубин становится возможным использовать специальные переносные или передвижные погружные установки, размещенные на насыпной берме. В условиях припайного льда, где подвижки ограничены, следует применять ледовые платформы. Общие схемы приведенных выше технических средств для поисково-разведочного бурения приведены на рис.6.2.

Бурение и эксплуатацию нефтегазовых месторождений в условиях замерзающих морей проводят с помощью МНГС.

При наличии карьеров крупнозернистого песка (гравия, камня) наиболее доступными в исполнении для глубин моря до 5 м являются искусственные островные сооружения с неукрепленными откосами, соединенными между собой и берегом грунтовыми дамбами.

Для глубин моря до 300 - 350 м предлагают свайные или гравитационные стационарные платформы. В зависимости от береговых промышленных инфраструктур они могут быть как металлическими, так и железобетонными. Применение стационарных платформ на глубинах более 200 м рентабельно только для наиболее крупных высокодебитных месторождений.

Освоение более глубоководных месторождений требует создания новых типов стационарных платформ с подводными поплавками-понтонами или на натяжных опорах. По экспертным оценкам, их можно использовать для проведения работ глубинах до 500 м.

Последующий этап научно-технического прогресса в данной области будет связан с разработкой целого комплекса технических средств, необходимых для создания донного промысла, без которого освоение углеводородных ресурсов шельфа на глубинах более 500 м невозможно.

Изложенные выше принципиальные предложения по основным типам и определению области применения нефтегазопромысловых сооружений для освоения шельфа схематично представлены на рис.6.3.

Кроме рассмотренных типов сооружений, возможны и комбинированные, например, сочетание малогабаритного бурового стационарного основания с тендерным судном, что экономически выгодно (по сравнению с другими методами) при бурении и заканчивании от 4 до 10 эксплуатационных скважин, причем с одного основания сравнительно небольшого размера и малой стоимости.

Удаленность от береговых баз, а также продолжительность ледового периода, затрудняющих регулярное материально-техническое снабжение платформ, вызывают необходимость придания им повышенной автономности. Учитывая суровые климатические особенности, нужно создать комфортабельные условия на рабочих местах и для проживания до 100 чел. обслуживающего персонала. Все это приводит к увеличению общих размеров сооружений. Следует также обеспечить защиту окружающей среды от загрязнения.

Совокупность указанных факторов, предъявляющих специфические требования к конструкциям и методам строительства объектов, привела к созданию новых типов, принципиально отличающихся от традиционных стальных сооружений сквозной или решетчатой конструкции, хорошо зарекомендовавших себя в незамерзающих морях, но являющихся неприемлемыми для более жестких ледовых условий северного континентального шельфа.

Исходя из общего анализа природно-климатических условий северных и дальневосточных морей и принимая во внимание географические и экономические особенности этих районов, можно установить следующую область применения передвижных, переносных, стационарных и искусственных островных сооружений и платформ.

В акваториях замерзающих морей, где межледовый период достаточен для бурения разведочных скважин, поисково-разведочные работы осуществляют с помощью технических средств, приведенных на рис.6.2, а в морях с тяжелыми ледовыми условиями, т.е. с коротким межледовым периодом, круглый год с использованием ледостойких нефтегазопромысловых инженерных сооружений.

В суровых ледовых условиях, характеризующихся наличием дрейфующих айсбергов, подводная часть которых может прорезать дно, целесообразно использовать тоннельно-шахтный метод. В данном случае под поверхностью дна моря пробивают тоннель до места, где создают искусственную полость (камеру) над месторождением, достаточную для размещения бурового и эксплуатационного оборудования. Применение этого метода зависит от расстояния между месторождением и берегом, а также от наличия соответствующих грунтовых условий по трассе прокладки тоннеля и камеры.

На мелководных участках (глубина до 15 - 20 м) при отсутствии высокой сейсмичности наиболее эффективными могут оказаться островные сооружения, образованные из земляных и каменных материалов в комбинации с железобетонными или металлическими ограждающими конструкциями. На этих же глубинах в определенных условиях можно применять железобетонные и металлические платформы наплавного типа, балластируемые песком.

На участках морей с глубинами 50 - 60 м эффективнее использовать стационарные платформы в интегральном исполнении, выполненные из железобетонных, металлических или сталебетонных конструкций. Все они могут быть со свайными или гравитационными, а также свайно-гравитационными фундаментами. В данном случае конструкции платформ должны быть унифицированы, чтобы поставить на индустриальную основу их изготовление. Исходя из мирового опыта строительства морских платформ их конструкцию и технологию изготовления выбирают согласно условиям минимизации продолжительности строительно-монтажных работ в открытом море. Следовательно, необходимо разработать такие конструкции платформ и соответствующие технологии их строительства, чтобы без принципиальных переработок конструкций можно было построить их при любых грунтовых условиях и наличии короткого межледового периода. Пример таких технических решений приведем ниже.

На глубинах моря 100 - 150 м с умеренным ледовым режимом можно использовать многоколонные стальные или железобетонные стационарные платформы, оснащенные ледорезами. В их состав входят крупные подводные нефтехранилища.

В несложных ледовых условиях на глубинах 200 - 300 м целесообразно применять комбинированные системы, т.е. глубоководные платформы на натяжных опорах совместно с подводным добычным комплексом. При использовании комбинированного метода в условиях замерзающих морей (тендерное судно с малогабаритной стационарной платформой) конструкцию создают в ледостойком варианте. Эффективность данного метода такая же, как и в условиях незамерзающих морей.

Выбор схемы обустройства конкретного морского нефтегазового месторождения осуществляют на основе системного подхода, взаимосвязывающего потенциальные возможности нефтегазодобывающей, машиностроительной, судостроительной, строительной и других отраслей отечественной промышленности, а также иностранных фирм.

Следует отметить, что создание каждого из типов нефтегазопромысловых инженерных сооружений, приведенных выше, является самостоятельным крупным научно-техническим направлением в морском гидротехническом строительстве и судостроении.

Для обеспечения необходимого уровня прироста разведанных запасов и объемов добычи нефти и газа, а также создания для этого нефтегазопромысловых инженерных сооружений и других технических средств с учетом научно-технического прогресса необходимо разработать концепцию планомерного развития поисково-разведочных и эксплуатационных работ.