универсальное подводное сооружение "апельсин" для бурения скважин на нефть/газ и способ его эксплуатации

Формула изобретения

1. Подводное сооружение, работающее на глубине в диапазоне от 70 до 120 м от уровня моря, включающее: основание в виде круговой опорно-несущей плиты/палубы; в центре основания опорно-несущей плиты/палубы, в устьевом модуле, размещены скважины; на основании вокруг устьевого модуля в секторах установлены, обладающие свободой вертикального перемещения функциональные модули: жилой, буровой, эксплуатационный, технологический, энергетический и кондиционирования; внутри основания вокруг устьевого модуля установлены коридоры: внутренний и внешний; причем внешний и внутренний коридоры связаны между собой взаимно перпендикулярными переходами; между внутренним и внешним коридорами установлена круговая балластируемая секционированная емкость; под внешним коридором установлены взаимно перпендикулярно расположенные электрические движители.

2. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что основание представляет собой техническое устройство круговой формы, обладающее собственной регулируемой плавучестью.

3. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что устьевой модуль имеет форму усеченного конуса.

4. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что внутренний коридор служит для сообщения между всеми модулями, а внешний коридор - для сообщения со швартующимися пассажирскими и вспомогательными судами.

5. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что круговая балластируемая емкость секционирована по периметру отдельными танками с целью погружения на заданную глубину и регулирования поддержания всего сооружения в горизонтальном положении.

6. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что в устьевом модуле центры скважин размещены на расстоянии между собой в 3 м; при этом устьевой модуль имеет габариты: диаметр в основании 15-20 м, высота от 25 до 50 м, диаметр в верхней части модуля 12-17 м; в верхней части устьевого модуля размещается специальная система кран-балок, на которой устанавливается верхний силовой привод с возможностью его передвижения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, чтобы обеспечить бурение всех скважин, размещаемых рядами или по концентрическим окружностям.

7. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что герметичность соединения модулей при их стыковке обеспечивается за счет использования трубы эластичного исполнения, выдерживающей при стыковке модулей внутреннее давление в 2 МПа.

8. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что использует модули разной площади, в зависимости от габаритов размещаемого оборудования.

9. Подводное сооружение по п.1, отличающееся тем, что внешний коридор служит для приема и вывода персонала из судна во внешнюю среду, через самоходные капсулы, рассчитанные на перевозку персонала и достаточно легкий негабаритный груз.

10. Способ эксплуатации подводного сооружения п.1, отличающийся тем, что сооружение погружается и удерживается на заданной глубине при помощи дебалластировки и движителей; основание платформы соединяют водоотделяющей колонной/колоннами с морским дном; осуществляют круглогодичное бурение скважин; после завершения бурения заменяют путем вертикального подъема с помощью балластирования и подводных буксиров буровые модули на технологические/ добычные модули для эксплуатации этих скважин, при этом жилой, эксплуатационный, энергетический и модуль кондиционирования остаются на месте.

11. Способ эксплуатации подводного сооружения п.10, отличающийся тем, что при выходе из строя любого модуля предусмотрена его замена на аналогичный путем вертикального подъема; при этом все модули наделены собственной регулируемой плавучестью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подводным сооружениям и предназначено для освоения углеводородных ресурсов в тех акваториях Северного Ледовитого океана, которые длительное время или же постоянно покрыты трудно проходимыми для арктических ледоколов ледовыми полями, при этом осуществление бурения традиционным «надводным» способом невозможно.

Известен подводный буровой комплекс для освоения месторождений углеводородов на шельфе арктических морей (М.И.Вайнерман, O.K.Эделев - Подводный буровой комплекс для освоения месторождений углеводородов на шельфе арктических морей, ж-л «Бурение и Нефть», № 10, 2008), рассчитанный на посадку на морское дно, включающий: подводное буровое судно (ПБС), в котором размещены: буровая установка; энергетическое оборудование; водоотделяющая колонна и жилые помещения для экипажа, оборудованная средствами причаливания, перемещения вдоль направляющих и фиксации в заданном положении; донная опорная плита (ДОП), на которой устанавливается эксплуатационное оборудование и системы, обеспечивающие транспортировку добытого сырья к потребителю и подводное судно снабжения (ПСД), предназначенное для периодической доставки и пополнения бурильного инструмента, труб и сыпучих материалов.

ПБС сформировано из модулей в виде отдельных прочных цилиндрических корпусов, объединенных наружным корпусом в единую конструкцию.

Недостатком такого сооружения является: наличие сложной и утяжеленной корпусной оболочки бурового комплекса, что затрудняет работу подводного бурового комплекса при глубинах свыше 300 м, т.е. реально предлагаемый комплекс (а точнее - судно) может быть использован на небольших примерно до 100 м глубинах (в то время как реальные глубины шельфа Северного Ледовитого океана значительно больше), кроме того, ограниченное пространство ПБС не позволяет разместить традиционные конструкции бурового оборудования.

Также известно изобретение RU 2011128912 от 13.07.2011, в котором бурение осуществляется традиционно, т.е. с надводной полупогружной установки (ППБУ).

Недостатком данного изобретения является опасность его использования из-за возможных поломок ППБУ ледовым полем, что приведет к неопределенному удлинению этапа разбуривания месторождения и потенциально возможным экологическим катастрофам.

Техническим результатом заявленного универсального подводного сооружения (УПС "Апельсин") является:

- ускорение ввода месторождения за счет круглогодичного его использования;

- повышение безопасности и качества проводимых работ как в процессе бурения, так и при эксплуатации скважин за счет исключительно стабильных условий пребывания подводного сооружения на глубинах от 70 до 120 м;

- снижение металлоемкости герметичных оболочек модулей, которые в надводном пространстве потребовали бы значительных затрат, связанных с повышением прочности, из-за ледовых воздействий, а также снижение энергозатрат, связанных с борьбой с ледовыми надвижками.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображен продольный разрез круговой опорно-несущей плиты/палубы с устьевым модулем;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - изображен продольный разрез общего вида в сборе 9 подводного сооружения (УПС "Апельсин");

на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3;

на фиг.5 - аксонометрия подводного сооружения;

1 - круговая опорно-несущая плита/палуба с устьевым модулем;

2 - один из технологических/ функциональных модулей/ секторов;

3 - скважины;

4 - устьевой модуль в форме усеченного конуса;

5 - внутренний коридор;

6 - внешний коридор;

7 - перпендикулярные переходы между коридорами;

8 - круговая секционированная балластируемая емкость;

9 - электрические движители;

10 - модуль/сектор увеличенного размера.

Подводное сооружение (УПС «Апельсин) работает погруженным на глубину в диапазоне от 70 до 120 м от уровня моря. Указанный интервал глубин наиболее приемлем для постоянного пребывания УПС «Апельсин» в связи с тем, что, начиная с глубин 70-80 м от уровня моря, практически не наблюдаются присутствия ледовых образований и возможных воздействий на подводное сооружение, а увеличение глубины свыше 120 м от уровня моря приводит к существенному утолщению оболочки подводного сооружения, чтобы обеспечить сопротивление от действия гидростатического давления воды. Эти глубины весьма близки для большинства подводных лодок, что позволяет использовать привычную при их изготовлении толщину оболочки. Помимо этого предлагаемые для пребывания универсального подводного сооружения глубины отличаются следующими преимуществами:

- УПС не будет испытывать ветровую нагрузку, а лишь будет находиться под воздействием относительно стабильного во времени и по направлению подводного течения;

- на этой глубине УПС будет находиться в условиях практически постоянной температуры, что, безусловно, положительно для технологической безопасности и надежности корпуса судна;

- стабильность окружающей среды положительно отразится на возможности осуществления круглогодичного бурения (не будет длительных сезонных пауз).

Заявленное подводное сооружение характеризуется: необходимой малой подвижностью (его самоходность практически не нужна); устойчивостью к длительному пребыванию под водой; достаточной обтекаемостью для удержания на одном и том же заданном месте и регулируемой плавучестью. Таким требованиям отвечает сферическая форма, довольно сильно сплюснутая по вертикали. А поскольку буровые и эксплуатационные суда должны располагать автономными энергетическими, инженерно-техническими (включающим водоснабжение, отопление и регенерацию воздуха) и собственно технологическими службами, которые функционируют в отдельных отсеках, целесообразнее их круговое последовательное размещение по секторам, что имеет сходство с апельсином, состоящим из долек - функциональных секторов 2.

Подводное сооружение состоит из основания в виде опорно-несущей плиты/палубы 1 (см. Фиг.1) и технологических модулей в виде секторов 2 (см. фиг.2 и фиг.3). Основание 1 представляет собой специальное техническое устройство круговой формы, обладающее собственной регулируемой плавучестью, в центре которого размещены скважины 3, в так называемом устьевом модуле 4, имеющем форму усеченного конуса, конфигурация которого близка к буровой вышке (по существу все предлагаемые модули являются аналогами отдельно представленных традиционных «верхних строений» обычной платформы надводного исполнения).

Вокруг этого кругового модуля 4 на опорно-несущей плите/палубе размещены в секторах 2 все функциональные модули, включая и жилой модуль, который предназначается для обслуживающего судно персонала, причем все функциональные модули обладают собственной плавучестью с целью их извлечения (при необходимости) из сооружения в целом, т.е. обладают свободой вертикального перемещения.

Внутри опорно-несущей плиты/палубы вокруг устьевого модуля 4 установлены коридоры: внутренний 5 и внешний 6; внутренний 5 - для сообщения между всеми модулями (см. Фиг.2), а внешний 6 - для сообщения со швартующимися пассажирскими и вспомогательными судами, причем внешний и внутренний коридоры связаны между собой взаимно перпендикулярными переходами 7. Между этими коридорами установлена круговая балластируемая по периметру (с целью погружения на заданную глубину) емкость 8, секционированная (с целью регулирования поддержания всего сооружения в строго горизонтальном положении) отдельными танками. Под внешним коридором установлены взаимно перпендикулярно расположенные электрические движители 9 с целью удержания всего подводного сооружения на заданной точке (получившего известное наименование - динамического позиционирования).

При выходе из строя любого модуля 2 в заявленном подводном сооружении предусмотрена его замена на аналогичный путем вертикального подъема; с этой целью все модули наделены собственной регулируемой плавучестью (на фигурах не указано, чтобы не «утяжелять» рисунок); кроме того, модульный принцип компоновки УПС позволяет производить замену любого из секторальных модулей в случае необходимости (например, серьезной поломки или завершения своей функциональной задачи).

Устьевой модуль 4 рассчитан на определенное количество скважин (по нашим оценкам, от 17 до 30 - в зависимости от геолого-технической необходимости), размещаемых на расстоянии между собой 3 м и имеет габариты: в основании диаметром 15-20 м и высотой 25 м (а возможно, до 50 м, если исходить из размеров традиционной буровой «свечи» в 36 м) при диаметре в верхней части модуля 12-17 м, при этом в верхней части размещается специальная система кран-балок, на которой устанавливается верхний силовой привод с возможностью его передвижения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, чтобы обеспечить бурение всех скважин, размещаемых рядами или по концентрическим окружностям в модуле.

Подводное сооружение (УПС «Апельсин») компонуется устьевым (по центру основания - опорно-несущей плиты/палубы) и технологическими, функциональными модулями, - устанавливаемыми вкруговую по секторальному принципу, наиболее близко напоминающему собой «апельсин».

Герметичность соединения модулей при их стыковке обеспечивается за счет использования труб эластичного исполнения. Для этого на внешней стороне стыкуемых стенок по всему периметру изготавливают ложе/пазы/выемки, в которых в качестве прокладки укладываются трубы эластичного исполнения с закреплением по длине ложа/пазов/выемки. Эти трубы рассчитаны на внутреннее давление в 2 МПа, достаточное для глубины пребывания подводного сооружения в 70-120 м. Принцип герметизации заключается в том, что при стыковке модулей 2 между собой и с опорно-несущей плитой 1 в трубе эластичного исполнения, уложенной в пазах, создается расчетное давление, т.е. труба «раздувается», создавая требуемую герметичность стыкуемых модулей.

Затем, укомплектованное всеми необходимыми модулями подводное сооружение буксируется к заданной точке; погружается и удерживается на глубине при помощи дебалластировки и движителей; соединяется с морским дном водоотделяющей колонной/колоннами, после чего осуществляется процесс бурения скважин.

После завершения буровых операций по строительству заданного числа скважин на месторождении, его отдельные функциональные (в данном случае - буровые) модули, выполнившие свои задачи, "отделяются" от основания, соединенного с морским дном определенным числом водоотделяющих колонн (на рисунках не показаны) и буксируются в порт приписки для проведения соответствующего технического осмотра и дальнейшего использования на подобных объектах.

На освободившиеся места на опорно-несущую плиту/палубу опускаются с помощью подводных буксиров, путем балластировки, привезенные для подводного сооружения технологические /добычные модули, которые предназначаются для дальнейшей разработки месторождения.

Подобная компоновка модулей на основании позволяет извлекать те функциональные модули, которые выполнили свои задачи, а взамен их в освободившиеся сектора устанавливать новые, таким образом, после окончания строительства скважин, буровые модули заменяют технологическими: сбора и подготовки пластовой продукции, насосными и компрессорными станциями. При этом извлеченные модули могут быть использованы на других месторождениях.

Энергетический, водоподготовки, кондиционирования воздуха и жилой модули остаются на месте при условии, что их рабочие показатели смогут отвечать новым требованиям.

Конструкция круговой опорно-несущей плиты/палубы позволяет при необходимости использовать модули разной площади (в зависимости от габаритов размещаемого оборудования) при условии конгруэнтности контуров внутренних стенок модулей; это наглядно показано на Фиг.4 позицией 10, где внешняя («периметрическая») стенка одного из модулей выходит за пределы контуров общих габаритов всего подводного сооружения.

Секторная форма комплекса позволяет выдвинуть внешнюю «стенку» модуля на определенное расстояние за контуры опорно-несущей плиты, лишь бы выполнялось техническое решение конгруэнтного равенства: между торцевыми поверхностями секций 2 и поверхностью устьевого модуля 1, а также между боковыми поверхностями секций 2. Такое конструктивное решение позволяет наиболее оптимально разместить на основании оборудование, в соответствии с технологической последовательностью выполняемых операций.

Внешний коридор 6 позволяет принимать и выводить персонал из подводного сооружения во внешнюю среду, в специальные самоходные капсулы (СК), которые пришвартовываются к судну (на фигурах не показаны). Объем СК и габариты рассчитаны на перевозку персонала и достаточно легких негабаритных подъемных грузов (в капсуле предусмотрены специальные шлюзы для передачи/приема габаритных грузов, как, например, обсадных и бурильных труб, цемента, глинопорошока, различных химреагентов и др.) на пришвартованные пассажирские и/или вспомогательные суда.