Постановлением правительства № 374 от 31 марта 2017 года была утверждена Государственная Программа Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений на 2013–2030 годы» основные цели, которой направлены на создание опережающего задела и технологий, необходимых для создания перспективной техники, а также укрепление и развитие научного и проектно-конструкторского потенциалов отрасли, развитие кадрового потенциала научных и проектно-конструкторских организаций судостроительной отрасли. Какие решения для воплощения этой программы предлагают российские конструкторские организации?
Постановлением Правительства №374 от 31 марта 2017 года была утверждена Государственная программа Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений на 2013-2030 годы», основные цели которой направлены на создание опережающего задела и технологий, необходимых для создания перспективной техники, а также укрепление и развитие научного и проектно-конструкторского потенциалов отрасли, развитие кадрового потенциала научных и проектно-конструкторских организаций судостроительной отрасли.
АО «ЦКБ «Коралл», за более чем 50 летний период деятельности, накоплен уникальный опыт проектирования самоподъемных, полупогружных, погружных и стационарных платформ, морских плавучих кранов, крановых и трубоукладочных судов, других средств обустройства морских нефтяных и газовых месторождений. В «ЦКБ «Коралл» не только постоянно отслеживаются последние тенденции и достижения в области развития технологий и средств освоения шельфа, но и ведутся собственные работы в области создания перспективной техники, в частности для расширения сезона поисково-разведочного бурения в суровых климатических условиях. Для этих целей выполняется анализ существующих концепций буровых установок, способных продлить сезон бурения в ледовых условиях; разрабатываются архитектурно-конструктивные и технические решения в отношении буровой установки для выполнения поисково-разведочного бурения в акваториях с коротким безледовым сезоном или неполным очищением ото льда.
На сегодняшний день для бурения разведочных и эксплуатационных скважин на арктическом шельфе России применяются самоподъемные буровые установки (далее СПБУ), полупогружные буровые установки (далее ППБУ) и буровые суда, которые могут работать только в период «чистой» воды, то есть в безледовый период.
Современное В мировой практике и в РФ накоплен большой опыт проектирования и строительства добычных морских ледостойких буровых установок на шельфе замерзающих морей, в том числе:
– создание гравитационных буровых установок с опорным основанием из железобетона (платформы «Беркут», «Пильтун-Астохская-Б», «Лунская-А») или стальным опорным основанием (платформа «Приразломная»);
– создание свайных платформ для освоения месторождений Северного Каспия (платформы для месторождений им. Ю. Корчагина, им. В. Филановского и им. В.И. Грайфера);
– создание ППБУ с усиленным ледовым корпусом (платформы «Полярная Звезда» и «Северное сияние») для возможности бурения добычных скважин на блок-кондукторе в «легких» ледовых условиях.
Таким образом, вопрос технических решений, проектирования и строительства именно мобильных технических средств для обеспечения бурения в ледовых условиях остается открытым и требует своего решения.
В целом выбор принципиальных типов объектов обустройства и эксплуатации нефтегазовых шельфовых месторождений зависит от глубины моря, глубины залегания нефтегазоносных пластов и ледовых условий.
Комплексный анализ лицензионных участков (ЛУ) в Арктике и на Дальнем Востоке, включая нераспределенный лицензионный фонд, показал следующее распределение площадей и глубин [1]:
1) Площадь ЛУ Баренцевого и Карского морей 673 тыс. км2, исключая Печорское море и Обскую и Тазовскую губы, на ЛУ преобладают глубины более 60 м – 78 %; Печорское море, Обская и Тазовская губы, наоборот, относительно мелководны, площадь ЛУ на глубинах до 60 м составляет 84 %.
2) На шельфе морей Восточной Арктики площадь ЛУ составляет 776 тыс. км2. Глубины от 0 до 40 м – 23 %, от 40 до 60 м – 45 %, от 60 м – 32 %.
3) В пределах морей Дальнего Востока общая площадь ЛУ составляет 207 тыс. км2, 84 % из которых находятся на глубинах более 80 м.
Эффективность развития шельфа российского сектора Арктики в значительной мере зависит от возможности расширения диапазона глубин и сезона поисково-разведочного бурения в ледовых условиях [2]. Здесь следует отметить, что современные СПБУ, которые наиболее широко используются для разведочного бурения и позволяют охватить большой диапазон глубин, имеют ограничения по эксплуатации в ледовых условиях. Вопрос продления сезона бурения, в том числе за счет установки в точке эксплуатации до полного очищения акватории ото льда или снятия с нее в начале формирования ледового покрова для различных типов СПБУ может быть решен путем создания принципиально новых винтеризированных СПБУ и судна-носителя, способного доставлять их к месту установки и месту «отстоя» в ледовых условиях.
Первыми мобильными решениями для разведочного бурения в сложных климатических условиях были ледостойкие погружные буровые установки для шельфа Канады: SSDC, «Molikpaq», «Glomar Beaufort sea I». Особенностью их применения является их установка на относительно небольших глубинах моря – до 20 м. Для таких глубин в России накоплен уже достаточно большой опыт проектирования, строительства и эксплуатации стационарных свайных платформ, однако для диапазона глубин 40 – 60 м технические средства для разведочного бурения в сложных климатических условиях на сегодняшний день отсутствуют.
Норвежская компания Kvaerner разработала концепцию морской железобетонной передвижной буровой установки с многоколонным основанием для разведочного бурения в арктических условиях «Condrill» (рис. 1). По заявлению разработчика, платформа может обеспечивать круглогодичное бурение и испытание скважин в районах арктического шельфа с глубинами 20 – 60 м.
Однако представленная концепция имеет ряд ограничений, связанных со значительной транспортной осадкой, затрудняющей буксировку в стесненных условиях и на мелководье, дефицитом остойчивости при погружении на предельные глубины. Отдельно следует отметить, что при установке на малых глубинах (20 – 30 м) палуба верхнего строения будет находиться на высоте порядка 55 – 65 м над уровнем моря. В таких условиях эвакуация персонала, особенно в ледовых условиях, будет крайне затруднена, а ветровые воздействия на такой высоте будут значительными, что негативно может сказаться на условиях обитаемости. Кроме того, определенные затруднения могут возникнуть и при организации доставки технологических и прочих запасов.
Тем не менее, концепция использования гравитационных оснований для разведочного бурения в сложных климатических условиях заслуживает самого пристального внимания и, по всей видимости, наряду с расширением сезона бурения СПБУ, может стать одним из основных станет направлений развития технических средств освоения шельфа и обеспечения бурения в ледовых условиях на глубинах 20 – 60 м.
Для буровых установок гравитационного типа можно выделить следующие основные критичные вопросы и задачи проектирования:
– выбор формы корпуса опорного основания;
– обеспечение устойчивости на грунте под воздействием внешних нагрузок;
– обеспечение остойчивости при погружении и всплытии;
– контролируемый отрыв от грунта;
– способы транспортировки буровой установки (постановка, снятие, перемещение между точками постановки).
Таким образом, на выбор формы и габаритных размеров корпуса влияет ряд противоречащих друг другу факторов, и поиск оптимального решения является достаточно сложной задачей.
Одним из вариантов решения поставленной задачи является погружная комбинированная буровая установка гравитационного типа для круглогодичного разведочного бурения в условиях Арктики. Установка включает в себя кольцевое ледостойкое железобетонное опорное основание, позволяющее расширить диапазон эксплуатационных глубин и установленное на нем верхнее строение в виде ледостойкой стальной буровой платформы, имеющей коническую поверхность в районе переменной ватерлинии для восприятия ледовых нагрузок (рис. 2 и 3).
В основе предлагаемой концепции лежит идея разделения сооружения на составные части с возможностью их независимой транспортировки и установки на точке эксплуатации.
Железобетонное опорное основание обладает собственной плавучестью для возможности транспортировки, а после погружения и балластировки обеспечивает надежный контакт с грунтом и создание необходимых гравитационных сил, обеспечивающих устойчивость сооружения при воздействии внешних нагрузок. В процессе разведочного и бурения основание служит опорой для стальной платформы и, с учетом значительной площади опирания на морское дно, обеспечивает достаточно равномерную передачу горизонтальных и вертикальных усилий от воздействия внешних нагрузок на грунтовое основание.
Внутреннее пространство железобетонного основания разбито на простые прямостенные отсеки, предназначенные для приема жидкого балласта.
Стальная буровая платформа является самостоятельной частью комплекса и обеспечивается всем необходимым для функционирования на заданный период автономности.
Стальная буровая платформа также обладает собственной плавучестью, а установка в эксплуатационное положение осуществляется за счет приема жидкого балласта. Погружение и всплытие осуществляется с созданием наклонения (дифферента) на одну из оконечностей. Стальная буровая установка может выполнять разведочное бурение на глубинах до 20-30 м.
Железобетонное и стальное основание имеют простую осесимметричную форму, что значительно упрощает процесс балластировки, так как параметры остойчивости имеют одинаковую величину при наклонениях в любом направлении.
Преимуществом концепции разделения сооружения на составные части является то, что железобетонное опорное основание, непосредственно взаимодействующее с грунтовым основанием, имеет простую форму и минимальный набор систем, необходимых для погружения и всплытия. Для такого сооружения не будет ограничений по углу дифферента в процессе погружения или всплытия, что делает эти операции более контролируемыми.
Для концепции комбинированной буровой установки выполнен комплекс расчетов, подтверждающих ее жизнеспособность. Оценка плавучести и остойчивости при транспортировке, а также возможности позиционирования, балластировки и погружения на дно была выполнена при помощи математического моделирования. Кроме того, была выполнена проверка устойчивости на грунте при воздействии внешних нагрузок. Оптимальная форма с точки зрения восприятия ледовых нагрузок была выбрана на основании серии предварительных расчетов.
Особое внимание было уделено оценке ледовых нагрузок, величина которых значительно зависит от формы сооружения и сценария взаимодействия. Для оценок ледовых нагрузок рассмотрены два основных сценария взаимодействия: ровный наслоенный лед и торосы (рис. 4).
На основе полученных данных о величине ледовых нагрузок и данных об инженерно-геологических условиях в арктическом регионе были выполнены расчеты устойчивости на грунте. Расчеты выполнены с учетом реальной последовательности установки сооружений на грунт (рис. 5).
Выполненные оценки позволили понять уровень напряженно-деформированного состояния грунтового основания и перемещений комбинированной буровой установки при эксплуатации в безледовый и ледовый периоды (рис. 6).
Отдельным блоком задач являются морские операции по установке и совмещению железобетонного опорного основания и стальной буровой платформы.
Морская операция по установке железобетонного опорного основания и стальной буровой платформы производится в два этапа, первый из которых включает в себя постановку на дно железобетонного опорного основания (рис. 7) и второй этап – это установка непосредственно стальной буровой платформы (рис. 8).
Для обоих этапов предусматривается одинаковый подход, заключающийся в переформировании буксирного ордера в районе постановки на грунт на удерживающий ордер, грубое позиционирование, балластировку до момента нахождения сооружения за 1-2 м до касания грунта железобетонной подставкой или буровой установкой подставки, а далее точное позиционирование и окончательная балластировка для обеспечения необходимой прижимной нагрузки.
Выполненные расчетные оценки позволили получить данные о траектории погружения и колебаниях сооружений, необходимом количестве балласта, принимаемого при погружении, времени балластных операций, а также уровне натяжений в швартовных и буксирных связях при воздействии заданных погодных условий (рис. 9).
На основании выполненных проработок и анализа применимости рассматриваемой комбинированной буровой установки для круглогодичного разведочного бурения в условиях Арктики, можно отметить следующее:
– концепция позволяет выполнять разведочное бурение на глубинах до 60 м за счет применения железобетонного опорного основания;
– принятые архитектурно-конструктивные решения позволяют осуществлять транспортировку и постановку, а также снятие с точки бурения, что особенно актуально при проведении поисково-разведочных работ.
На конструкцию комбинированной буровой установки для освоения континентального шельфа в арктических условиях АО «ЦКБ «Коралл» в 2020 г. получен патент на изобретение. [3].
Литература
1. Аналитические материалы ЦКТР ТЭК ФГБУ «РЭА» Минэнерго России.
2. Мусабирова А.А. Разработка и исследование применимости новой конструкции ледостойких платформ на мелководном арктическом шельфе: дисс. канд. техн. наук. М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2013. – 119 с.
3. Патент N 2 745 457 Российская Федерация, МПК Е02В 17/00 (2006.01). Морское гравитационное сооружение для арктических условий: N 2020127130: заявл. 12.02.2020: опубликовано 25.03.2021 / Амосова Н.В., Благовидова И.Л., Коныгин А.Е., Ленский В.Ф., Пьянов А.В.; патентообладатель АО «ЦКБ «Коралл». – 13 с.: ил.
