Особенности конструкции и эксплуатации морских нефтегазовых сооружений требуют особых подходов при проектировании компоновки и состава оборудования на верхних строениях платформ. В данной статье рассматриваются факторы, влияющие на особенности конструкции морского нефтегазопромыслового сооружения, определяются основные подходы к проектированию данных сооружений и разрабатываются критерии выбора рационального варианта компоновки и состава оборудования на верхних строениях нефтегазопромысловых платформ.
Введение
Российская Федерация обладает самым обширным в мире шельфом, площадь которого составляет почти 22 % общей площади континентального шельфа Мирового океана. Перспективными на нефть и газ являются 70 % этой площади, основная часть которой приходится на замерзающие моря с тяжелым ледовым режимом, суровыми природно-климатическими условиями и слабо развитой береговой инфраструктурой.
Создание необходимых технических средств и технологий для освоения ресурсов нефти и газа арктического шельфа непосредственно связано с учетом следующих особенностей:
• суровые природно-климатические условия с продолжительной зимой и полярной ночью;
• тяжелые ледовые условия, при которых толщина льда часто достигает 2,5 м и более. При этом ледяной покров достигает большой подвижности, вследствие чего происходит постоянное торошение. Зона припая обычно незначительна и чаще всего не превышает 10 км;
• сложное геологическое строение морского дна и берегов, характеризующиеся наличием слабых илистых грунтов большой мощности;
• высокий уровень сейсмической активности (особенно на дальневосточном шельфе);
• значительная удаленность от промышленно развитых территорий и инфраструктур;
• отсутствие местных строительных материалов, за исключением мелкозернистого песка.
Одной из главных проблем при обустройстве морских нефтегазовых месторождений, особенно в условиях Арктики, является разработка конструкций и технологий строительства морских нефтегазопромысловых сооружений, предназначенных для бурения скважин, добычи, промысловой подготовки и хранения углеводородов.
Выбор типа компоновки и состава оборудования, является достаточно сложным технологическим вызовом, так как количество вариантов может расти за счет применения разнообразных технических средств или разных их сочетаний. Одни и те же характеристики проектируемого верхнего строения платформы, определяющие ее эффективность, могут быть получены при применении различных материалов, модулей, оборудования и т.п.
Таким образом, проблема многовариантности ярко выражена и требует нахождения оптимального решения.
Решением является выявление критериев при проектировании верхних строений платформы (ВСП). Именно они обеспечивают выбор вариантов, наиболее предпочтительного принятому критерию.
Решение также обусловлено тем, что на стадии предпроектного (ТЭС, ТЭО, ОИС, проект разработки и др.) проектирования остается большой дефицит в исходных данных и, следовательно, присутствует определенный объем условности. Поэтому выбору перечня критериев должно быть уделено особое внимание [1].
Целью данной работы является разработка рекомендаций по выбору определяющих критериев по выбору различных вариантов компоновки и состава оборудования на верхних строениях нефтегазопромысловых платформ.
Поставленная цель достигаема путем решения следующих задач:
· определение основных факторов, влияющих на особенности конструкции морского нефтегазопромыслового сооружения;
· определение основных методов монтажа ВСП;
· определение основных подходов к выбору различных вариантов компоновки и условий эксплуатации ВСП;
· разработка и обоснование состава критериев оптимизации конструкций вариантов верхних строений платформ, позволяющих учитывать технические, технологические, производственные, экологические, экономические и др. аспекты проектирования, изготовления и эксплуатации объектов на ВСП;
· определение требований к компоновке ВСП с точки зрения обеспечения безопасности;
· анализ методики выбора рационального варианта конструкций МНГС с учетом критериев, отмеченных в работах [2] и [3], и разработка критериев выбора рационального варианта компоновки и состава оборудования на верхних строениях нефтегазопромысловых платформ на их основе.
Для достижения поставленной цели в данной работе используются методика проектирования компоновки блоков и состава оборудования, предложенная в работе Бородавкина П.П. [4], и методика выбора рационального варианта нефтегазопромысловых платформ для освоения шельфа, рассматриваемая в работах Мирзоева Ф.Д. [2], Никитина Б.А. и др. [3].
Факторы, влияющие на особенности конструкции морского нефтегазопромыслового сооружения
За последнее двадцатилетие морские платформы по конструкции, размерам и стоимости коренным образом изменились. Известно, что первые морские платформы сооружались главным образом на мелководье: так было в Каспийском море, в Мексиканском заливе или в озере Маракайбо в Венесуэле. Их создание (проектирование, изготовление, транспортировка и установка на точке) не вызывало больших технических затруднений. С открытием крупных нефтяных месторождений в Северном море платформы пришлось устанавливать в водах глубиной более 150 м и проектировать их с учетом воздействия ветровых волн высотой 30 м. Для этого определялись факторы, определяющие особенности конструкций морских нефтегазопромысловых сооружений. В качестве основных факторов, влияющих на особенности конструкции морского нефтегазопромыслового сооружения, выделяют (таблица 1.): технологические, экологические, гидрометеорологические и производственные.
Методы монтажа ВСП
Конструкция верхних строений платформ непосредственно зависит от методов исполнения (компоновки) технологического и бурового оборудования. На данный момент выделяются четыре основных способа монтажа ВСП:
1. Агрегатный
Этот метод заключается в индивидуальном монтаже каждого отдельно взятого агрегата (сборочно-монтажной единицы, состоящей из унифицированного и стандартного оборудования и выполняющей самостоятельную функцию на ВСП).
После монтажа всех агрегатов на фундаментах производится их кинематическая увязка в соответствии с монтажной схемой.
2. Блочно-модульный
Блочно-модульный метод заключается в сооружении ВСП из крупных блок-модулей, включающих в себя основное технологическое оборудование, расположенное и кинематически увязанное на мощных металлических основаниях. При данном методе блок-модули устанавливаются либо на заводе-изготовителе, либо на точке в море.
3. Интегральный
При данном методе опорная часть изготавливается отдельно и только после этого на нее устанавливается верхнее строение. Монтаж верхнего строения полностью производится на заводе-изготовителе.
4. Комбинированный
Суть данного метода заключается в использовании сочетания всех перечисленных выше методов монтажа (агрегатный, блочно-модульный и интегральный).
Выбор способа монтажа верхнего строения (агрегатный, блочно-модульный, интегральный, комбинированный) зависит от наличия соответствующих подъемно-транспортных и специальных плавучих технических средств на месте установки ВСП. Производственные мощности, затронутые при установке, рассчитываются на минимальный объем строительно-монтажных работ в условиях открытого моря. Окончательный состав необходимых технических средств и производственных мощностей выбирается на основании детального технико-экономического анализа [5].
Основные подходы к определению типа и компоновки ВСП
Типовое многоярусное верхнее строение морской стационарной платформы (ВСП) состоит из блок-модулей и предназначено для одновременного бурения двумя установками и эксплуатации куста до 24 скважин (добывающих и нагнетательных) глубиной до 6500 м [6].
Обычно ВСП разрабатывается в блок-модульном исполнений. Блок-модули предназначены для размещения оборудования, обеспечивающего бурение и эксплуатацию скважин.
Комплектация блок-модулей оборудованием выполняется по функциональному признаку таким образом, чтобы после монтажа на платформе блок-модули создавали законченные комплексы [7].
ВСП, исходя из назначения, комплектуется из четырех основных комплексов: двух технологических – бурового, эксплуатационного, энергетического и жилого.
Компоновка блок-модулей ВСП выполняется в три яруса:
· на 1-м (нижнем) ярусе располагается оборудование устьев скважин, комплексы эксплуатационного и энергетического оборудования;
· на 2-м ярусе располагается буровой комплекс;
· на 3-м – жилой комплекс с вертолетной площадкой, вышечный блок с буровой установкой [7].
Типичное расположение основного оборудование на технологической платформе представлено на рисунке 1.
Поскольку на палубах размещается все необходимое технологическое оборудование, помещения для складирования материалов и жилые помещения, то проектировщику приходится решать две проблемы: нужно разместить все перечисленные компоненты, но разметить их на как можно меньшей площади и при меньшем объеме помещений [4].
Минимальная площадь палуб может быть только тогда, когда между компонентами не будет свободных площадей, т.е. все они будут расположены, как говорят практики, «впритык».
Однако это невозможно, так как требуется обеспечить возможность прохода между помещениями и оборудованием обслуживающего персонала.
Кроме того, необходимо обеспечить выполнение требований безопасности (противопожарной, химической и др.). Поэтому площадь и используемые объемы будут существенно больше, чем при абсолютно плотном размещении помещений и оборудования [4].
Наиболее ярко основные подходы к проектированию компоновки и состава оборудование выражены в работе Бородавкина П.П. [4].
Описанный автором подход состоит из нескольких шагов:
1 шаг – определение вертикальных габаритных размеров МНГС с учетом глубины моря в точке установки;
2 шаг – составление технологической схемы рабочего цикла, связанного с выполнением операций по бурению, добыче нефти, газа, подготовке к транспорту и т.п.;
3 шаг – составление каталога технологического оборудования с указанием не только технологических характеристик, но и всех основных размеров;
4 шаг – составление каталога необходимых технических помещений и емкостей с указанием размеров; составление каталога помещений для обслуживающего персонала. В данном каталоге обязательно указывается число лиц, которые должны постоянно находиться на платформе, а также количество лиц, прибывающих на нее с кратковременным визитом. Учитываются необходимость рабочих помещений, жилых помещений, помещений для отдыха, помещений бытового обслуживания (столовая, бани и т.д.);
5 шаг – определяются необходимые площади для средств транспортного обслуживания платформы (вертолет, суда, шлюпки и катера, крановое оборудование для погрузки и выгрузки грузов);
6 шаг – непосредственно раскладка всех перечисленных элементов с учетом требований безопасности, доступности и обслуживания;
7 шаг – оптимизация произведенной «вручную» расстановки.
Последний шаг требует реализации условия:
Условия эксплуатации ВСП
Конструкция эксплуатационных блок-модулей верхнего строения должна обеспечить:
· нормальное и безаварийное выполнение технологического процесса эксплуатации скважин;
· высокие показатели надежности и ремонтопригодности;
· безопасность круглосуточной эксплуатации при надежном резервировании;
· максимальное снижение трудоемкости и стоимости постройки блок-модулей за счет повышения технологичности и снижения стоимости оборудования и материалов;
· удовлетворение требованиям блочно-модульной разбивки с возможностью замены и унификации отдельных блок-модулей и их транспортировки по внутренним водным путям на баржах [7].
Выбор способа монтажа верхнего строения (агрегатный, блочный, интегральный и др.) также зависит от наличия соответствующих подъемно-транспортных и специальных плавучих технических средств. Производственные мощности должны быть рассчитаны на минимальный объем строительно-монтажных работ в условиях открытого моря. Окончательный состав необходимых технических средств и производственных мощностей выбирают на основании детального технико-экономического анализа.
Общие требования к компоновке ВСП с точки зрения обеспечения безопасности
Разработке требований по безопасному проектированию морских платформ для арктического шельфа посвящены научные работы Богатыревой Е.В. [8, 9]. Согласно исследованиям, с точки зрения производственной безопасности при компоновке ВСП основные решения, обеспечивающие снижение рисков для находящегося на платформе персонала, оборудования и окружающей среды при возникновении аварийных ситуаций, связанных со специфическими природно-климатическими факторами (особенно в арктических условиях), должны обеспечить компромисс между противоречивыми требованиями (безопасность, надежность, стоимость) в конкретных условиях ее применения.
На сегодняшний день требования изложены в нормативных документах [10, 11]. Таким образом, можно выделить основные требования при компоновке ВСП:
· оборудование следует хранить в закрытых обогреваемых модулях;
· для перемещения персонала на производственной площадке должны быть организованы закрытые проходы и коридоры;
· должна быть организована теплоизоляция и локальный обогрев расположенного вне модулей оборудования и трубопроводов;
· оборудование, расположенное вне технологических модулей должно быть защищено от блокирования льдом и снегом;
· должна быть обеспечена устойчивость трубопроводов, коммуникаций, крупных выступающих элементов и конструкций к воздействию дополнительных весовых нагрузок (обледенение и снежный покров);
· должна быть обеспечена повышенная надежность теплоэнергоснабжения;
· должна быть реализована совокупность решений, обеспечивающих сохранность и работоспособность систем пожаротушения при отрицательных наружных температурах;
· должна быть реализована совокупность решений по обеспечению безопасности и сохранению работоспособности оборудования при отказах систем теплоэнергоснабжения;
· должны быть увеличены размеры хранилищ и складов, вследствие чего требуется увеличение минимального запаса запчастей, инструментов и различных принадлежностей с целью поддержания работы морской платформы при сбоях в работе системы снабжения;
· внутри модулей и коридоров должны быть созданы условия для безопасного выполнения работ и для перемещения персонала;
· размеры, форма, взаимное расположение модулей, размещение входов в них не должны создавать препятствий для выполняемой работы;
· модули должны быть оснащены не менее чем двумя выходами, расположенными на различных (лучше, если на противоположных) сторонах модуля и ведущими к путям эвакуации, при этом один из выходов может рассматриваться в качестве аварийного.
Анализ методических основ выбора рационального варианта морских нефтегазопромысловых сооружений
Методика выбора основных вариантов технических решений, технических средств и сооружений является одним из основных предметов привлечения внимания ученых, конструкторов и проектировщиков.
Разработка таких методик в начале 90-х годов занимались в институте ВНИПИморнефтегаз [12]. Кроме того, имеется ряд подходов, используемых зарубежными компаниями. Основные положения этих подходов приведены в работе Вяхирева Р.И. [13]. В данной же монографии рассматривается методика, предложенная годами позже в научных трудах Никитина и др. [3] и Мирзоева Ф.Д [2].
Cуть предложенной методики заключается в рассмотрении проектирования МНГС как некой системы подходов, позволяющей определить количество критериев в зависимости от стадии проектирования.
В представленных выше работах, авторы выделяют три стадии выбора основного варианта:
1. На первой стадии проходит анализ и подготовка исходных природно-климатических и технологических требовании для разработки конструкций ледостойких платформ.
2. На второй стадии с учетом приведенных выше исходных данных разрабатываются конструкции платформ, удовлетворяющие всем технико-технологическим требованиям.
3. И уже на третьей, самой ответственной, происходит выявление и формирование критериев выбора основного варианта сооружения [3].
Разработка критериев выбора вариантов и подбора компоновки оборудования на ВСП
В данной работе под критерием понимается показатель или характеристика системы, по величине которой можно судить о ее (его) эффективности, сравнивать альтернативные варианты и принимать решение, т.е. осуществлять выбор наилучшего и устанавливать порядок предпочтения вариантов.
В результате обобщения сказанного выше можно сформулировать следующие требования к критериям по компоновке и подбору основного оборудования на нефтегазодобывающей платформе:
1. Критерий должен достаточно верно отражать основное назначение проектируемой компоновки оборудования.
2. Критерий должен быть однозначным, вычисляемой функцией всех варьируемых параметров. При неоднозначном критерии сравнение показателей вариантов компоновки оборудования становится невозможным.
3. Критерий должен обеспечивать сопоставимость вариантов на всем множестве значений варьируемых параметров.
Эти требования не являются всеобъемлющими и окончательными. Поэтому в зависимости от характера и сложности вариантов рассматриваемых объектов, а также от стадийности проектирования эти требования могут быть дополнены и уточнены.
На основе анализа методических основ, представленных в вышеупомянутых научных трудах [2] и [3] можно выделить перечень основных критериев с учетом описанных к ним требований:
1. Первым основным критерием явно выделяется площадь ярусов, формирующих верхнее строение платформы. Учет этого критерия является началом процесса проектирования, ведь оптимальная компоновка оборудования на технологической платформе напрямую зависит от исходной площади самой платформы.
2. Вторым критерием является технологическая схема рабочего цикла. В данном критерии формируется основное понимание необходимости того или иного состава оборудования на технологической платформе.
3. Массогабаритные характеристики оборудования учитываются в третьем критерии. Данная характеристика не уступает по значимости всем остальным, так как от нее непосредственно и зависит компоновка оборудования на технологической платформе.
4. Четвертым критерием для определения компоновки и состава оборудования на ВСП следует выделить такое понятие, как апробированность технических решений (опыт изготовления и эксплуатации вариантов компоновки оборудования), т.е. технический уровень. Данный критерий имеет огромное значение в суровых климатических условиях, так как внедрение ранее не апробированных технических решений может повлечь за собой достаточно тяжелые последствия, в том числе техногенного характера.
5. Следующим показателем выделяется технологичность. Данное понятие характеризует возможность изготовления основного состава оборудования на уже существующих заводах, без вероятности строительства новых. Этот критерий может влиять на срок изготовления оборудования и в конечном итоге – на стоимость нефтегазодобывающей платформы в целом.
6. Отмеченная выше возможность использования уже существующих заводов влияет на следующий критерий – оперативность изготовления оборудования.
7. Седьмым критерием выбора основного варианта компоновки и состава оборудования являются сроки изготовления оборудования. Представленный показатель зависит от результатов выполнения четвертого, пятого и шестого критериев, т.е. если на данный момент имеется большой опыт в изготовлении необходимого оборудования, то оно может изготавливаться намного быстрее, тем самым уменьшая общее время на строительство нефтегазодобывающих платформ. Также возможно подключение одновременно нескольких заводов, таким образом можно гарантировать, что сроки изготовления оборудования будут достаточно короткими.
8. Восьмой критерий оценивается с учетом соблюдения требований существующих нормативных, законодательных и правовых документов при эксплуатации состава оборудования на нефтегазодобывающей платформе. При этом рассматривается необходимость в разработке новых специальных технических условий (СТУ), которые потребуют дополнительного времени для их разработки и согласования с надзорными органами. Данный показатель может быть связан с первым критерием, т.е. если имеется большой опыт изготовления и эксплуатации необходимого оборудования, то можно надеяться на наличие отработанной и апробированной нормативной базы.
9. Девятым критерием явно выделяются мероприятия по технической, пожарной и экологической безопасности при эксплуатации оборудования. Абсолютно каждый проект освоения морских нефтегазовых месторождений проходит экспертизу в надзорных органах (Госстрой, Ростехнадзор, Госкомэкология, МЧС и т.д.). Поэтому от полноты и достаточности разработанных в проекте освоения мероприятий по предупреждению техногенных катастроф зависит успех в согласовании проекта.
10. Завершающим критерием, но не менее важным является стоимость необходимого оборудования. В связи с тем, что оборудование, используемое на нефтегазодобывающей платформе, имеет сложный технический характер, оно является достаточно капиталоемким, от чего непосредственно зависит общая рентабельность освоения месторождений.
Для наглядности и удобства использования перечень критериев приведен в таблице 2.
Заключение
1. В связи с тем что основная часть российского континентального шельфа, перспективная на нефть и газ, приходится на замерзающие моря с тяжелым ледовым режимом и слабо развитой береговой инфраструктурой, освоение этих акваторий требует создания соответствующих технологий и технических средств.
2. Существующие решения по выбору различных вариантов компоновки и состава технологического оборудования на верхних строениях нефтегазопромысловых платформ необходимо оптимизировать путем выявления критериев при проектировании строений платформы, с учетом соответствия международным правилам, нормам и стандартам.
3. Особое внимание при выборе следует уделить обеспечению рационального компромисса между противоречивыми требованиями, соответствующими нормативам, охватывающим безопасность, надежность и стоимость в конкретных условиях ее применения.
Литература
1. Адамянц П.П., Гусейнов Ч.С., Иванец В.К. Проектирование обустройства морских нефтегазовых месторождений – М.: ООО «ЦентрЛитНефтеГаз», 2005. – 496 с.
2. Мирзоев Ф.Д. Научно-методические основы выбора рационального варианта нефтегазопромысловых платформ для освоения шельфа: дис. ... канд. техн. наук :25.00.18 / Фуад Дилижан оглы Мирзоев; Москва. ООО «Газпром ВНИИГАЗ»., 2003. − 116 c.
3. Никитин Б.А. Методика выбора основного варианта конструкции морских ледостойких платформ: Учебное пособие. / Б.А. Никитин, Д.А. Мирзоев, Е.В. Богатырева – М.: РГУ нефти и газа, 2005 – 21 с.
4. Бородавкин П.П. Морские нефтегазовые сооружения: Учебник для вузов. Часть 1. Конструирование. / П.П. Бородавкин – М: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2006. – 555 с.
5. Мирзоев Д.А. Основы морского нефтегазопромыслового дела: В 2 томах. – Т. 2: Морские нефтегазопромысловые инженерные сооружения – объекты обустройства морских месторождений: Учебник. – М.: Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина, 2015. – 286 с.
6. Мирзоев Д.А. Основы морского нефтегазового дела: Том 1: Обустройство и эксплуатация морских нефтегазовых месторождений: Учебник. / Д.А. Мирзоев – М.: Издательский цент РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2014. – 272 с.
7. Отчет о научно-исследовательской работе: «Верхнее строение стационарной глубоководной платформы для бурения и эксплуатации куста нефтяных скважин на акватории Баренцева моря при глубине воды до 250 м» / ВНИПИморнефтегаз; – М., 1983 г.
8. Богатырева Е.В. Проблемы повышения безопасности при освоении месторождений на арктическом шельфе. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – № 5 – 2004. – C. 9–13.
9. Богатырева Е.В. Требования по безопасному проектированию морских платформ для арктических условий. Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2004. № 1 – С. 15.
10. ГОСТ Р 57555-2017 (ИСО 19901-3:2014). Нефтяная и газовая промышленность. Сооружения нефтегазопромысловые морские. Верхние строения. – Москва: ФГУП «Стандартинформ», 2017. – 73 с.
11. Российский морской регистр судоходства «Правила классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок и морских стационарных платформ». НД №2-020201-013, С-Петербург, 2014. – 484 c.
12. Отчет о научно-исследовательской работе: «Научно-техническое обеспечение технико-экономического обоснования обустройства Приразломного нефтяного месторождения» / ВНИПИморнефтегаз; Рук. темы Мирзоев Д.А. – М., 1994 г.;
13. Вяхирев Р.И., Никитин Б.А., Мирзоев Д.А. Обустройство и освоение морских нефтегазовых месторождений. – М.: Изд. Академии горных наук, 2001. – 460 с.
