Райзеры на глубоководных месторождениях: от проектирования до эксплуатации

Райзер, представляет собой колонну труб, монтируется в натянутом положении для исключения его разрушения в результате потери устойчивости, служит для подсоединения подводных скважин к оборудованию, расположенному на верхних строениях платформы и используется в следующих операциях:

• спуска инструментов в пробуренную скважину и циркуляции бурового раствора и шлама;

• транспортировки жидкостей и инструментов от плавучих средств и подводных установок (т.е. подводная скважина, темплет, манифольд и т.д.).

Существуют различные виды райзерных систем (см. рисунок 2, 3), которые отличаются по назначению, условиям эксплуатации, способам интеграции с надводным сооружением и т.д. Райзеры можно классифицировать исходя из следующих основных критериев (см. рисунок 2):

• назначения системы райзеров (буровые, добычные/нагнетательные, отгрузочные/экспортные, для заканчивания скважины, для ремонта скважины);

• конструкции стенки райзера (жесткие/rigid, гибкие/flexible, гибридные/hybrid райзеры);

• формы системы райзеров (свободно подвешенные райзеры/free hanging catenary risers;

• свободно стоящие райзеры/self standing risers;

• натянутые райзеры/top tensioned risers; стояки/tower risers; райзеры типа Lazy S, Steep S, Lazy wave, Steep wave, pliant wave, J lay, Reel lay, Tow out;

• многоканальные райзеры/multibore risers, пучок райзеров на подводном буе/riser bundle with mid-water buoy и т.д.);

• конструкционного материала трубы райзера металлические (стальные, алюминиевые и др.), композитные, оптиковолоконные, пластиковые и др.;

• условий эксплуатации системы райзеров (мелководные/shall water, глубоководные/deep water, для арктических условий и т.д.);

• количества и вида соединения райзеров в системе (сгруппированные одноколонные свободностоящие райзеры/Single line offset riser(SLOR); труба в трубе/Pipe in pipe riser (PIP), сгруппированные райзеры/Consentric offset riser (COR) и др.).

Конструкция райзеров определяется исходя из технологических показателей (параметры добычи, способ обустройства месторождения и т.п.) и природных условий в месте расположения объектов обустройства (глубина моря, условия окружающей среды и т.п.), поэтому при проектировании райзерной системы учитывают следующие факторы:

• условия эксплуатации и требования к геометрии райзера;

• требования к конструктивной целостности и жесткости;

• характеристики конструкционного материала райзера;

• применяемые системы поддержания конструкции в толще воды, способ крепления;

• экономико-стоимостные показатели.

Для обеспечения надежности и безопасности эксплуатации система райзеров должна проектироваться таким образом, чтобы выдерживать нагрузки на растяжение/сжатие, изгиб, кручение, давление воды и нагрузки от взаимодействия с другими объектами (надводным сооружением, грунтом дна, системами поддержания, ледовыми образованиями и т.д.). Исходя из требований к функциональному назначению и целостности системы райзеров, на стадии проектирования следует уделять внимание таким вопросам, как:

• соответствия законодательным и нормативным требованиям;

• обеспечения надежности и безопасности системы;

• обеспечения функциональных требований;

• обеспечения эксплуатационной пригодности;

• обеспечения условий конструкционной прочности;

• материального исполнения;

• технологичности процессов изготовления;

• системы и последовательности монтажа;

• контроля состояния и ремонту;

• стоимости изготовления и обслуживания.

Райзеры различаются по размерам, конфигурации в поперечном сечении, виду нагружения. В глубоких водах для колонн большой длины требуется достаточная степень натяжения для предотвращения выхода их из строя в результате сжатия, а с увеличением глубины вес райзера и напряжения в нем увеличиваются. Дополнительно к напряжениям на райзер воздействуют изгибающие моменты, вызываемые волнами, морскими течениями и перемещением плавучей платформы. Для поддержания конструктивной целостности каждый райзер должен быть вертикально натянутым. Для исключения разрушения райзеров в результате потери устойчивости используют различные устройства для их натяжения, а также элементы плавучести, которые присоединяют к колонне райзера, или используют добычной буй, поддерживающий райзерную систему в постоянном натяжении при любом волнении моря.

РИС. 1. Полупогружная буровая платформа с морской буровой колонной (райзером)

Таким образом, системы натяжения райзеров могут быть разделены на две категории: «активные» и «пассивные» системы. Активные системы натяжения райзеров включают гидравлические плунжеры, электромеханические устройства, амортизаторы или другие средства, например, эластомерные пружины.

Эти устройства для натяжения райзеров содержат различные движущиеся части, являются достаточно дорогими и подвержены механическому износу и разрушению, причем разрушение этих частей может вывести из строя всю райзерную сборку, сильно повредить подводное оборудование и / или вызвать подводный выброс с последующим загрязнением и риском повреждения плавучей платформы, ее оборудования и обслуживающего персонала.

При бурении в очень глубоких водах вес секций водоотделяющей колонны может быть весьма большим и система натяжения райзера, сама по себе, не сможет обеспечить достаточного натяжения вододоотделяющей колонны для ее поддержания. В этом случае используют «пассивные» системы натяжения.

Для этого к райзерным секциям прикрепляют плавучие устройства, представляющие собой цилиндры, наполненные воздухом, или устройства с вспененным пластиком, которые способствуют эффективной работе системы натяжения. Что касается использования добычного буя для поддержания райзерной системы в постоянном натяжении, то технические решения направлены на упрощение его конструкции, снижение массы за счет использования подводного основания с улучшенной системой заякоривания добычного буя, а также отдельного, поддерживающего добычу судна, связанного с буем. При использовании в глубоких водах этот подход и конструктивное решение приводят к экономии капитальных вложений и эксплуатационных расходов.

РИС. 2. Классификация систем райзеров и гибких труб

Поэтому с целью поиска решений по сохранению работоспособности райзеров на глубоководных месторождениях был проведен анализ патентной и технической информации и ниже приведены некоторые технические решения, направленные на сохранение конструктивной целостности райзеров, используемых на глубоководных морских месторождениях. Уделено внимание жестким и гибким райзерным системам, системам для натяжения райзеров и осложнениям от воздействия окружающей среды. Приведенная информация может быть принята во внимание при проектировании обустройства морских месторождений.

Так пассивная система натяжения может помочь в преодолении некоторых негативных моментов, вызываемых активной системой натяжения райзеров. Одна из форм пассивной системы натяжения райзеров включает наличие, по меньшей мере, одного плавучего элемента или плавающей секции, определенной формы, изготовленной, например, из вспененного материала и подсоединенной к верхнему концу морского райзера, которая позволяет ему держаться на поверхности. Использование таких плавучих элементов позволяет снизить количество устройств для натяжения, размещаемых на самой плавучей платформе. Этот способ является наиболее предпочтительным, поскольку натяжение, создаваемое за счет элементов плавучести, не передается на корпус, тем самым, давая возможность корпусу сооружения поддерживать только свой вес и вес оборудования, размещенного на верхних строениях.

Следует отметить, что ремонт и техническое обслуживание плавучих элементов требует отсоединения райзера от подводного оборудования для извлечения плавучего элемента на поверхность, что влечет за собой прерывание добычи. Кроме этого, присоединение плавучих элементов к райзеру при его сборке с последующим погружением для подсоединения к подводному оборудованию является весьма трудоемкой и длительной по времени операцией.

Ниже приведено краткое описание некоторых из приведенных на рис. 2 райзерных систем, преимущественно используемых при добыче углеводородов из глубоководных месторождений:

1. Свободно стоящий райзер, (позволяет исключить сборку и разборку райзера и/или соответствующего количества натяжных устройств, необходимых в глубокой воде), включает множество элементов плавучести, прикрепленных к райзерной колонне в различных местах, поддерживающих ее в натянутом положении. На верхнем конце свободно стоящего райзера установлено соединительное устройство для его крепления к райзерной надставке, отходящей от платформы. Надставку спускают и подсоединяют к верхней части свободно стоящего райзера с последующей его фиксацией в натянутом положении. Обычно райзерная надставка располагается метров на двести ниже поверхности воды так, чтобы в случае аварийной ситуации ее можно было отсоединить для предотвращения повреждения свободно стоящего райзера. Райзерная надставка имеет небольшие размеры, быстро демонтируется, занимает мало места при ее хранении на палубе и требует меньше оборудования для ее натяжения.

Наиболее часто свободно стоящий райзер используют при работах, проводимых на подводных скважинах, когда судно, в основном, остается на месте, позволяя подсоединять его к одному устью на определенный период времени, а затем двигаться к другому. Разъединение райзерной надставки от свободно стоящего райзера оказывает минимальное воздействие на судно. Райзер также используется при бурении, ремонтных и внутрискважинных работах.

2. Гибкий райзер, как например, Coflexip или Wellstream, стенки труб которого включают ориентированные стальные ленты вместе с прослойками пластика, что позволяет райзеру быть более гибким по сравнению с обычной стальной трубой. Однако, такие райзеры относительно дорогие и должны заказываться заранее согласно предъявляемым техническим требованиям. Основные преимущества композитных материалов, из которых конструируют гибкие райзеры, - это высокая удельная прочность и жесткость, хорошие усталостные характеристики, легкий вес и коррозионная стойкость.

3. Стальной провисающий райзер похож на трубопровод, один конец которого находится на дне океана. Стальной провисающий райзер устанавливают таким же образом, как и выкидные линии или трубопроводы. Секции труб подсоединяют к стальному провисающему райзеру и укладывают на дно. Установлено, что в очень глубоких водах изгиб стальных провисающих райзеров находится в приемлемом диапазоне из-за относительной глубины воды по отношению к диаметру трубы.

Подвеска (зависание) стальной трубы от судна приобретает форму очень схожую с кабелем в цепной системе заякоривания. Стальной провисающий райзер имеет на дне океана точку крепления и его нижний конец может быть подсоединен к оборудованию, размещенному на дне, такому как сборному манифольду или трубопроводу. По сравнению с гибкими райзерами имеет широкий диапазон размеров для использования в глубоких водах и может составить альтернативу стальным морским райзерам с вертикальным натяжением. Дальнейшее преимущество в том, что его можно монтировать почти в любом месте.

Одной из главных проблем является установка одной или более колонн труб от дна океана до платформы. Один конец колонны труб фиксируют на дне океана, в то время как верхний конец трубной колонны подсоединяют к плавучей платформе (судну), подверженной перемещениям вследствие воздействия сил окружающей среды.

РИС. 4. Концептуальный проект FPU для ледовых условий

Для ограничения перемещения платформы под действием волны, качки и поворотов вокруг вертикальной оси в диапазоне, приемлемом для стальных провисающих райзеров, используют якорные системы различных типов, такие как цепные подвески, упругие и полуупругие якорные системы. Для стальных провисающих райзеров предложена система, которая связана с подбором оптимальных характеристик полупогружной платформы, стальной провисающей райзерной системы и полуупругой якорной системы для достижения наименьшего перемещения, которое позволит исключить усталостное разрушение и/или потерю несущей способности конструкции.

РИС. 5. Добычная платформа типа «джекет» с ледостойкими райзерами (залив Бохай, Китай)

Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в конструкции корпуса, способного выдерживать в месте расположения для данных условий окружающей среды большие палубные нагрузки, отвечая на них незначительными перемещениями (вертикальная и килевая качки, вращение). Достигаемые величины перемещений на 20 % – 40 % меньше, чем в современных конкурентоспособных проектах корпусов полупогружных плавучих добычных систем. Форма и соразмерность понтонов и колонн корпуса спроектированы таким образом, чтобы минимизировать вертикальную качку в нормальных и экстремальных морских условиях, тем самым, уменьшая как усталостные, так и экстремальные нагрузки на стальные провисающие райзеры. Корпус описываемой конструкции также обеспечивает большую гидростатическую вращательную остойчивость, снижая квазистатическое вращение, а также килевую качку в штормовых условиях, вызываемую сочетанием установившегося ветра и моментами якорной системы, и дополнительно снижает нагрузку на стальные провисающие райзеры.

РИС. 6. Добычная платформа Кравцовская типа «джекет» с противоледной защитой райзеров (слева)

Оптимизация системы достигается за счет анализа метеорологических данных на месте расположения месторождения, определения числа и размеров стальных провисающих райзеров, нахождения внешней границы перемещений для предотвращения выхода из строя райзеров и оптимизации комбинации формы корпуса полупогружной платформы, полунапряженной якорной системы и стальных провисающих райзеров для поддержания перемещений полупогружной платформы внутри внешней границы, безопасной для указанных райзеров. Основными видами повреждений райзера, но данным мировой практики, являются:

• отклонения профиля райзера от запроектированного, в т.ч. вызванное отрывом промежуточного поплавка, полной или частичной потерей его плавучести;

• механическая деформация и повреждения конструктивных элементов такелажной оснастки райзера, в т.ч. чрезмерный износ деталей крепления гибкого шланга к промежуточной плавучести;

• повреждение антикоррозионного покрытия конструктивных элементов райзера;

• потеря анодов катодной защиты конструктивных элементов такелажной оснастки райзера;

• коррозия конструктивных элементов райзера;

• механическое повреждение тела райзера, например, вследствие соударения с ледовыми образованиями типа осколков битого льда и т.п.

Глубоководные морские райзерные системы подвержены агрессивному воздействию окружающей среды, поскольку во время работы находятся в двух зонах: волновой и глубоководной.

Волновая зона (приблизительно 100м от поверхности воды) характеризуется непрерывным движением и соответствующими силами, действующими на судно и райзеры, вызванными ветром, приливами и течениями. Эти постоянные перемещения вызывают усталостные напряжения, особенно в жестких райзерах, проходящих через волновую зону (для использования в этой зоне лучше подходят гибкие райзеры.).

Глубоководная зона (приблизительно 300м от поверхности воды и глубже) характеризуется существенным гидростатическим давлением, которое должны выдерживать райзеры. Предпринимались попытки использования отдельных типов райзеров и их сочетаний для работы в названных зонах. При этом отмечены недостатки и ограничения использования гибкой райзерной системы; так её основное ограничение в том, что райзеры должны иметь небольшие внутренние диаметры, чтобы выдерживать гидростатическое давление и высокие растягивающие нагрузки в глубоководной зоне.

РИС. 7. Платформа «Лунская-А» (проект «Сахалин-2»)

Использованию райзерной системы SCR (стальной провисающий райзер), в которой стальная труба укладывается по дну и мягко изгибается вверх с подвесной частью, проходя через волновую зону, и подсоединяется к плавучему средству на поверхности, присущи следующие недостатки:

• плавучее средство должно выдерживать вес этой райзерной системы;

• для противостояния влиянию волновой зоны райзеры должны иметь большую толщину стенки, что приводит к увеличению их массы;

• райзеры подвергаются усталостным нагрузкам, которые могут повлечь за собой проведение крупных и дорогостоящих ремонтных работ из-за глубин, на которых придется их проводить.

Предложена райзерная система, устраняющая вышеназванные недостатки, включающая два райзера разного типа, один из которых способен противостоять постоянным и меняющимся силам и перемещениям в волновой зоне, другой – выдерживать гидростатическое давление в глубоководной зоне, и два способа их использования. Первый способ относится к, так называемой, гибридной райзерной колонне, состоящей из жесткой части, расположенной вертикально относительно морского дна, и гибкой, которая состоит из гибких соединительных труб (от верха жесткой части до судна). Для поддержания жесткой части гибридной райзерной колонны в относительно вертикальной позиции обычно используют погружной буй.

Другая система, состоящая из райзеров двух типов, включает стальные провисающие райзеры и гибкие соединительные трубы, используемые для сообщения между морским дном и поверхностью. В этом способе используют погружной буй для поддержания верхнего конца жесткой (SCR) части в месте, значительно ниже волновой зоны. Гибкие соединительные трубы распространяются от верха жесткой части SCR до плавучего средства на поверхности.

РИС. 8. Алгоритм оценки воздействия льда на райзерную систему

Таким образом, один из вариантов системы для транспортировки жидкости на шельфе при добыче углеводородов может включать: гибридную райзерную колонну, установленную вертикально относительно морского дна до места, расположенного значительно ниже волновой зоны; устройство для регулирования плавучести, подсоединенное к верхнему концу гибридной райзерной колонны, способное поддерживать ее практически в вертикальном положении; один или более райзеров, поднимающихся вверх от морского дна и прикрепленных к устройству для регулирования плавучести; одну или более гибких соединительных труб от устройства для регулирования плавучести до добычного оборудования, расположенного на поверхности, что позволяет производить транспортировку жидкости между гибкими соединительными трубами, гибридной райзерной колонной и стальным провисающим райзером.

Также следует отметить, что для российского шельфа актуален вопрос применения райзеров на глубоководных месторождениях в арктических морях. В этих случаях при проектировании райзерных систем следует рассматривать возможность взаимодействия райзера со льдом.

Если в качестве объекта обустройства морского месторождения используется плавучая или стационарная платформа того или иного типа, то морской лед может оказывать на систему райзеров, соединяющих подводные устья скважин с корпусом (палубой) платформы, косвенное и прямое воздействие.

Косвенное воздействие связано со смещением плавучей платформы (например, корабельного типа, FPU – Floating Production Unit) в целом, вызванное действием льда на корпус платформы, которое передается райзеру как элементу системы обустройства месторождения (рис. 4). Необходимо отметить, что такое косвенное воздействие природных факторов имеет место и в безледных условиях – оно порождается воздействием волн, течений и ветра и учитывается при проектировании. Например, на месторождении Lufeng 22-I в Южно-Китайском море эксплуатируется FPU «Munin», для которого проектом предусмотрено отсоединение райзерной системы и системы якорей в случае приближения мощных тайфунов во избежание их повреждения.

РИС. 9. Запатентованные технические средства защиты райзеров ото льда

Наибольшую опасность в случае ледовых условий представляют айсберги и крупные ледовые образования, такие как торосы. Столкновение с ними может привести как к повреждению корпуса платформы, так и к чрезмерному горизонтальному смещению узла крепления райзера к корпусу, что может вызвать повреждение или полное разрушение самого райзера. Обе ситуации ведут к нарушению технологических процессов и представляют угрозу общей безопасности при разработке месторождения.

Поэтому при проектировании обустройства месторождения предусматриваются определенные степени защиты и предупреждения ледовых воздействий на сооружение, как, например, мониторинг ледовой обстановки и активное воздействие на айсберги.

Для стационарных платформ в ледовых условиях возможно применение подхода, при котором райзер конструктивно проектируется с такими параметрами, которые обеспечивают его несущую способность при непосредственном воздействии ледового покрова, другими словами – в условиях прямого воздействия льда райзер проектируется «в ледовом исполнении». Практическим примером могут служить добычные платформы типа «джекет», применяемые в заливе Бохай (северо-западная часть Желтого моря). На фотографии видно, что отсутствует какая-либо конструктивная защита райзеров, вследствие чего они сами противостоят непосредственному воздействию дрейфующего льда.

На практике применяется и другой подход, когда «неледостойкие» райзеры размещаются внутри некоторого внешнего защитного ледостойкого корпуса. Примером может служить платформа Кравцовская (конструкция типа «джекет»), с 2004 г. добывающая нефть в Балтийском море.

А, например, в гравитационной платформе Лунская (проекте «Сахалин-2») райзеры помещены внутри одной из опорных колонн, поддерживающих интегральную палубу с технологическим оборудованием.

Таким образом, при проектировании райзерных систем для акваторий с ледовым режимом могут быть выбраны различные подходы для защиты райзеров от опасности воздействия льда, которое может быть прямым и (или) косвенным. Для выбора оптимального варианта необходимо оценить соответствующие риски с качественной и количественной точек зрения.

В свою очередь прямое воздействие льда на систему райзеров является актуальным для российского шельфа в случае использования на месторождении плавучего сооружения корабельного типа, FPU, при наличии ледовых условий. В частности, такой вариант рассматривается как основной при освоении Штокмановского газоконденсатного месторождения. При этом, с одной стороны, воздействие льда на уровне воды воспринимается корпусом FPU, и поэтому воздействие льда на райзер является косвенным. Но с другой стороны, поскольку существует возможность попадания обломков разрушенного ледяного покрова под днище судна, то имеется опасность реализации и механизма прямого (непосредственного) воздействия льда на систему райзеров.

Опасность прямого воздействия льда на райзеры возрастает в случае ледовых полей высокой сплоченности, появление которых вероятно в арктических акваториях. Рассмотрим следующий типичный сценарий воздействия ледяного поля на корпус плавучей платформы. Ровный сплошной лед под действием внешних сил (течение, ветер) надвигается на сооружение и разрушается, взаимодействуя с корпусом, что приводит к образованию битых ледяных полей вокруг платформы. При этом возникает опасность того, что образующиеся обломки могут оказаться в области райзеров и создать угрозу целостности и работоспособности системы райзеров.

На рисунке 8 предлагается алгоритм, который описывает методику анализа ледового воздействия на систему райзеров (отметим, что методика применима и в случае стационарных платформ, а не только плавучих). Предложенная схема основана на вероятностном подходе, учитывает фактор случайности при возникновении ледовых угроз и позволяет определить надежность райзерной системы, эксплуатируемой в ледовых условиях.

Методика выбора конструктивных параметров райзерной системы по критерию допустимого риска имеет итерационный характер и основана на последовательном анализе риска райзерной системы при данных конструктивных параметрах. В качестве рекомендаций по способам и средствам защиты райзеров от ледовых воздействий при условии значительной вероятности повреждения райзеров льдом или неприемлемых значениях риска повреждения райзера льдомможно отнести следующее:

принятие организационных мероприятий по исключению попадания опасных ледовых образований в зону расположения райзера.

Примерами таких мероприятий может служить мониторинг ледовой ситуации в регионе и средства оперативного реагирования на обнаруженную угрозу с применением мер по активному воздействию на ледовые образования (оттаскивние крупных массивов льда, разбивание льда снарядом или ледоколами и т.п.). Подобные мероприятия по мониторингу более крупных ледовых образований, например, айсбергов, уже нашли свое практическое применение в качестве мер обеспечения безопасности морских сооружений. Например, добывающее судно на месторождении Terra Nova обеспечено системой мониторинга айсберговых угроз, а также системой аварийного отсоединения судна, для отхода с места установки в безопасный район при внезапном возникновении или чрезвычайных айсберговых угрозах.

Применение специальных технических средств в конструкции райзера, которые препятствуют или ограничивают взаимодействие райзера с опасным льдом.

Примерами таких технических средств могут служить решетчатые или цепные конструкции, расположенные в верхней опасной зоне либо на всем протяжении райзера. Исследования в области защиты райзеров ото льда уходят корнями еще в 80-ые года прошлого столетия.

Выводы

Предложенные технические решения предназначены для использования в основном, в незамерзающих морях, но целый ряд приведенных решений, особенно в глубоководной зоне, может быть принят во внимание и использован при обустройстве морских месторождений на арктическом шельфе.

Для транспортировки продукции подводных скважин до плавучих средств подготовки рекомендуется использовать системы жестких, гибких и комбинированных райзеров.

Для поддержания райзеров в рабочем положении используются системы натяжения, которые подразделяются на «активные» и «пассивные», а также может быть использована их комбинация.

Использование системы гибридных райзеров позволяет сохранить их работоспособность в волновой и глубоководной зонах.

При проектировании райзерных систем для акваторий с ледовым режимом могут быть выбраны различные подходы для защиты райзеров от опасности воздействия льда:

• в ледовом исполнении;

• внутри внешнего защитного ледостойкого корпуса;

• в одной из опорных колонн.

Сохранение несущей способности стальных провисающих райзеров может быть достигнуто подбором и оптимизацией комбинации характеристик полупогружной платформы, стальной подвесной райзерной системы и полуупругой якорной системы с учетом результатов анализа метеорологических данных в месте расположения месторождения.