Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Предпосылки возникновения морской нефтедобычи в ХГХ-начале XX века 7
1.1. Первые попытки освоения морских месторождений 9
1.2. Начало применения геофизических методов разведки нефтяных месторождений в прибрежной полосе Мексиканского залива 14
1.3. Разработка морских месторождений со свайных оснований 21
Глава 2. Разработка морских месторождений с использованием плавучих буровых установок 42
2.1. Разработка и применение первых передвижных установок 42
2.2. Разработка и применение плавучих автономных установок 49
Глава 3. Развитие новых технологий и разработка плавучих глубоководных месторождений 82
3.1. Проектирование, изготовление и монтаж полу погружной платформы с нефтяными опорами 84
3.2. Применение плавучих установок для ускорения ввода месторождений в эксплуатацию и для работы в глубоких водах 99
3.3. Создание искусственных островов для разработки и эксплуатации морских месторождений в арктических районах 122
Глава 4. Развитие процессов химической переработки продукции скважин в условиях морского месторождения 140
4.1. Физико-химические свойства нефтей, добываемых на основных морских месторождениях мира 140
4.1.1. Физико-химические свойства нефтей морских нефтегазовых месторождений США 141
4.1.2. Физико-химические свойства нефтей месторождений Северного моря 142
4.1.3. Физико-химические свойства морских месторождений Азербайджана 143
4.1.4. Физико-химические свойства нефтей Венесуэлы Маракаибский нефтяной бассейн) 144
4.2. Технологии и технические средства, применяемые на морских месторождениях для разделения многофазной продукции скважин... 146
4.3. Разработка технологий получения метанола на морском месторождении 155
4.4. Технология получения мочевины и аммиака на морском месторождении 163
Основные выводы и рекомендации L 70
Список использованных источников 171
Приложения 182
- Первые попытки освоения морских месторождений
- Разработка и применение первых передвижных установок
- Проектирование, изготовление и монтаж полу погружной платформы с нефтяными опорами
Введение к работе
Актуальность темы. XXI век устанавливает новые условия добычи и потребления нефти в силу изменившейся политической (война в Ираке) и экономической (рост цен на нефть) ситуацией. Наряду с интенсивной добычей нефти в традиционных районах суши, бурными темпами продолжает развиваться морская нефтедобыча, перемещаясь на значительные расстояния от берега и большие глубины. К началу XXI века основные страны, добывающие нефть на шельфовых и морских месторождениях (США, Канада, Великобритания, Норвегия, Мексика, Азербайджан, Россия и др.), разработали и продолжают разрабатывать различные технологии и технические средства, успешно применяемые в различных климатических условиях.
Значительный вклад в развитие морской нефтедобычи был внесен специалистами Советского Союза (30 - 80-е годы XX века, Бакинский район Каспийского моря). Но в связи с изменением политической ситуации в СССР, а затем и полным его распадом, большая часть месторождений Каспия перешла к Азербайджану. Несмотря на значительные достижения, в развитии морской нефтедобычи СССР и России отмечались и застойные периоды. Одной из важных причин уменьшения темпов освоения морских месторождений явилось открытие в 60-х годах целого ряда нефтяных и газовых месторождений в Западной Сибири, что на значительный промежуток времени заслонило работы на месторождениях Каспия и Сахалина. Такое положение привело к снижению темпов работ на море и наметилось их отставание от мирового уровня.
Восстановление положения России как морской нефтедобывающей страны может быть обеспечено включением ее в разработку и внедрение новых технологий морской нефтедобычи с учетом специфики омывающих морей и океанов. Все это будет невозможно без учета более чем векового опыта добычи нефти на шельфовых и морских месторождениях различных стран, в том числе и опыта СССР. По этой причине весьма актуальным является проведение анализа становления морской нефтедобычи в мире, выявление основных направлений развития технологий и технических средств на всех временных
этапах и определений дальнейших направлений развития морской нефтедобычи России.
Целью работы является изучение развития морской нефтедобычи, анализ разработки и внедрения технологий добычи нефти в морях и океанах в различных климатических зонах с учетом специфических условий регионов, анализ добываемых нефтей и исследование возможности химической переработки продукции скважин на морских месторождениях с целью их адаптации при внедрении в освоение морских месторождений России.
Научная новизна заключается в том, что впервые рассмотрено в историческом и техническом аспектах становление и развитие освоения и разработки морских месторождений.
Впервые обобщены и проанализированы существующие на различных исторических этапах методы и технологии морской нефтедобычи в зависимости от политико-экономической ситуации и уровня развития науки и техники.
Проведено исследование свойств добываемых нефтей и рассмотрены технологии и технические средства для химической переработки продукции скважин непосредственно на морском месторождении.
Практическая значимость заключается в использовании результатов исследований Государственным унитарным предприятием «ИПТЭР» при выполнении научных и практических работ по утилизации попутного газа на месторождениях «Дракон» и «Белый тигр» СП «ВьетСовпетро» в Социалистической Республике Вьетнам. Основные положения работы использованы в Уфимском государственном нефтяном техническом университете при подготовке студентов по направлению «Нефтегазовое дело». Материалы работы могут быть использованы при перспективном планировании разработки морских месторождений нефти в России с учетом более чем векового опыта добычи нефти в морях и океанах в различных странах мира.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:
- на Всероссийской научно-технической конференции студентов;
аспирантов, молодых ученых и специалистов. Уфа, 2002 г.;
на Международной научно-технической конференции
«Трубопроводный транспорт сегодня и завтра». Уфа, 2002 г.;
на III Международной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела». Уфа, 2002 г.;
XXX SYMPOSIUM OF THE INTERNATIONAL COMMITTEE FOR HISTORY OF TECNOLOGY (ICOHTEC - 2003). St. Petersburg - Moscow, 2003 г.;
на IV Международной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела». Уфа, 2003 г.;
на V Международной конференции «Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела». Уфа, 2004 г.
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи и 7 тезисов докладов. В рассматриваемых исследованиях автору принадлежит постановка задач, участие в их решении, анализ полученных результатов и рекомендации по их внедрению.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложения, содержит 195 страниц машинописного текста, в том числе 13 таблиц, 84 рисунка, библиографический список используемой литературы из 144 наименований.
Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы цели и задачи, дана общая характеристика диссертационной работы.
Первые попытки освоения морских месторождений
Каспийское море - первое море, потревоженное нефтяниками. Для исследования Каспийского моря в 1781-1782 гг. была отправлена специальная эскадра, посетившая апшеронские берега Каспия. Эскадра, как указывалось в путевых журналах, в условиях шторма приблизилась к острову Жилому. Участники экспедиции почувствовали резкий запах нефти, появившейся над поверхностью воды. В путевом журнале присутствует следующая запись: «Явление сие, иначе растолковано быть не может, как тем, что плавающая оная на поверхности моря нефть выходит из самородных ключей, на дне оного находящихся, и по легкости своей наверх выплывает, ибо, как весь бакинский берег изобилует та сими ключами, то весьма вероятно, что некоторые из них простираются подземными своими, проходами и до глубины морской». [42] В начале XIX века бакинский житель Касымбек Селимханов начал добывать нефть со дна моря. На расстоянии 18 и 30 м от берега Биби-Эйбата им были сооружены два нефтяных колодца. Эти колодцы защищались от воды срубами из плотно сколоченных досок. Из этих колодцев ежесуточно добывалось 3-4 ведра нефти. В 1825 г. сильный шторм разрушил колодцы и существование первого морского промысла прекратилось. [42]
12 апреля 1819 г. горный чиновник Эйхфельд в рапорте на имя главнокомандующего на Кавказе генерала Ермолова относительно состояния нефтяных источников обращает внимание на следующее: «Особенно замечательно по бакинской провинции чрезвычайное множество нефти вокруг морского залива... Местами ключи являются недалеко от берегов в самом даже море, поднимаясь под водою вверх изо дна оного...». [26] В 1848 г. академик Г.В. Абих писал: «За несколько дней перед сим я открыл в бакинском заливе обширную группу газовых источников, освобождающих горючий газ с такой силой и в таком количестве, что вблизи них едва может двигаться лодка». [2] В 1859 и в 1861 гг. Г.В. Абих описал морское нефтяное месторождение «Нефтяные камни», приложив схему расположения камней. [2,26] В 1885 г. академик К.М. Бэр, посетивший южную часть Каспия, описал «извержение нефти» из моря. [19] В 1898 г. геолог Н.И. Лебедев представил записку и два геологических разреза о нефтеносности площади, покрытой водами Биби-Эйбатской бухты. [26] В 1904г. геолог Д.В. Голубятников убедительно доказал простирание нефтеносных слоев под дном бухты, опубликовав геологическую карту Биби-Эйбата. [26]
В 1894 г. в Калифорнии за пирсами Санта-Барбары впервые была добыта нефть из морских скважин. [111] Бурение в открытом море было начато с 1897 г. неглубокими скважинами (до 1000 м) в приливной полосе Тихого океана в Сомерланде. Буровые вышки устанавливались на деревянных сваях, не имели защитные шахты и соединялись с берегом посредством легких деревянных пристаней. Производительность скважин не превышала 1-2 барреля в день. Во время сильного шторма в 1899 г. во многих скважинах, не имеющих защитных шахт, колонны были сломаны и морская вода попала внутрь скважин. [111] Морская добыча нефти в тот момент времени не могла соперничать с интенсивной добычей на суше и предприимчивые американские нефтепромышленники отказались от нее.
В 1896 г. горный инженер В.К. Згленипкий обратился в Управления государственными имуществами Бакинской губернии и Дагестанской области с прошением об отводе ему двух участков под разведку на нефть, которую он предполагал проводить с вышек, сооружаемых в открытом море. [7] Это прошение было отклонено. Тем не менее, в 1900 г. он добивается заслушивания своего проекта специальной комиссией, образованной для установления возможности добычи нефти на прибрежной полосе Каспийского моря. Проект предполагал сооружение вышки для бурения на свайном основании. Специальный помост для обслуживания вышки сооружался на высоте 12 футов над уровнем моря. Сооружение такого помоста позволяло осуществлять самостоятельный спуск добываемой нефти в баржи. На случай фонтанирования предусматривалось использование специальной железной баржи вместимостью до 200 тысяч пудов, обеспечивающая безопасный вывод нефти. По проекту предусматривалась установка шахтной трубы, которая по проекту представляла собой железный кессон, который в целях предотвращения поступления воды снизу заливался цементом. Для производства работ предполагалось использование электроэнергии. Однако, несмотря на оригинальность проекта, тщательность его разработки и настойчивость автора проект был отклонен. В 1905 г. И.С. Заковенко разработал проект для осуществления добычи нефти со дна моря при помощи кессона-понтона, свободно передвигающегося по морю, но он также был отклонен. В 1906 г. фирмой «Братья Нобель» была пробурена скважина на дне озера, расположенного около селения Кала в месте выхода газов. Глубина скважины была около 600 м. На глубине около 400 м были встречены сильные притоки газа и небольшие притоки белой нефти удельного веса 0,776-0,781. Скважина была признана «сухой». Заседавшие в 1898 -1900 гг. комиссии признали необходимым продолжать разработку морских месторождений путем засыпки морского дна. [26] Этот вариант предусматривал засыпку морского дна таким образом, чтобы вновь образуемая площадь сливалась в одно целое с прибрежной материковой полосой. Такое решение в отношение Биби-Эйбатской бухты мотивировалось тем, что она окружена высотами с большими запасами земли и камня, необходимых для засыпки. Обсуждался вопрос о постройке дамбы, соединяющей Баилов-мыс и Шиков-мыс, с последующей откачкой воды из отгороженного пространства. Однако, этот вариант был отклонен.
Разработка и применение первых передвижных установок
В Бакинском районе наряду с разработкой конструкций морских оснований стационарного типа разрабатывались также проекты плавучих буровых установок. В 1933-1934 гг. братьями Хубенцовыми была предложена конструкция плавучего основания в виде затопляемого деревянного понтона. С этого основания была пробурена поисковая скважина глубиной 365 м. В последствии, во время сильного шторма понтон был разрушен.
Первые плавучие установки применялись при бурении шурфов под стационарные основания и в болотистой местности с 1934 г. Особенности их применения и конструкции представлены ниже.
При разработке подводной нефтеносной площади, прилегающей с северо-востока, севера и северо-запада к берегам острова им. Артема, составляющей 540 гектаров с глубиной моря не выше 7 метров долгое время не могли приступить к работам из-за отсутствия проекта основания под вышку на море. Проект был утвержден морским комитетом «Азнефти» и в сентябре 1934 г. были начаты работы по постройке первой морской вышки №157. Буровая №157 закладывалась на расстоянии 450 м от берега на глубине моря в 3,6 м. Дно моря в районе буровой усеяно камнем и только местами имелись относительно чистые песчаные поляны. Грунты в основном составлены твердыми породами и настолько тверды, что произведенная в І933 г. пробная забивка 3 деревянных свай не увенчались успехом. Сваи, погрузившись на 1,5 м, от дальнейших ударов только размочаливались, не погружаясь [55]
Для установки набивных свай, исходя из промысловых условий использовалась плавучая буровая установка. Бурильный станок вращательного бурения монтировался на плавучей барже (киржиме) (рис. 2.1, 2.2). Киржим
представлял из себя плоскодонное деревянное судно длиной 13 м, шириной по дну 4 м и высотой 2-м. Два таких киржима служили опорой для площадки.
В силу новизны и специфичности установки на плавучем сооружении и стесненности в габаритах, подход к вопросу оборудования был довольно кустарным и главным являлся упор на минимальные затраты. Бурильная установка, предназначенная для киржимов, состояла из следующих элементов. [42,55]
Ротор «Эмско 20» легкий тип. Ротор устанавливался на двух 31x31 см брусьях, проложенных на носовой части киржимов и закрепленных болтами к шпангаутам. Лебедка монтировалась из двух лебедок «Ойл-Велл», установленных на одной раме. Тормозная шайба одной лебедки служила основой для деревянного шкива, соединенного ременной передачей с насосом. Барабан этой лебедки служил катушкой для подъема грузов на якоре.
Насос 2-х цилиндровый с максимальной производительностью 14 л/сек. Двигателем первоначально служил трактор «Ганомаг». Однако из-за плохого состояния трактора возникали большие простои при бурении во время которых происходил прихват инструмента. Впоследствии трактор «Ганомаг» был заменен на «Интер» мощностью 65 л.с.
Для установки талей использовалась мачта, изготовленная из 8" нефтепроводной трубы длиной 13,3 м. Мачта на нижнем конце имела приварной башмак, который опирается на брус 40x40 см, лежащий на ушках, прикрепленных к бортам киржима. Мачта наклонена вперед на 17 и имела на высоте палубы вторую точку опоры. Кроме нижнего крепления, мачта имела шесть оттяжек для создания прочного и устойчивого состояния.
Для приготовления раствора цемента около насоса находится прямоугольный металлический чан 2,5 м\ Насосная коммуникация из 2,5" и 4" труб, обеспечивала промывку забоя при бурении скважин и цементировку свай.
Обслуживающий персонал киржима помещался в будке, расположенной на корме киржима.
Для хранения сухого цемента устанавливался деревянный ларь. Правая часть площадки киржима оставалась свободной для запаса труб. Все оборудование устанавливалось на площадке, настланной из досок, размером 10x10 м. Полученный таким образом бурильный киржим обладал грузоподъемностью до 80 т. Укрепление киржима на месте проводилось якорями «кошками» весом 50 кг. Занесение якорей-кошек производилось со специальных лодок-кулазов.
Оборудование киржимов было закончено в последних числах августа 1934 г. 2 сентября киржимы были отведены на место работы. Пробное бурение в 20 м от точки показало приемлемость данного метода. Таким образом была создана первая плавучая буровая установка на Каспии.
Для бурения шурфов под сваи использовалось долото РХ на 4" бурильных трубах. В процессе бурения в качестве промывочной жидкости использовалась морская вода.
Проектирование, изготовление и монтаж полу погружной платформы с нефтяными опорами
В начале 70-х гг. XX столетия специалисты фирмы «Коноко» утверждали, что для обеспечения потребностей в энергоресурсах в последние десятилетия века возникнет необходимость в добыче нефти и газа на глубинах моря 1000 и более метров. [44] В тот момент времени практически все морские скважины бурили и осваивали со стационарных платформ при глубине моря не превышающей 120 м. Большинство специалистов утверждали, что использование обычных металлических стационарных платформ в водах большой глубины малоэффективно и нерентабельно. Учитывая это конструкторский и технический персонал фирмы «Коноко» приступил к разработке новых технических средств для освоения глубоководных месторождений нефти. Для разработки полупогружной платформы с натяжными опорами (ГШНО) потребовалось 14 лет.
Преимущество ППНО над существовавшими то время плавучими установками заключалось в значительной экономии стали (особенно при глубинах моря более 300 м), быстром переходе от разведочного бурения к эксплуатации скважин, легкости монтажа и демонтажа конструкций. [76]
Идея использования ППНО при освоении морских месторождений возникла не сразу. В 70-х гг. самым перспективным способом освоения глубоководных месторождений считался метод применения подводных нефтегазопромысловых систем, на разработку которых и были направлены основные усилия фирм, занимающихся этой проблемой. К 1972 г. несколько фирм непосредственно участвовали в создании прототипов глубоководной системы и «Коноко» включилась в два таких проекта в качестве консультанта с целью накопления соответствующей технической информации. Одновременно изучались все известные подводные промысловые системы. Но после нескольких лет исследований и инженерных разработок специалисты фирмы пришли к выводу, что подводные эксплуатационные системы не являются единственным исчерпывающим решением вопроса. Эксплуатация и обслуживание подводных систем были связаны с определенными трудностями и кроме этого для транспортировки нефти с подводного комплекса требовалась подводная установка или танкер. К этому моменту среди разработчиков морских платформ наметился определенный интерес к ППНО, которая была предложена в качестве морского «аэродрома» и запатентована в 1930 г. [44] Такой аэродром нигде не был построен, срок действия патента истек, но тем не менее рациональное зерно в проекте присутствовало. Идея была взята за основу и специалисты фирмы приступили к ее тщательной проработке с целью использования способа вертикального заякоривания в качестве одного из элементов глубоководной эксплуатационной системы.
Первоначально концепция такой системы была достаточно проста. Предполагалось, что полупогружной корпус будет прикреплен ко дну с помощью тросов, которым обеспечат достаточное натяжение для удержания над скважинами. Таким образом палубу платформы в морской воде будет поддерживать на плаву выталкивающая сила, заменяющая традиционный опорный блок.
Значительно облегчило работу фирма «Коноко» ее участие в создании платформы с натяжными опорами, проектирование которой было начало фирмой «Диг ойл текнолоджи» (ДОТ), в последствие имеющей новое название «Флюор сабеи сервисиз». В 1973 г. ДОТ объявила о своих намерениях построить модель платформы (масштаб 1:3) с палубой площадью 670 м2 и испытать ее в защищенной бухте у берегов о. Каталина (штат Калифорния, США). Наряду с 16 другими фирмами «Коноко» финансировала эту успешно законченную в 1975 г. работу. Но после этого большинство фирм потеряли интерес к разработке ППНО. Проблема практически не обсуждалась и мало освещалась в литературе. Тем не менее специалисты «Коноко» продолжили работу в этом направлении. Данные об испытаниях платформы у берегов шт. Калифорния позволили им приблизиться к решению аналитических задач. Одновременно осуществлялась большая серия модельных испытаний. В результате проведенной исследований были разработаны методики расчетов и компьютерные программы, с помощью которых можно было точно прогнозировать поведение ППНО при большом волнении моря.
При решении различных гидродинамических задач специалисты фирмы «Коноко» пришли к выводу, что работа будет легче и эффективнее, если проект привязать к условиям конкретного месторождения. [44] С этой целью в качестве критериев проектирования были выбраны условия окружающей среды на месторождении «Хаттон». Это месторождение было открыто фирмой «Коноко» в 1973 г. когда цены на нефть были сравнительно низкими. Поэтому несмотря на то, что извлекаемые запасы месторождения оценивались в 28-40 млн. м его признали нерентабельным. Но для целей, преследуемых фирмой «Коноко» месторождение вполне подходило. Область образования штормового воздействия, в которой расположено месторождение простирается через всю северную часть Атлантики и доходит до Гренландии. Кроме того, по силе штормов выбранный район уступает только заливу Аляска. Имелись все основания считать, что если удастся создать ППНО для условий на месторождении «Хаттон», то в дальнейшем платформы такого типа могут быть спроектированы практически для любого района мира. Месторождение «Хаттон» фирма «Коноко» рассматривала как потенциально подходящий район для установки ППНО. Хотя глубина моря в районе установки не очень большая, тем не менее она достаточна для комплексной проводки всех систем и в то же время относительно невелика для осуществления в случае необходимости каких-либо дополнительных мероприятий. После тщательного анализа направлений будущей работы фирма «Коноко» обратилась к своим партнерам с предложением участвовать в проектировании ППНО для месторождения «Хаттон». Каждой фирме -будущей участнице работ был представлен краткий отчет о состоянии дел, а также передана информация о том, что для выполнения соответствующих исследований и проектных работ требуется сумма в 3 млн. долларов. Специалисты «Коноко» сообщили, что при проектировании предполагалось максимально учитывать наличие имеющейся техники.
