5. Морские буровые установки. Полупогружные плавучие буровые установки. (ппбу).

Необходимость бурения на глубинах моря, превышающих возможности оснований гравитационного типа, привела к созданию в начале 60-х годов так называемых полупогружных плавучих буровых установок (ППБУ).

Отличительная особенность ППБУ — относительная лег­кость перемещения, постановки на точку бурения и снятия с нее, повышенная устойчивость к воздействию ветра, волне­ния и течений, возможность бурения на глубинах акваторий до 6000 м, а также незначительное увеличение стоимости по мере роста глубин моря.

 ППБУ применяют в разведочном бурении на морских нефтяных и газовых структурах и месторождениях в акваториях с глубин 90—100 м, когда использование СПБУ становится экономически не оправданным, до глубин 200—300 м и более.

ППБУ состоят из верхнего корпуса, стабилизирующих колонн и нижних понтонов. Колонны в верхней части присоединены к корпусу, а в нижней — к понтонам. Понтоны и корпус соединены между собой и с колоннами прочными трубчатыми связями. Особенность конструкции установки при ее погружении в воду — резкое сокращение площади действия ватерлинии, что приводит к уменьшению волновых нагрузок на установку. В соот­ветствии с Правилами Регистра СНГ ППБУ должна иметь клиренс не менее:

м (1) 

в состоянии штормового отстоя и в рабочем состоянии.

  м (2)

Здесь h₅₀ — высота волны 50-летнего шторма для данного района моря, м.

Рабочая (верхняя) палуба обычно представляет собой конст­рукцию трех-, четырех-, пяти- и более угольной формы, на кото­рой размещены двух- и трехъярусные водонепроницаемые над­стройки для размещения экипажа, а также энергетические и технологические блоки, складские помещения и другое оборудо­вание.

Стабилизирующие колонны ППБУ разделены на водонепрони­цаемые отсеки, в которых размещены склады материалов, на­сосные отделения, цепные ящики и другое оборудование. Отсеки стабилизирующих колонн размещаются в районе ватерлинии, иногда заполняются полиуретановой пеной или пенопластом. В нижних понтонах и стабилизирующих колоннах размещены v цистерны балластной и технической воды, топлива, масла и др.

Существует три способа транспортировки ППБУ: с помощью буксиров, самоходный, комбинированный (буксировка в сочетании с самоходным).

К настоящему времени разработан ряд буксируемых и са­моходных ППБУ. По способу удержания над скважиной в процессе бурения их можно разделить на три типа: с якор­ной системой удержания; с динамическим позиционировани­ем; на натяжных опорах.

ППБУ с якорной системой удержания состоит из основа­ния и смонтированной на нем платформы с буровым обору­дованием. Основание включает понтоны с переменной плаву­честью и опоры под платформу, обладающие положительной плавучестью. В транспортном положении, несмотря на большую массу ППБУ, верхняя часть понтонов выступает над уровнем моря. На точке бурения понтоны заполняются водой, основание погружается на 18—30 м под уровень моря и заякоривается. Платформа с оборудованием при ее жест­ком соединении с основанием остается на высоте, недосягае­мой для волн во время шторма, или ее поднимают на такую же высоту по опорам домкратами. 

В полупогруженном положении ППБУ удерживается за счет плавучести опор. При этом понтоны, обладающие боль­шой площадью миделевого сечения, оказываются вне волно­вого воздействия, затухающего с глубиной моря, а миделевое сечение опор, воспринимающих давление волн, незначитель­но, причем заполненные водой понтоны снижают центр тя­жести ППБУ. Уменьшение площади сечения элементов, вос­принимающих сильные волновые нагрузки, и снижение цен­тра тяжести ППБУ повышают ее устойчивость.

Максимальные глубины моря для ППБУ с якорной систе­мой удержания над скважиной ограничены 300 м, так как с глубиной существенно возрастают длина якорных тросов, габариты и масса якорных лебедок, затрудняются процессы заякоривания и увеличивается дрейф основания.

ППБУ с динамическим позиционированием конструктивно отличается от ППБУ предыдущего типа только системой удержания установки над скважиной в процессе бурения. В рассматриваемой ППБУ якорная система удержания заменена динамической, которая включает 8 винтов продоль­ного и поперечного перемещения, акустическую аппаратуру и вычислительную машину. Излучаемые сигналы отражаются от дна, воспринимаются гидрофонами, и вычислительная маши на определяет положение ППБУ. При смещении ее по отно­шению к скважине автоматически подается команда на соот­ветствующие двигатели, и установка возвращается на исход­ную точку с заданными координатами.

В отличие от якорных систем эффективность динамичес­кой системы увеличивается с ростом глубины моря. При воз­растании глубины повышается удельная точность (отношение горизонтального смещения к глубине воды), но стоимость системы стабилизации не увеличивается.

Поэтому ППБУ с динамическим позиционированием применяют для работы на глубинах моря до 6000 м.

ППБУ с якорной и динамической системами стабилизации удерживаются в полупогруженном состоянии за счет плавуче­сти опор, соединяющих подводные понтоны с надводной платформой. Количество и диаметры опор в конструкциях ППБУ ограничены относительно их увеличения в целях сни­жения сил волнового воздействия на устойчивость основа­ния.

Однако это приводит к росту вертикальных колебаний ус­тановки, так как из-за малой площади опор по ватерлинии ППБУ очень чувствительна к перемещениям оборудования на платформе и изменению ее нагружения.

В особенно напряженных условиях заякориваемые ПБУ и ППБУ работают на приливно-отливных акваториях. Здесь по мере изменения уровня моря изменяется расстояние установ­ки от его дна: уменьшается при отливе на величину пониже­ния уровня воды и увеличивается при приливе на величину поднятия уровня воды.

 Вследствие этого при отливе якорные тросы провисают, и установка может сместиться по горизонтали от оси скважи­ны; при приливе тросы сильно натягиваются и могут срывать якоря.

ППБУ на натяжных опорах свободны от отмеченных не­достатков и занимают ведущее место среди всех известных типов ППБУ. Основными элементами основания на натяжных опорах являются понтоны с переменной плавучестью, опоры под платформу, фундамент, устанавливаемый на дне в точке бурения, и растяжки, соединяющие понтоны с фундаментом, который выполняет роль придонного якоря и удерживает понтоны в подводном положении.

В качестве растяжек, ис­ходя из удобства транспортирования, монтажа и демонта­жа установки, используют герметично закрытые по кон­цам трубы, обладающие положительной плавучестью. Кон­струкции фундамента, выполняющего роль придонного якоря, могут быть различными: погруженные в грунт сваи больших диаметров, массивные плиты или пустотелые емкости.

Технологические схемы монтажа ППБУ с натяжными опо­рами существенно зависят от конструкции фундамента, но даже при одинаковой его конструкции могут быть различ­ными. Если фундамент выполнен в виде массивной пустоте­лой емкости, разделенной на отдельные секции, то его пер­вым буксируют к точке заложения скважины. Затем сюда же доставляют предварительно изготовленные трубчатые рас­тяжки, длины которых определены исходя из глубины моря в точке бурения и проектной величины погружения понтонов основания под уровень моря. Нижние концы растяжек со­единяют скобами с фундаментом, часть пустотелых отсеков фундамента заполняют водой, и он опускается под уровень моря, увлекая за собой трубчатые растяжки, которые вслед­ствие положительной плавучести занимают вертикальное по­ложение.

В соответствии с расчетом по избыточной плавучести рас­тяжек и свободных от воды секций фундамента погружение последнего прекращается на расстоянии от дна, примерно равном проектной величине погружения понтонов основания под уровень моря. При этом верхние концы растяжек воз­вышаются над поверхностью моря на уровне мест их креп­ления к понтонам. Теперь к месту монтажа буксируют осно­вание с платформой, закрепляют верхние концы растяжек на понтонах и заполняют водой оставшиеся пустотелые секции фундамента. При этом фундамент опускается на дно, увлекая понтоны основания на необходимую глубину под уровень моря.

Устойчивость ППБУ описываемого типа зависит от силы натяжения трубчатых растяжек, называемых натяжными опорами, и практически не зависит от количества и диаметра опор основания, поддерживающих платформу.

Поэтому диа­метр опор такого основания определяют из условия их проч­ности, а не устойчивости и непотопляемости установки, т.е. используют небольшое количество опор сравнительно малых размеров любого профиля (рис. 10). Платформа состоит из следующих основных узлов: собственно платформы, вклющающей колонны 1 и понтоны 9, на которой установлено буровое 2, 3 и промысловое оборудование, оборудование для подготовки и откачки нефти и вспомогательное оборудование 4, 5, 6, жилые помещения 8, вертолетная площадка 7.

Платформа удерживается в рабочем положении натяжными элементами 13 (трубами) которые крепятся к морскому дну якорными устройствами свайного типа 10, 11.

Подводная устьевая система состоит из опорной плиты 12, на которой размещено устьевое оборудование для извлечения нефти, соединенное системой стояков с платформой. При необходимости, которая может возникнуть в про­цессе монтажно-демонтажных работ, силу натяжения растя­жек регулируют балластировкой понтонов основания, запол­няя часть их полых секций водой.

Сила натяжения растяжек почти не зависит от изменения уровня воды вследствие приливов и отливов, и положение ППБУ ни относительно дна акватории, ни относительно при­донного устья скважины не меняется и не осложняет процес­сов бурения.

По зарубежным оценкам, ППБУ с натяжными опорами в настоящее время устанавливают на глубинах моря до 800 м, а в будущем смогут устанавливать на глубинах до 2000 м. При этом стоимость ППБУ незначительно зависит от глубины мо­ря (возрастает на 10—15 % с увеличением глубины моря от 150 до 600 м). К достоинствам ППБУ на натяжных опорах можно отнес­ти легкость транспортировки и монтажа. Раздельная транс­портировка основания, растяжек и фундамента позволяет использовать для монтажа даже относительно короткие пе­риоды хорошей погоды.

Используются также ППБУ других конструкции, такие как Медуза" (Россия) и - "Скат-600" (Великобритания).

Основными требованиями при разработке конструкции ППБУ являются:

• обеспечение наибольшей безопасности и устойчивости ППБУ;

• минимальное перемещение ППБУ при бурении;

• обеспечение мобильности и маневренности при передвижении;

• быстрая установка на точку бурения;

• достаточное количество технологических и других запасов;

• удобное расположение оборудования, наличие достаточного количества помещений для хранения указанных запасов и меха­низация погрузочно-разгрузочных работ;

• простота и технологичность при строительстве, и удобство при эксплуатации;

• минимальный расход материалов и снижение трудоемкости;

• учет конкретных районов применения ППБУ.

Естественно, в перечисленных требованиях есть противоре­чивость, и осуществить их в одной конструкции невозможно. Поэтому при проектировании учитывают конкретные условия предполагаемого района применения ППБУ (глубина бурения, глубина воды, волнение, ветер, ледовой покров и т.п.).